Ласер — уређај и принцип рада

Нормално понашање светлости при проласку кроз медијум

Нормално, када светлост прође кроз медијум, њен интензитет се смањује. Нумеричка вредност овог слабљења може се наћи из Бугеровог закона:

У овој једначини, поред интензитета светлости И која улази и излази из средине, постоји и фактор који се назива линеарни коефицијент апсорпције светлости медијума. У традиционалној оптици, овај коефицијент је увек позитиван.

Негативна апсорпција светлости

Шта ако је из неког разлога коефицијент апсорпције негативан? Шта онда? Доћи ће до појачавања светлости док пролази кроз медијум; у ствари, медијум ће показати негативну апсорпцију.

Услови за посматрање такве слике могу се створити вештачки. Теоријски концепт у вези са начином имплементације предложеног феномена формулисао је 1939. совјетски физичар Валентин Александрович Фабрикант.

У току анализе хипотетичког медија за појачавање светлости који пролази кроз њега, Фабрикант је предложио принцип појачавања светлости. И 1955. годсовјетски физичари Николај Генадијевич Басов и Александар Михајлович Прохоров применили су ову Фабрикантову идеју на радио-фреквентну област електромагнетног спектра.

Размотрите физичку страну могућности негативне апсорпције. У идеализованом облику, енергетски нивои атома могу бити представљени као линије — као да атоми у сваком стању имају само стриктно дефинисане енергије Е1 и Е2. То значи да приликом преласка из стања у стање, атом или емитује или апсорбује искључиво монохроматску светлост тачно дефинисане таласне дужине.

Али стварност је далеко од идеалне, а у ствари енергетски нивои атома имају одређену коначну ширину, односно нису линије тачних вредности. Због тога ће током прелаза између нивоа постојати и одређени опсег емитованих или апсорбованих фреквенција дв, који зависи од ширине енергетских нивоа између којих се прелази. Вредности Е1 и Е2 се могу користити за означавање само средњих енергетских нивоа атома.

Дакле, пошто смо претпоставили да су Е1 и Е2 средине енергетских нивоа, можемо размотрити атом у ова два стања. Нека је Е2>Е1. Атом може или да апсорбује или емитује електромагнетно зрачење када прође између ових нивоа. Претпоставимо да је атом, у основном стању Е1, апсорбовао спољашње зрачење са енергијом Е2-Е1 и прешао у побуђено стање Е2 (вероватноћа таквог прелаза је пропорционална Ајнштајновом коефицијенту Б12).

Налазећи се у побуђеном стању Е2, атом под дејством спољашњег зрачења са енергијом Е2-Е1 емитује квант са енергијом Е2-Е1 и принуђен је да пређе у основно стање са енергијом Е1 (вероватноћа таквог прелаза је пропорционална Ајнштајнов коефицијент Б21).

Ако паралелни сноп монохроматског зрачења са запреминском спектралном густином в (в) прође кроз супстанцу чији слој има јединичну површину попречног пресека и дебљину дк, онда ће се његов интензитет променити за вредност:

Овде је н1 концентрација атома у Е1 стањима, н2 је концентрација атома у Е2 стањима.

Заменом услова на десној страни једначине, уз претпоставку да је Б21 = Б12, а затим заменом израза за Б21, добијамо једначину за промену интензитета светлости на уским енергетским нивоима:

У пракси, као што је већ поменуто, нивои енергије нису бесконачно уски, па се њихова ширина мора узети у обзир. Да не бисмо затрпали чланак описом трансформација и гомилом формула, једноставно напомињемо да ћемо уносом фреквенцијског опсега и затим интеграцијом преко к добити формулу за проналажење стварног коефицијента апсорпције просека:

Пошто је очигледно да је у условима термодинамичке равнотеже концентрација н1 атома у нижем енергетском стању Е1 увек већа од концентрације н2 атома у вишем стању Е2, негативна апсорпција је немогућа у нормалним условима, немогуће је појачати светлост само пролазећи кроз стварно окружење без предузимања додатних мера...

Да би негативна апсорпција постала могућа, потребно је створити услове када ће концентрација атома у побуђеном стању Е2 у медијуму бити већа од концентрације атома у основном стању Е1, односно потребно је организовати обрнута расподела атома у медијуму према њиховим енергетским стањима.

Потреба за енергетским пумпањем животне средине

За организовање обрнуте популације нивоа енергије (да би се добио активни медијум) користи се пумпање (нпр. оптичко или електрично). Оптичко пумпање подразумева апсорпцију зрачења усмереног на њих од стране атома, због чега ови атоми прелазе у побуђено стање.

Електрично пумпање у гасном медијуму укључује побуду атома нееластичним сударима са електронима у гасном пражњењу. Према Фабриканту, нека од нискоенергетских стања атома морају се елиминисати помоћу молекуларних нечистоћа.

Практично је немогуће добити активни медијум коришћењем оптичког пумпања у двостепеном медију, пошто ће квантитативно прелазити атома у јединици времена из стања Е1 у стање Е2 и обрнуто (!) у овом случају бити еквивалентни, што значи да ће потребно је прибећи бар тростепеном систему.

Размотрите тростепени систем пумпања. Нека спољашње зрачење са енергијом фотона Е3-Е1 делује на медијум док атоми у средини прелазе из стања са енергијом Е1 у стање са енергијом Е3. Из енергетског стања Е3 могући су спонтани прелази у стање Е2 и у Е1. Да би се добила обрнута популација (када има више атома са нивоом Е2 у датој средини), потребно је да ниво Е2 буде дужи од Е3. За ово је важно да се придржавате следећих услова:

Усклађеност са овим условима ће значити да атоми у Е2 стању остају дуже, односно да је вероватноћа спонтаних прелазака из Е3 у Е1 и из Е3 у Е2 већа од вероватноће спонтаних прелаза из Е2 у Е1. Тада ће се ниво Е2 показати дуготрајнијим, а такво стање на нивоу Е2 може се назвати метастабилним. Стога, када светлост са фреквенцијом в = (Е3 — Е1) / х прође кроз такав активни медијум, ова светлост ће бити појачана. Слично, може се користити систем са четири нивоа, тада ће ниво Е3 бити метастабилан.

Ласерски уређај

Дакле, ласер укључује три главне компоненте: активни медијум (у коме се ствара популацијска инверзија енергетских нивоа атома), систем за пумпање (уређај за добијање инверзије популације) и оптички резонатор (који појачава зрачење). много пута и формира усмерени сноп излаза). Активни медијум може бити чврста, течна, гасовита или плазма.

Пумпање се врши континуирано или пулсно. Код континуираног пумпања, снабдевање медијума је ограничено прегревањем медијума и последицама овог прегревања. У импулсном пумпању, корисна енергија која се уноси по комадима у медијум се добија више због велике снаге сваког појединачног импулса.

Различити ласери — различито пумпање

Ласери у чврстом стању се пумпају зрачењем радног медијума снажним бљесковима гасног пражњења, фокусираном сунчевом светлошћу или другим ласером.Ово је увек импулсно пумпање јер је снага толико велика да ће се радна шипка срушити под континуираним дејством.

Течни и гасни ласери се пумпају електричним пражњењем.Хемијски ласери претпостављају настанак хемијских реакција у свом активном медијуму, услед чега се обрнута популација атома добија или од производа реакције или од посебних нечистоћа са одговарајућом структуром нивоа.

Полупроводнички ласери се пумпају директном струјом кроз пн спој или електронским снопом. Поред тога, постоје такве методе пумпања као што су фотодисоцијација или гаснодинамичка метода (нагло хлађење загрејаних гасова).

Оптички резонатор — срце ласера

Оптички резонатор је систем од пара огледала, у најједноставнијем случају два огледала (конкавна или паралелна) причвршћена једно наспрам другог, а између њих дуж заједничке оптичке осе налази се активни медијум у облику кристала или кивета са гасом. Фотони који пролазе под углом кроз медијум остављају га са стране, а они који се крећу дуж осе, рефлектујући се више пута, појачавају се и излазе кроз провидно огледало.

Ово производи ласерско зрачење - сноп кохерентних фотона - строго усмерени сноп. Током једног проласка светлости између огледала, величина појачања мора да пређе одређени праг — количину губитка зрачења кроз друго огледало (што боље огледало преноси, тај праг мора бити већи).

Да би се појачавање светлости ефикасно спровело, потребно је не само повећати путању светлости унутар активног медијума, већ и осигурати да таласи који излазе из резонатора буду у фази једни са другима, тада ће интерферентни таласи дати максимална могућа амплитуда.

Да би се постигао овај циљ, неопходно је да сваки од таласа у резонатору који се враћа у тачку на изворном огледалу и уопште, у било којој тачки активног медијума, буде у фази са примарним таласом након произвољног броја савршених рефлексија. . Ово је могуће када оптичка путања коју талас путује између два повратка задовољава услов:

где је м цео број, у овом случају фазна разлика ће бити вишекратник 2П:

Сада, пошто се сваки од таласа разликује у фази од претходног за 2пи, то значи да ће сви таласи који излазе из резонатора бити у фази један са другим, дајући максималну интерференцију амплитуде. Резонатор ће имати скоро монохроматско паралелно зрачење на излазу.

Рад огледала унутар резонатора ће обезбедити појачање модова који одговарају стајаћим таласима унутар резонатора; остали модуси (који настају услед особености реалних услова) биће ослабљени.

Рубин ласер — прво чврсто стање

Први чврсти уређај направио је 1960. године амерички физичар Теодор Мејман. Био је то рубин ласер (рубин — Ал2О3, где су нека места решетке — унутар 0,5% — замењена троструко јонизованим хромом; што је више хрома, тамнија је боја кристала рубина).

Први успешан радни ласер који је дизајнирао др Тед Мејман 1960. године.

Рубински цилиндар од најхомогенијег кристала, пречника од 4 до 20 мм и дужине од 30 до 200 мм, постављен је између два огледала направљена у виду слојева сребра нанешеног на пажљиво углачане крајеве овог цилиндар. Лампа са гасним пражњењем у облику спирале окружује цилиндар целом дужином и напаја се високим напоном преко кондензатора.

Када се лампа упали, рубин је интензивно озрачен, док се атоми хрома крећу са нивоа 1 на ниво 3 (у овом узбуђеном стању су мање од 10-7 секунди), ту највероватније прелази у ниво 2 се реализују — до метастабилног нивоа. Вишак енергије се преноси у кристалну решетку рубина. Спонтани прелази са нивоа 3 на ниво 1 су безначајни.

Прелазак са нивоа 2 на ниво 1 забрањен је правилима селекције, па је трајање овог нивоа око 10-3 секунде, што је 10.000 пута дуже него на нивоу 3, као резултат тога, атоми се акумулирају у рубину са нивоом 2 — ово је обрнута популација нивоа 2.

Спонтано настали током спонтаних прелаза, фотони могу изазвати присилне прелазе са нивоа 2 на ниво 1 и изазвати лавину секундарних фотона, али су ови спонтани прелази насумични и њихови фотони се хаотично шире, углавном напуштајући резонатор кроз његову бочну страну.

Али они фотони који ударе у осу пролазе кроз вишеструке рефлексије од огледала, истовремено изазивајући принудну емисију секундарних фотона, који опет изазивају стимулисану емисију, и тако даље. Ови фотони ће се кретати у правцу сличном примарним и флукс дуж осе кристала ће се повећати попут лавине.

Умножени ток фотона ће изаћи кроз бочно провидно огледало резонатора у облику стриктно усмереног светлосног снопа колосалног интензитета. Рубин ласер ради на таласној дужини од 694,3 нм, док снага импулса може бити до 109 В

Неонски ласер са хелијумом

Хелијум-неонски (хелијум / неон = 10/1) ласер је један од најпопуларнијих гасних ласера. Притисак у гасној смеши је око 100 Па.Неон служи као активни гас, производи фотоне са таласном дужином од 632,8 нм у непрекидном режиму. Функција хелијума је да створи обрнуту популацију из једног од горњих енергетских нивоа неона. Ширина спектра таквог ласера ​​је око 5 * 10-3 Хз Дужина кохеренције 6 * 1011 м, време кохеренције 2 * 103 ° Ц.

Када се пумпа хелијум-неонски ласер, високонапонско електрично пражњење индукује прелазак атома хелијума у ​​метастабилно побуђено стање на нивоу Е2. Ови атоми хелијума се нееластично сударају са атомима неона у основном стању Е1, преносећи њихову енергију. Енергија Е4 нивоа неона већа је од Е2 нивоа хелијума за 0,05 еВ. Недостатак енергије се надокнађује кинетичком енергијом атомских судара. Као резултат, на нивоу Е4 неона, добија се обрнута популација у односу на ниво Е3.

Врсте савремених ласера

Према стању активног медијума, ласери се деле на: чврсте, течне, гасовите, полупроводничке, а такође и кристалне. По начину пумпања могу бити: оптички, хемијски, гасно пражњење. По природи генерације ласери се деле на: континуиране и импулсне. Ови типови ласера ​​емитују зрачење у видљивом опсегу електромагнетног спектра.

Оптички ласери су се појавили касније од других. Они су способни да генеришу зрачење у блиском инфрацрвеном опсегу, такво зрачење (на таласној дужини до 8 микрона) је веома погодно за оптичке комуникације. Оптички ласери садрже влакно у чије језгро је унето неколико јона одговарајућих реткоземних елемената.

Светловод, као и код других врста ласера, је инсталиран између пара огледала.За пумпање, ласерско зрачење потребне таласне дужине се доводи у влакно, тако да јони реткоземних елемената под његовим дејством прелазе у побуђено стање. Враћајући се у стање ниже енергије, ови јони емитују фотоне са већом таласном дужином од таласне дужине ласера ​​за иницирање.

На овај начин, влакно делује као извор ласерске светлости. Његова учесталост зависи од врсте додатих елемената ретких земаља. Само влакно је направљено од флуорида тешког метала, што резултира ефикасном генерисањем ласерског зрачења на фреквенцији инфрацрвеног опсега.

Рендген ласери заузимају супротну страну спектра — између ултраљубичастог и гама — то су редови величине са таласним дужинама од 10-7 до 10-12 м. Ласери овог типа имају највећу јачину импулса од свих врста ласера.

Први рендгенски ласер направљен је 1985. године у САД, у Ливерморској лабораторији. Лавренце. Ласер генерисан на јонима селена, опсег таласних дужина је од 18,2 до 26,3 нм, а највећа светлост пада на линију таласне дужине од 20,63 нм. Данас је ласерско зрачење таласне дужине од 4,6 нм постигнуто јонима алуминијума.

Рендгенски ласер се генерише импулсима у трајању од 100 пс до 10 нс, што зависи од века трајања формирања плазме.

Чињеница је да је активни медијум рендгенског ласера ​​високо јонизована плазма, која се добија, на пример, када се танак филм итријума и селена озрачи ласером велике снаге у видљивом или инфрацрвеном спектру.

Енергија рендгенског ласера ​​у импулсу достиже 10 мЈ, док је угаона дивергенција у снопу приближно 10 милирадијана. Однос снаге пумпе и директног зрачења је око 0,00001.