Физик нь Планкийн цацрагийн хуульд суурилсан лазерын анхны зарчмыг 1917 онд Эйнштейн онолын хувьд нотолсон. Тэрээр магадлалын коэффициент (Эйнштейний коэффициент) ашиглан шингээлт, аяндаа болон өдөөгдсөн цахилгаан соронзон цацрагийг тодорхойлсон.
Анхдагчид
Теодор Мейман 694 нм долгионы урттай импульсийн когерент цацрагийг үүсгэсэн нийлэг бадмаараг флаш чийдэнгээр оптик шахах үндсэн дээр бадмаараг лазерын ажиллах зарчмыг анх харуулсан.
1960 онд Ираны эрдэмтэн Жаван, Беннет нар 1:10 харьцаатай Хэ ба Не хийн хольцыг ашиглан анхны хийн квант генераторыг бүтээжээ.
1962 онд RN Hall 850 нм долгионы уртад ялгардаг галлийн арсенид (GaAs) диодын анхны лазерыг үзүүлжээ. Тэр жилийн сүүлээр Ник Голоняк анхны хагас дамжуулагч харагдах гэрлийн квант генераторыг бүтээсэн.
Лазерын дизайн ба ажиллах зарчим
Лазер систем бүр байрлуулсан идэвхтэй орчиноос бүрдэнэнэг нь тунгалаг байдаг оптикийн зэрэгцээ, өндөр тусгалтай хос толь ба түүнийг шахах эрчим хүчний эх үүсвэрийн хооронд. Олшруулах орчин нь хатуу, шингэн эсвэл хий байж болох бөгөөд энэ нь цахилгаан эсвэл оптик шахуургын тусламжтайгаар түүгээр дамжин өнгөрөх гэрлийн долгионы далайцыг нэмэгдүүлэх шинж чанартай байдаг. Хос толины хооронд бодисыг байрлуулсан бөгөөд тэдгээрт туссан гэрэл тус бүрээр дамжин өнгөрч, мэдэгдэхүйц олшруулсны дараа тунгалаг толинд нэвтэрдэг.
Хоёр шатлалт орчин
Атомууд нь өдөөгдсөн E2 ба үндсэн E1 гэсэн хоёр энергийн түвшинтэй идэвхтэй орчинтой лазерын ажиллах зарчмыг авч үзье. . Хэрэв атомууд ямар нэгэн шахуургын механизмаар (оптик, цахилгаан цэнэггүйдэл, гүйдэл дамжуулах эсвэл электрон бөмбөгдөлт) E2 төлөвт өдөөгдвөл хэдхэн наносекундын дараа тэдгээр нь фотон ялгаруулж газрын байрлал руу буцна. энергийн hν=E 2 - E1. Эйнштейний онолын дагуу ялгаруулалтыг хоёр янзаар үүсгэдэг: фотоноор өдөөгддөг, эсвэл аяндаа үүсдэг. Эхний тохиолдолд өдөөгдсөн ялгаралт, хоёр дахь тохиолдолд аяндаа ялгардаг. Дулааны тэнцвэрт байдалд өдөөгдсөн ялгаруулалтын магадлал нь аяндаа ялгарах ялгаралтаас хамаагүй бага (1:1033) тул ихэнх ердийн гэрлийн эх үүсвэрүүд хоорондоо уялдаа холбоогүй бөгөөд дулааны бус нөхцөлд лазер үүсгэх боломжтой. тэнцвэр.
Маш хүчтэй ч гэсэншахах үед хоёр түвшний системийн хүн амыг зөвхөн тэнцүүлж болно. Тиймээс оптик болон бусад шахуургын аргаар популяцийн урвуу байдалд хүрэхийн тулд гурав эсвэл дөрвөн түвшний систем шаардлагатай.
Олон түвшний систем
Гурван түвшний лазерын зарчим юу вэ? ν02 давтамжийн хүчтэй гэрлээр цацраг туяа нь маш олон тооны атомыг E0 хамгийн бага энергийн түвшнээс E энергийн хамгийн дээд түвшин хүртэл шахдаг. 2. Атомын E2-аас E1 руу цацрагийн бус шилжилт нь E1 болон E хооронд популяцийн инверси үүсгэдэг. 0 , энэ нь практикт атомууд удаан хугацааны туршид метастабил төлөвт байх үед л боломжтой байдаг E1, болон E2 -с E 1 хүртэл хурдан явж байна. Гурван түвшний лазерын ажиллах зарчим нь эдгээр нөхцлүүдийг биелүүлэх явдал бөгөөд үүний улмаас E0 болон E1 хооронд популяцийн урвуулалт ба фотонуудын хооронд үүсдэг. энерги E 1-E0 өдөөгдсөн ялгаралтаар нэмэгддэг. E2-ийн илүү өргөн түвшин нь илүү үр ашигтай шахах зорилгоор долгионы урт шингээх хүрээг нэмэгдүүлж, улмаар өдөөгдсөн ялгаралтыг нэмэгдүүлнэ.
Гурван түвшний систем нь маш өндөр насосны хүч шаарддаг, учир нь үйлдвэрлэхэд оролцдог доод түвшин нь суурь юм. Энэ тохиолдолд популяцийн инверси үүсэхийн тулд нийт атомын талаас илүү хувийг E1 төлөвт шахах шаардлагатай. Ингэхдээ энерги дэмий үрэгдэж байна. Ус шахах хүч нь мэдэгдэхүйц байж болнодоод үеийн түвшин нь суурь биш бол буурна. Энэ нь дор хаяж дөрвөн түвшний систем шаарддаг.
Идэвхтэй бодисын шинж чанараас хамааран лазерыг хатуу, шингэн, хий гэсэн үндсэн гурван төрөлд хуваадаг. 1958 оноос эхлэн бадмаараг болорт ласинг ажиглагдаж эхэлснээс хойш эрдэмтэд, судлаачид төрөл тус бүрээс маш олон төрлийн материалыг судалжээ.
Хатуу төлөвт лазер
Үйл ажиллагааны зарчим нь тусгаарлагч болор торонд шилжилтийн бүлгийн метал нэмснээр үүссэн идэвхтэй орчин ашиглахад суурилдаг (Ti+3, Cr +3, V+2, С+2, Ni+2, Fe +2 гэх мэт), газрын ховор ионууд (Ce+3, Pr+3, Nd +3, Pm+3, Sm+2, Eu +2, +3 , Tb+3, Dy+3, Хо+3 , Er +3, Yb+3 гэх мэт), мөн U+3 зэрэг актинидүүд. Ионуудын энергийн түвшин нь зөвхөн үүсэх үүрэгтэй. Дулаан дамжилтын илтгэлцүүр, дулааны тэлэлт зэрэг үндсэн материалын физик шинж чанар нь лазерын үр ашигтай ажиллахад зайлшгүй шаардлагатай. Допингтой ионы эргэн тойронд торны атомуудын зохион байгуулалт нь түүний энергийн түвшинг өөрчилдөг. Идэвхтэй орчин дахь янз бүрийн долгионы уртыг янз бүрийн материалыг ижил ионоор дүүргэснээр бий болдог.
Голмиум лазер
Хатуу төлөвт лазерын жишээ бол болор торны үндсэн бодисын атомыг голмиумаар орлуулдаг квант генератор юм. Ho:YAG бол хамгийн шилдэг үеийн материалуудын нэг юм. Холмиум лазерын ажиллах зарчим нь иттриум хөнгөн цагаан анарыг голмийн ионоор дүүргэж, флаш чийдэнгээр оптик шахаж, IR мужид 2097 нм долгионы уртаар ялгаруулж эд эсэд сайн шингэдэг. Энэхүү лазерыг үе мөчний мэс засал, шүдийг эмчлэх, хорт хавдрын эс, бөөр, цөсний чулууг ууршуулах зэрэгт ашигладаг.
Хагас дамжуулагч квант генератор
Квантын худгийн лазерууд нь хямд, олноор үйлдвэрлэх боломжтой бөгөөд хялбархан өргөжүүлэх боломжтой. Хагас дамжуулагч лазерын үйл ажиллагааны зарчим нь p-n уулзвар диодыг ашиглахад суурилдаг бөгөөд энэ нь тодорхой долгионы урттай гэрлийг LED-тэй адил эерэг хазайлтаар дамжуулагчийн рекомбинацаар үүсгэдэг. LED нь аяндаа ялгардаг, лазер диодууд - албадан. Популяцийн урвуу нөхцөлийг биелүүлэхийн тулд ажлын гүйдэл нь босго утгаас хэтрэх ёстой. Хагас дамжуулагч диод дахь идэвхтэй орчин нь хоёр хэмжээст давхаргын холболтын муж хэлбэртэй байна.
Энэ төрлийн лазерын ажиллах зарчим нь хэлбэлзлийг хадгалахын тулд гаднах толин тусгал шаарддаггүй. Давхаргын хугарлын илтгэгч болон идэвхтэй орчны дотоод тусгалаас үүссэн тусгал нь энэ зорилгоор хангалттай. Диодын төгсгөлийн гадаргуу нь зүсэгдсэн бөгөөд энэ нь цацруулагч гадаргуу нь параллель байхыг баталгаажуулдаг.
Ижил төрлийн хагас дамжуулагч материалаар үүсгэгдсэн холболтыг гомохолболт, хоёр өөр төрлийн холболтоор үүссэн холболтыг холбогч гэж нэрлэдэг.эсрэг холболт.
Тээвэрлэгчийн өндөр нягтралтай P- болон n төрлийн хагас дамжуулагч нь маш нимгэн (≈1 μm) хомсдолын давхарга бүхий p-n уулзвар үүсгэдэг.
Хийн лазер
Энэ төрлийн лазерын ажиллах зарчим, ашиглах зарчим нь бараг ямар ч чадалтай (милливаттаас мегаватт хүртэл) болон долгионы урттай (хэт ягаан туяанаас IR хүртэл) төхөөрөмжүүдийг бүтээх боломжийг олгодог бөгөөд импульсийн болон тасралтгүй горимд ажиллах боломжийг олгодог.. Идэвхтэй орчны шинж чанарт үндэслэн атомын, ионы болон молекулын гэсэн гурван төрлийн хийн квант генератор байдаг.
Ихэнх хийн лазерыг цахилгаан цэнэгтэй шахдаг. Цэнэглэх хоолой дахь электронууд электродуудын хоорондох цахилгаан талбайн нөлөөгөөр хурдасдаг. Тэд идэвхтэй орчны атом, ион эсвэл молекулуудтай мөргөлдөж, популяцийн урвуу болон өдөөгдсөн ялгаралтын төлөвт хүрэхийн тулд илүү өндөр энергийн түвшинд шилжихэд хүргэдэг.
Молекул лазер
Лазерын ажиллах зарчим нь атом болон ионы квант генераторын молекулууд тусгаарлагдсан атом, ионуудаас ялгаатай нь салангид энергийн түвшний өргөн энергийн зурвастай байдагт суурилдаг. Түүнчлэн, электрон энергийн түвшин бүр маш олон тооны чичиргээний түвшинтэй бөгөөд тэдгээр нь эргээд хэд хэдэн эргэлтийн түвшинтэй байдаг.
Цахим энергийн түвшний хоорондох энерги нь хэт ягаан туяаны болон спектрийн харагдахуйц хэсэгт байдаг бол чичиргээ-эргэлтийн түвшний хооронд - алс болон ойрын IR-д байдаг.бүс нутаг. Тиймээс ихэнх молекул квант генераторууд алс эсвэл ойрын хэт улаан туяаны бүсэд ажилладаг.
Эксимер лазер
Эксимерүүд нь үндсэн төлөв нь тусгаарлагдсан, эхний түвшинд тогтвортой байдаг ArF, KrF, XeCl зэрэг молекулууд юм. Лазерын ажиллах зарчим дараах байдалтай байна. Дүрмээр бол үндсэн төлөвт байгаа молекулуудын тоо бага байдаг тул үндсэн төлөвөөс шууд шахах боломжгүй юм. Молекулууд нь өндөр энергитэй галогенийг инертийн хийтэй хослуулснаар анхны өдөөгдсөн электрон төлөвт үүсдэг. Суурь түвшинд байгаа молекулуудын тоо нь өдөөгдсөнтэй харьцуулахад хэт бага тул урвуу популяцид амархан хүрдэг. Товчхондоо лазерын ажиллах зарчим нь холбогдсон өдөөгдсөн электрон төлөвөөс диссоциатив үндсэн төлөв рүү шилжих явдал юм. Үндсэн төлөвт байгаа популяци үргэлж бага түвшинд үлддэг, учир нь энэ үед молекулууд атомуудад хуваагддаг.
Лазерын төхөөрөмж ба ажиллах зарчим нь гадагшлуулах хоолой нь галид (F2) ба газрын ховор хийн (Ar) хольцоор дүүрдэг. Түүний доторх электронууд галидын молекулуудыг салгаж, ионжуулж, сөрөг цэнэгтэй ионуудыг үүсгэдэг. Эерэг ион Ar+ ба сөрөг F- нь урвалд орж анхны өдөөлттэй холбоотой төлөвт ArF молекулуудыг үүсгэдэг бөгөөд дараа нь зэвүүн суурь төлөвт шилжиж, үүснэ. когерент цацраг. Одоо бидний авч үзэж байгаа үйл ажиллагааны зарчим, хэрэглээний зарчим нь эксимер лазерыг шахахад ашиглаж болнобудаг дээрх идэвхтэй орчин.
Шингэн лазер
Хатуу бодистой харьцуулахад шингэн нь илүү нэгэн төрлийн бөгөөд хийтэй харьцуулахад идэвхтэй атомын нягтрал ихтэй байдаг. Үүнээс гадна тэдгээрийг үйлдвэрлэхэд хялбар, дулааныг амархан тарааж, амархан сольж болно. Лазерын үйл ажиллагааны зарчим нь DCM (4-дицианомитилен-2-метил-6-п-диметиламинотирил-4Н-пиран), родамин, стирил, LDS, кумарин, стилбен гэх мэт органик будагч бодисуудыг идэвхтэй орчин болгон ашиглах явдал юм…, тохирох уусгагчинд уусгана. Будгийн молекулын уусмал нь долгионы урт нь сайн шингээлтийн коэффициенттэй цацрагаар өдөөгддөг. Товчхондоо лазерын ажиллах зарчим нь флюресценц гэж нэрлэгддэг илүү урт долгион үүсгэх явдал юм. Шингээсэн энерги болон ялгарах фотонуудын хоорондох ялгаа нь цацрагийн бус энергийн шилжилтэд ашиглагддаг бөгөөд системийг халаана.
Шингэн квант генераторын илүү өргөн флюресценцийн зурвас нь долгионы уртыг тааруулах өвөрмөц онцлогтой. Үйл ажиллагааны зарчим болон энэ төрлийн лазерыг тохируулах боломжтой, уялдаатай гэрлийн эх үүсвэр болгон ашиглах нь спектроскопи, голографи, биоанагаахын хэрэглээнд улам бүр чухал болж байна.
Сүүлийн үед будгийн квант генераторыг изотопыг ялгахад ашиглаж байна. Энэ тохиолдолд лазер тэдгээрийн аль нэгийг нь сонгон өдөөж, химийн урвалд ороход хүргэдэг.
