Laser — naprava in princip delovanja

Normalno obnašanje svetlobe pri prehodu skozi medij

Običajno, ko svetloba prehaja skozi medij, se njena intenzivnost zmanjša. Številčno vrednost tega slabljenja je mogoče najti iz Bouguerjevega zakona:

V tej enačbi je poleg jakosti svetlobe I, ki vstopa in izstopa iz medija, tudi faktor, ki se imenuje linearni koeficient absorpcije svetlobe medija. V tradicionalni optiki je ta koeficient vedno pozitiven.

Negativna absorpcija svetlobe

Kaj pa, če je iz nekega razloga absorpcijski koeficient negativen? Kaj potem? Prišlo bo do ojačanja svetlobe, ko gre skozi medij; dejansko bo medij pokazal negativno absorpcijo.

Pogoje za opazovanje takšne slike je mogoče ustvariti umetno. Teoretični koncept o načinu izvajanja predlaganega pojava je leta 1939 oblikoval sovjetski fizik Valentin Aleksandrovič Fabrikant.

Med analizo hipotetičnega medija za ojačanje svetlobe, ki prehaja skozenj, je Fabrikant predlagal princip ojačanja svetlobe. In leta 1955sovjetska fizika Nikolaj Genadijevič Basov in Aleksander Mihajlovič Prohorov sta to Fabrikantovo idejo uporabila za radiofrekvenčno področje elektromagnetnega spektra.

Razmislite o fizični plati možnosti negativne absorpcije. V idealizirani obliki lahko energijske nivoje atomov predstavimo kot črte - kot da imajo atomi v vsakem stanju le strogo določeni energiji E1 in E2. To pomeni, da atom pri prehodu iz stanja v stanje oddaja ali absorbira izključno monokromatsko svetlobo točno določene valovne dolžine.

Toda realnost je daleč od idealne in dejansko imajo energijske ravni atomov določeno končno širino, to pomeni, da niso črte natančnih vrednosti. Zato bo pri prehodih med nivoji tudi določeno območje oddanih ali absorbiranih frekvenc dv, ki je odvisno od širine energijskih nivojev, med katerimi poteka prehod. Vrednosti E1 in E2 lahko uporabimo za označevanje samo srednjih energijskih ravni atoma.

Torej, ker smo predpostavili, da sta E1 in E2 srednji točki energijskih ravni, lahko obravnavamo atom v teh dveh stanjih. Naj bo E2>E1. Atom lahko absorbira ali oddaja elektromagnetno sevanje, ko prehaja med temi nivoji. Recimo, da je atom v osnovnem stanju E1 absorbiral zunanje sevanje z energijo E2-E1 in prešel v vzbujeno stanje E2 (verjetnost takšnega prehoda je sorazmerna z Einsteinovim koeficientom B12).

Ker je v vzbujenem stanju E2, atom pod vplivom zunanjega sevanja z energijo E2-E1 oddaja kvant z energijo E2-E1 in je prisiljen preiti v osnovno stanje z energijo E1 (verjetnost takega prehoda je sorazmerna z Einsteinov koeficient B21).

Če vzporedni žarek monokromatskega sevanja z volumsko spektralno gostoto w (v) prehaja skozi snov, katere plast ima enoto površine preseka in debeline dx, se bo njegova intenziteta spremenila za vrednost:

Tukaj je n1 koncentracija atomov v stanjih E1, n2 je koncentracija atomov v stanjih E2.

Če nadomestimo pogoje na desni strani enačbe, ob predpostavki, da je B21 = B12, in nato nadomestimo izraz za B21, dobimo enačbo za spremembo jakosti svetlobe pri ozkih energijskih nivojih:

V praksi, kot že omenjeno, energijski nivoji niso neskončno ozki, zato je treba upoštevati njihovo širino. Da članka ne bi zasuli z opisom transformacij in kupom formul, le opozorimo, da bomo z vnosom frekvenčnega območja in nato integracijo po x dobili formulo za iskanje dejanskega absorpcijskega koeficienta povprečja:

Ker je očitno, da je v pogojih termodinamičnega ravnotežja koncentracija n1 atomov v nižjem energijskem stanju E1 vedno večja od koncentracije n2 atomov v višjem stanju E2, je negativna absorpcija v normalnih pogojih nemogoča, nemogoče je ojačati svetlobo samo tako, da greš skozi realno okolje brez kakršnih koli dodatnih ukrepov ...

Da bi negativna absorpcija postala mogoča, je treba ustvariti pogoje, ko bo koncentracija atomov v vzbujenem stanju E2 v mediju večja od koncentracije atomov v osnovnem stanju E1, to pomeni, da je treba organizirati obratna porazdelitev atomov v mediju glede na njihova energijska stanja.

Potreba po energijskem črpanju okolja

Za organizacijo obrnjene populacije energijskih nivojev (za pridobitev aktivnega medija) se uporablja črpanje (npr. optično ali električno). Optično črpanje vključuje absorpcijo sevanja, ki ga atomi usmerijo nanje, zaradi česar ti atomi preidejo v vzbujeno stanje.

Električno črpanje v plinskem mediju vključuje vzbujanje atomov z neelastičnimi trki z elektroni v plinski razelektritvi. Po Fabrikantu je treba nekatera nizkoenergijska stanja atomov odpraviti s pomočjo molekularnih nečistoč.

Z optičnim črpanjem v dvonivojskem mediju je praktično nemogoče pridobiti aktivni medij, saj bodo kvantitativno prehodi atomov na enoto časa iz stanja E1 v stanje E2 in obratno (!) v tem primeru enakovredni, kar pomeni, da se je treba zateči vsaj k tritirnemu sistemu.

Razmislite o tristopenjskem črpalnem sistemu. Pustimo, da na medij deluje zunanje sevanje z energijo fotona E3-E1, medtem ko atomi v mediju prehajajo iz stanja z energijo E1 v stanje z energijo E3. Iz energijskega stanja E3 so možni spontani prehodi v stanje E2 in v E1. Da bi dobili obrnjeno populacijo (ko je v danem mediju več atomov z nivojem E2), je treba narediti nivo E2 daljši kot E3. Za to je pomembno upoštevati naslednje pogoje:

Skladnost s temi pogoji bo pomenila, da atomi v stanju E2 ostanejo dlje, to je, da verjetnost spontanih prehodov iz E3 v E1 in iz E3 v E2 presega verjetnost spontanih prehodov iz E2 v E1. Potem se bo raven E2 izkazala za dolgotrajnejšo in takšno stanje na ravni E2 lahko imenujemo metastabilno. Ko torej svetloba s frekvenco v = (E3 — E1) / h prehaja skozi tak aktivni medij, se ta svetloba ojača. Podobno je mogoče uporabiti štiristopenjski sistem, potem bo raven E3 metastabilna.

Laserska naprava

Tako laser vključuje tri glavne komponente: aktivni medij (v katerem se ustvari populacijska inverzija energijskih nivojev atomov), črpalni sistem (naprava za pridobivanje populacijske inverzije) in optični resonator (ki ojača sevanje). večkrat in tvori usmerjen žarek izhoda). Aktivni medij je lahko trden, tekoč, plin ali plazma.

Črpanje poteka neprekinjeno ali impulzno. Pri neprekinjenem črpanju je dobava medija omejena s pregrevanjem medija in posledicami tega pregrevanja. Pri pulznem črpanju pridobimo več uporabne energije, ki jo v medij vnašamo po delih, zaradi velike moči vsakega posameznega pulza.

Različni laserji — različno črpanje

Polprevodniški laserji se črpajo z obsevanjem delovnega medija z močnimi bliski s praznjenjem v plinu, fokusirano sončno svetlobo ali drugim laserjem. To je vedno impulzno črpanje, ker je moč tako velika, da se delovna palica pod neprekinjenim delovanjem zruši.

Tekočinski in plinski laserji se črpajo z električno razelektritvijo.Kemijski laserji predvidevajo pojav kemičnih reakcij v njihovem aktivnem mediju, zaradi česar dobimo obrnjeno populacijo atomov bodisi iz produktov reakcije bodisi iz posebnih nečistoč z ustrezno nivojsko strukturo.

Polprevodniške laserje črpa tok naprej skozi pn spoj ali elektronski žarek. Poleg tega obstajajo metode črpanja, kot je fotodisociacija ali plinska dinamična metoda (nenadno hlajenje segretih plinov).

Optični resonator — srce laserja

Optični resonator je sistem para zrcal, v najpreprostejšem primeru dveh zrcal (konkavnih ali vzporednih), pritrjenih drug nasproti drugega, med njima pa je vzdolž skupne optične osi aktivni medij v obliki kristala ali kiveta s plinom. Fotoni, ki gredo pod kotom skozi medij, ga pustijo ob strani, tisti, ki se gibljejo vzdolž osi, pa se večkrat odbijejo, ojačajo in izstopijo skozi prosojno zrcalo.

To proizvaja lasersko sevanje - žarek koherentnih fotonov - strogo usmerjen žarek. Med enim prehodom svetlobe med zrcali mora obseg ojačenja preseči določen prag — količino izgube sevanja skozi drugo zrcalo (bolje kot zrcalo prepušča, višji mora biti ta prag).

Za učinkovito ojačitev svetlobe je potrebno ne le povečati pot svetlobe znotraj aktivnega medija, temveč tudi zagotoviti, da so valovi, ki zapuščajo resonator, v fazi med seboj, potem bodo motilni valovi dali največjo možno amplitudo.

Za dosego tega cilja je potrebno, da je vsako od valov v resonatorju, ki se vrača v točko na izvornem zrcalu in na splošno na kateri koli točki v aktivnem mediju, v fazi s primarnim valovanjem po poljubnem številu popolnih odbojev. . To je mogoče, če optična pot, ki jo val prepotuje med dvema povratkoma, izpolnjuje pogoj:

kjer je m celo število, bo v tem primeru fazna razlika večkratnik 2P:

Ker se vsak od valov v fazi razlikuje od prejšnjega za 2pi, to pomeni, da bodo vsi valovi, ki zapuščajo resonator, v fazi drug z drugim, kar daje največjo amplitudno interferenco. Resonator bo imel na izhodu skoraj monokromatsko vzporedno sevanje.

Delovanje zrcal v resonatorju bo zagotovilo ojačanje načinov, ki ustrezajo stoječim valovom v resonatorju; drugi načini (ki nastanejo zaradi posebnosti realnih razmer) bodo oslabljeni.

Ruby laser — prvi trdni laser

Prvo polprevodniško napravo je leta 1960 izdelal ameriški fizik Theodore Maiman. To je bil rubinasti laser (rubin - Al2O3, kjer so nekatera mesta mreže - znotraj 0,5% - nadomeščena s trikrat ioniziranim kromom; več kroma, temnejša je barva rubinastega kristala).

Prvi uspešno delujoči laser, ki ga je leta 1960 zasnoval dr. Ted Mayman.

Rubinasti valj iz najbolj homogenega kristala s premerom od 4 do 20 mm in dolžino od 30 do 200 mm je nameščen med dvema ogledaloma, izdelanima v obliki plasti srebra, nanesenih na skrbno polirane konce tega valj. Spiralna plinska sijalka obdaja valj po vsej dolžini in je preko kondenzatorja napajana z visoko napetostjo.

Ko je svetilka vklopljena, je rubin intenzivno obsevan, medtem ko se atomi kroma premaknejo iz nivoja 1 v nivo 3 (v tem vzbujenem stanju so manj kot 10-7 sekund), tu je najverjetnejši prehod v ravni 2 se uresničijo — na metastabilno raven. Odvečna energija se prenese v kristalno mrežo rubina. Spontani prehodi iz stopnje 3 v stopnjo 1 so nepomembni.

Prehod iz nivoja 2 na nivo 1 je prepovedan s pravili izbire, zato je trajanje tega nivoja približno 10-3 sekunde, kar je 10.000-krat dlje kot na nivoju 3, posledično se atomi kopičijo v rubinu z nivojem 2 — to je obratna populacija ravni 2.

Fotoni, ki se spontano pojavijo med spontanimi prehodi, lahko povzročijo prisilne prehode iz nivoja 2 v nivo 1 in izzovejo plaz sekundarnih fotonov, vendar so ti spontani prehodi naključni in njihovi fotoni se širijo kaotično, večinoma zapuščajo resonator skozi njegovo stransko steno.

Toda tisti izmed fotonov, ki zadenejo os, se večkrat odbijejo od zrcal, kar hkrati povzroči prisilno emisijo sekundarnih fotonov, ki spet izzovejo stimulirano emisijo itd. Ti fotoni se bodo gibali v podobni smeri kot primarni in tok vzdolž osi kristala se bo povečeval kot plaz.

Pomnoženi tok fotonov bo izstopil skozi stransko prosojno ogledalo resonatorja v obliki strogo usmerjenega svetlobnega žarka ogromne intenzitete. Ruby ​​laser deluje na valovni dolžini 694,3 nm, moč impulza pa je lahko do 109 W

Neonski laser s helijem

Helij-neonski (helij / neon = 10/1) laser je eden najbolj priljubljenih plinskih laserjev. Tlak v mešanici plinov je približno 100 Pa.Neon služi kot aktivni plin, proizvaja fotone z valovno dolžino 632,8 nm v neprekinjenem načinu. Funkcija helija je ustvariti obratno populacijo iz enega od zgornjih energijskih nivojev neona. Širina spektra takega laserja je približno 5 * 10-3 Hz, koherenčna dolžina 6 * 1011 m, koherenčni čas 2 * 103 ° C.

Pri črpanju helij-neonskega laserja visokonapetostna električna razelektritev inducira prehod atomov helija v metastabilno vzbujeno stanje nivoja E2. Ti atomi helija neelastično trčijo z atomi neona v osnovnem stanju E1 in prenašajo svojo energijo. Energija nivoja E4 neona je višja od nivoja E2 helija za 0,05 eV. Pomanjkanje energije se kompenzira s kinetično energijo atomskih trkov. Posledično se na ravni E4 neona dobi obrnjena populacija glede na raven E3.

Vrste sodobnih laserjev

Glede na stanje aktivnega medija delimo laserje na: trdne, tekoče, plinske, polprevodniške in tudi kristalne. Glede na način črpanja so lahko: optični, kemični, plinski. Po naravi generiranja so laserji razdeljeni na: neprekinjene in impulzne. Te vrste laserjev oddajajo sevanje v vidnem območju elektromagnetnega spektra.

Optični laserji so se pojavili pozneje kot drugi. Sposobni so generirati sevanje v bližnjem infrardečem območju, takšno sevanje (na valovni dolžini do 8 mikronov) je zelo primerno za optične komunikacije. Optični laserji vsebujejo vlakno, v jedro katerega je vnesenih več ionov ustreznih elementov redkih zemelj.

Svetlovod je tako kot pri drugih vrstah laserjev nameščen med par zrcal.Za črpanje se v vlakno dovaja lasersko sevanje z zahtevano valovno dolžino, tako da ioni elementov redkih zemelj pod njegovim delovanjem preidejo v vzbujeno stanje. Ko se ti ioni vrnejo v nižje energijsko stanje, oddajajo fotone z daljšo valovno dolžino od iniciacijskega laserja.

Na ta način vlakno deluje kot vir laserske svetlobe. Njegova frekvenca je odvisna od vrste dodanih elementov redkih zemelj. Samo vlakno je izdelano iz fluorida težke kovine, kar ima za posledico učinkovito generiranje laserskega sevanja na frekvenci infrardečega območja.

Rentgenski laserji zavzemajo nasprotno stran spektra - med ultravijoličnim in gama - to so velikosti velikosti z valovno dolžino od 10-7 do 10-12 m. Laserji te vrste imajo najvišjo svetlost impulzov vseh vrst laserjev.

Prvi rentgenski laser je bil zgrajen leta 1985 v ZDA, v laboratoriju Livermore. Lovrenca. Laser generira na selenove ione, obseg valovnih dolžin je od 18,2 do 26,3 nm, največja svetlost pa pade na linijo valovnih dolžin 20,63 nm. Danes je lasersko sevanje z valovno dolžino 4,6 nm doseženo z aluminijevimi ioni.

Rentgenski laser ustvarjajo impulzi s trajanjem od 100 ps do 10 ns, kar je odvisno od življenjske dobe tvorbe plazme.

Dejstvo je, da je aktivni medij rentgenskega laserja visoko ionizirana plazma, ki jo dobimo na primer, ko tanek film itrija in selena obsevamo z visokozmogljivim laserjem v vidnem ali infrardečem spektru.

Energija rentgenskega laserja v impulzu doseže 10 mJ, medtem ko je kotna divergenca v žarku približno 10 miliradianov. Razmerje med močjo črpalke in neposrednim sevanjem je približno 0,00001.