Das Prinzip der Laserwirkung: Eigenschaften der Laserstrahlung

Das erste Prinzip der Einwirkung des Lasers, die auf der Physik des Planckschen Strahlungsgesetz, in der Theorie, Einstein im Jahre 1917 basiert gerechtfertigt war. Er beschrieb die Absorption, spontanen und stimulierten elektromagnetischen Strahlung unter Verwendung von Wahrscheinlichkeitskoeffizienten (Einstein-Koeffizienten).

Wegbereitern

Teodor Meyman war die erste , das Prinzip der Wirkung zu demonstrieren , einen Rubinlasers, basierend auf den optischen Pumpen eine Blitzlampe unter Verwendung von synthetischem Rubin erzeugt die kohärente Strahlung mit einer Wellenlänge von 694 nm.

Im Jahr 1960 schafften iranische Wissenschaftler Javan und Bennett den ersten Gaslaser Mischungen aus He und Ne Gas in einem Verhältnis von 1:10 unter Verwendung.

1962 macht R. N. Hall in einem ersten Diodenlaser aus Galliumarsenid (GaAs) hergestellt, bei einer Wellenlänge von 850 nm emittiert. Später im selben Jahr entwickelte Nick Golonyak den ersten Halbleiter-Quantengenerator des sichtbaren Lichts.

Die Vorrichtung und das Prinzip des Lasers

Jedes Lasersystem umfasst ein optisch aktives Medium zwischen einem Paar von parallelen und hochreflektierenden Spiegeln angeordnet, von denen einen durchscheinend ist, und eine Energiequelle für das Pumpen. Als Verstärkungsmedium kann als Feststoff, Flüssigkeit oder ein Gas handeln, die die Fähigkeit haben, die Amplitude der Lichtwelle durchsetzt ist mit elektrischer oder optischer Pumpstrahlung innen zu verstärken. Die Substanz wird zwischen einem Paar von Spiegeln so angeordnet, daß das Licht an sie jedesmal reflektierte und durchläuft es, eine deutliche Zunahme erreicht hat, durchdringt den halbdurchlässigen Spiegel.

Duplex-Umgebung

Betrachten wir das Prinzip der Laser-Aktion mit einem aktiven Medium , dessen Atome haben nur zwei Energieniveaus: E ₂ und E angeregten Basis _1. Wenn die Atome über eine beliebigen Pumpmechanismus (optischer, elektrischer Entladungsstrom oder Transmissionselektronenbeschuß) angeregt werden , um einen Zustand E _2, in wenigen Nanosekunden kehren sie in die Grundstellung, Energiephotonen abstrahlenden hv = E ₂ – E _1. Nach Einstein Theorie wird die Emission auf zwei verschiedene Arten hergestellt: Entweder es wird durch ein Photon induziert wird, oder es tritt spontan. Im ersteren Fall stimulierte Emission stattfindet und die zweite – spontan. Bei thermischem Gleichgewicht, ist die Wahrscheinlichkeit der stimulierten Emission wesentlich niedriger als die spontanen (1:10 ^33), so dass die meisten konventionellen inkohärenten Lichtquellen, und Lasing in den anderen Bedingungen als die thermische Gleichgewicht möglich ist.

Selbst bei einem sehr starken Pumpbevölkerungsebene Systemen kann nur gleich gemacht werden. Daher wird die Populationsinversion oder andere optische Pumpverfahren zu erreichen, erfordert ein drei- oder vierstufigen System.

Mehrebenensystem

Was ist das Prinzip der Drei-Level-Laser? Die Bestrahlung mit intensivem Licht der Frequenz ν ₀₂ pumpt eine große Anzahl von Atomen aus dem niedrigsten Energieniveau E ₀ und E ₂ der oberen up. Radiationless Übergang mit den E – Atom ₂ bis E ₁ stellt eine Besetzungsinversion zwischen E ₁ und E _0, die in der Praxis nur dann möglich , wenn die Atome eine lange Zeit in einem metastabilen Zustand E _1, und den Übergang von E ₁ bis E ₂ tritt schnell sind. Das Funktionsprinzip eines Laser Drei-Pegel ist unter diesen Bedingungen, so daß sich zwischen E ₀ und E _1, wird die Besetzungsinversion erreicht wird , und E die Photonenenergie ₁ -E ₀ stimulierte Emission verstärkt. Breitere Ebene E ₂ kann die Absorptionswellenlängenbereich erhöhen , um effizienter zu pumpen, in dem das Wachstum der stimulierten Emission zur Folge hat .

Drei-Ebenen-System erfordert eine sehr hohe Pumpleistung, da die unteren Ebene ist bei der Erzeugung beteiligt, es ist eine Basis. In diesem Fall trat, um die Populationsinversion zu dem Zustand E ₁ , um mehr als die Hälfte der Gesamtzahl der Atom gepumpt werden. In diesem Fall wird die Energie verschwendet. Die Pumpleistung stark reduziert werden kann, wenn das untere Laserniveau nicht die Basis ist, die zumindest verlangt ein vierstufiges System.

Je nach Art des Wirkstoffs wird der Laser klassifiziert in drei grundlegende Kategorien, nämlich fest, flüssig und Gas. Seit 1958, als die erste Generation in einem Rubinkristall beobachtet wurde, Wissenschaftler und Forscher haben eine breite Palette von Materialien, die in jeder Kategorie untersucht.

Festkörperlaser

Der Betrieb basiert auf der Verwendung eines aktiven Mediums basiert , das durch Zugabe eines isolierendes Kristallgitterübergangsmetall gebildet wird (Ti ^+3, Cr ^+3, V ^+2, Co ^+2, Ni ^+2, Fe ^+2, und so weiter. D.) , Seltenerdionen (Ce ^+3, Pr ^+3, Nd ^+3, Pm ^+3, Sm ^+2, Eu ^{+ 2, + 3,} Tb ^+3, Dy ^+3, Ho ^+3, Er ^+3, Yb ⁺³ , et al.) und die Actiniden wie U ^+3. Die Energieniveaus der Ionen nur verantwortlich für die Erzeugung. Die physikalischen Eigenschaften des Grundmaterials, wie Wärmeleitfähigkeit und Wärmeausdehnung sind wichtig für den effizienten Betrieb des Lasers. Lage Atomgitter um einen dotierten Ionen ändert seine Energieniveaus. Unterschiedliche Längen der Wellenerzeugung in dem aktiven Medium werden durch Dotieren von verschiedenen Materialien in den gleichen Ionen erreicht.

Holmium-Laser

Ein Beispiel für einen Festkörperlaser ist ein Quantengenerator, wobei Holmium Atom des Grundmaterial des Kristallgitters ersetzt. Ho: YAG ist eines der besten Lasermaterialien. Das Funktionsprinzip des Holmium-Lasers ist, dass Yttrium-Aluminium-Granat mit Holmium-Ionen dotiert ist, die optisch durch Blitzlampe gepumpt und emittiert bei einer Wellenlänge von 2097 nm im infraroten Bereich ist gut von den Geweben absorbiert. Verwenden Sie diesen Laser für Operationen an den Gelenken, Zahnbehandlung, Krebszellen, Nieren- und Gallensteine zu sprühen.

Ein Halbleiterquantengenerator

Quantum-Well-Laser sind kostengünstige Massenproduktion ermöglichen und sind leicht skalierbar. Das Funktionsprinzip des Halbleiterlasers auf der Verwendung von pn-Diodenübergang basiert, die durch die Rekombination der Träger bei einer positiven Vorspannung, wie LEDs Licht einer bestimmten Wellenlänge erzeugt. LED emittieren spontan und Laserdioden – zwanghaft. Um die Bedingung Zu zu erfüllen, sollte der Betriebsstrom einen Schwellenwert überschreitet. Das aktive Medium in einer Halbleiterdiode hat einen Blick auf den Verbindungsbereich von zweidimensionalen Schichten.

Das Funktionsprinzip dieser Art von Laser ist, dass Schwingungen kein externer Spiegel erforderlich ist, aufrecht zu erhalten. Die reflektierende Fähigkeit aufgrund erstellt auf die Brechungsindex – Schichten und innere Reflexion des aktiven Mediums ist für diesen Zweck ausreichend. Die Endoberflächen spalten Dioden, die parallel reflektierenden Oberflächen bereitstellt.

Die Verbindung, die durch das Halbleitermaterial des gleichen Typs gebildet ist, ein Homoübergang genannt, wie etabliert, indem zwei verschiedenen – Heteroübergang.

Halbleiter des p und n-Typs mit einer hohen Dichte der Ladungsträger bildet einen p-n-Übergang mit einer sehr dünnen (≈1 mm) abgereicherten Schicht.

Gaslaser

Das Funktionsprinzip und die Verwendung dieser Art von Laser ermöglicht es, Geräte von praktisch jede Kapazität zu schaffen (von Milliwatt bis Megawatt) und Wellenlängen (von Ultraviolett bis Infrarot) und im gepulsten und kontinuierlichen Modi arbeiten kann. Basierend auf der Natur der aktiven Medien, gibt es drei Arten von Gaslasern, nämlich atomaren, ionischen und molekularen.

Die meisten Gaslaser durch elektrische Entladung gepumpt. Die Elektronen in dem Entladungsrohr werden durch das elektrische Feld zwischen den Elektroden beschleunigt. Sie kollidieren mit Atomen, Ionen oder Molekülen eines aktiven Mediums und induzieren Übergang zu höheren Energieniveaus einen Zustand der Populationsinversion und die stimulierte Emission zu erzielen.

Laser-Molekular

Das Prinzip der Laserwirkung ist auf der Tatsache basiert, dass, im Gegensatz zu den isolierten Atom und Ionen in Atom- und Ionenlaser Moleküle breite Energiebänder von diskreten Energieniveaus besitzen. Darüber hinaus hat jedes Elektronenenergieniveau eine große Anzahl von Schwingungsniveaus, und dies wiederum – ein paar Dreh.

Die Energie zwischen den Elektronenenergieniveaus ist in dem UV- und sichtbaren Bereich des Spektrums, während sie zwischen dem Schwingungs-Rotationsniveau – im fernen und nahen infraroten Bereichen. Somit arbeiten die meisten der molekularen Lasern in einem fernen oder nahen infraroten Bereich.

Excimer-Laser

Excimere ist solches Molekül als ArF, KrF, XeCl, der stabilen Grundzustand und die erste Ebene geteilt sind. Das Prinzip des Betriebes des Lasers nächsten. Typischerweise wird die Anzahl in dem Grundzustand des Moleküls klein, so dass das direkte Pumpen aus dem Grundzustand ist nicht möglich. Die Moleküle im ersten angeregten elektronischen Zustand durch eine Verbindung gebildet wird mit einer hohen Energie Halogeniden mit Inertgasen aufweist. Die Besetzungsinversion wird auf einer grundlegenden Ebene leicht, da die Anzahl der Moleküle erreicht zu gering ist, verglichen mit der aufgeregt. Das Prinzip der Laserwirkung, kurz gesagt, von einem gebundenen angeregten elektronischen Zustand in einen Grundzustand dissoziative zu überführen. Die Bevölkerung der Grundzustand immer auf einem niedrigen Niveau, weil an dieser Stelle das Molekül in Atome dissoziieren.

Die Vorrichtung und die Laser – Prinzip besteht darin , dass das Entladungsrohr mit einer Mischung aus Halogenid (F ₂₎ und Edelgas (Ar) gefüllt ist. Die Elektronen darin dissoziiert und die Halogenid-Moleküle ionisieren und negative Ionen erzeugen. Positive Ionen Ar ⁺ und negative F ^– reagieren und ArF – Molekül im ersten angeregten Zustand in Verbindung mit dem anschließenden Übergang in den Grundzustand abstoßende und die Erzeugung von kohärenter Strahlung erzeugen. Excimer-Laser, das Wirkprinzip und die Verwendung von denen wir nun in Betracht ziehen, könnte für das Pumpen des aktiven Mediums des Farbstoffs verwendet werden.

Flüssigkeitslaser

Im Vergleich zu Feststoffen, Flüssigkeiten sind homogener und weisen eine höhere Dichte der aktiven Atom im Vergleich zu Gasen. Zusätzlich dazu sind sie zu produzieren ist nicht schwer, einfach Wärmeableitung zu ermöglichen und einfach ausgetauscht werden können. Das Wirkungsprinzip des Lasers wird als ein Verstärkungsmedium aus organischen Farbstoff, wie beispielsweise DCM (4-Dicyanomethylen-2-methyl-6-p- dimethylaminostyryl-4H-pyran), Rhodamin, Styryl, LDS, Cumarin, Stilben und dergleichen verwendet wird. D ., in einem geeigneten Lösungsmittel gelöst. Eine Lösung der Farbstoffmoleküle angeregt wird durch die Strahlung, deren Wellenlänge hat einen guten Absorptionskoeffizienten. Das Prinzip der Laserwirkung, kurz gesagt, ist bei einer längeren Wellenlänge zu erzeugen, die so genannten Fluoreszenz. Der Unterschied zwischen der Energie absorbiert und emittiert Photonen verwendet strahlungslose Energieübergänge und heizt das System.

Breitbandigeren Fluoreszenzflüssigkeitslaser hat eine einzigartige Funktion – Wellenlängenabstimmung. Das Funktionsprinzip und die Verwendung dieses Typs als abstimmbare Laser und die kohärente Lichtquelle, gewinnt zunehmend an Bedeutung in der Spektroskopie, Holographie und in biomedizinischen Anwendungen.

In jüngster Zeit wurden Laser verwendet zur Isotopentrennung färben. In diesem Fall erregt der Laser selektiv einen von ihnen, woraufhin eine chemische Reaktion starten.