Lāzers — ierīce un darbības princips

Normāla gaismas uzvedība, kad tā iet caur vidi

Parasti, kad gaisma iet caur vidi, tās intensitāte samazinās. Šīs vājināšanās skaitlisko vērtību var atrast Bouguer likumā:

Šajā vienādojumā papildus gaismas intensitātei I, kas nonāk vidē un iziet no tās, ir arī faktors, ko sauc par vides lineāro gaismas absorbcijas koeficientu. Tradicionālajā optikā šis koeficients vienmēr ir pozitīvs.

Negatīvā gaismas absorbcija

Ko darīt, ja kāda iemesla dēļ absorbcijas koeficients ir negatīvs? Ko tad? Gaisma pastiprināsies, kad tā iet caur vidi; patiesībā vide uzrādīs negatīvu absorbciju.

Apstākļus šāda attēla novērošanai var radīt mākslīgi. Teorētisko koncepciju par piedāvātās parādības īstenošanas ceļu 1939. gadā formulēja padomju fiziķis Valentīns Aleksandrovičs Fabrikants.

Analizējot hipotētisku gaismu pastiprinošu vidi, kas iet caur to, Fabrikants ierosināja gaismas pastiprināšanas principu. Un 1955. gadāpadomju fiziķi Nikolajs Genadijevičs Basovs un Aleksandrs Mihailovičs Prohorovs šo Fabrikanta ideju piemēroja elektromagnētiskā spektra radiofrekvenču apgabalam.

Apsveriet negatīvās absorbcijas iespējas fizisko pusi. Idealizētā formā atomu enerģijas līmeņus var attēlot kā līnijas - it kā atomiem katrā stāvoklī būtu tikai stingri noteiktas enerģijas E1 un E2. Tas nozīmē, ka, pārejot no stāvokļa uz stāvokli, atoms izstaro vai absorbē tikai monohromatisku gaismu ar precīzi noteiktu viļņa garumu.

Taču realitāte ir tālu no ideāla, un patiesībā atomu enerģijas līmeņiem ir noteikts ierobežots platums, tas ir, tās nav precīzu vērtību līnijas. Līdz ar to pāreju laikā starp līmeņiem būs arī noteikts izstaroto vai absorbēto frekvenču diapazons dv, kas ir atkarīgs no to enerģijas līmeņu platuma, starp kuriem notiek pāreja. E1 un E2 vērtības var izmantot, lai apzīmētu tikai atoma vidējos enerģijas līmeņus.

Tātad, tā kā mēs esam pieņēmuši, ka E1 un E2 ir enerģijas līmeņu viduspunkti, mēs varam uzskatīt atomu šajos divos stāvokļos. Ļaujiet E2>E1. Atoms var absorbēt vai izstarot elektromagnētisko starojumu, kad tas šķērso šos līmeņus. Pieņemsim, ka, atrodoties pamatstāvoklī E1, atoms absorbēja ārējo starojumu ar enerģiju E2-E1 un pārgāja ierosinātā stāvoklī E2 (šādas pārejas varbūtība ir proporcionāla Einšteina koeficientam B12).

Atrodoties ierosinātā stāvoklī E2, atoms ārējā starojuma ar enerģiju E2-E1 iedarbībā izstaro kvantu ar enerģiju E2-E1 un ir spiests pāriet uz pamatstāvokli ar enerģiju E1 (šādas pārejas varbūtība ir proporcionāla Einšteina koeficients B21).

Ja paralēls monohromatiskā starojuma kūlis ar tilpuma spektrālo blīvumu w (v) iet caur vielu, kuras slāņa šķērsgriezuma laukums un biezums ir dx, tad tā intensitāte mainīsies par vērtību:

Šeit n1 ir atomu koncentrācija E1 stāvokļos, n2 ir atomu koncentrācija E2 stāvokļos.

Aizvietojot nosacījumus vienādojuma labajā pusē, pieņemot, ka B21 = B12, un pēc tam aizstājot izteiksmi ar B21, mēs iegūstam vienādojumu gaismas intensitātes izmaiņām šauros enerģijas līmeņos:

Praksē, kā minēts iepriekš, enerģijas līmeņi nav bezgalīgi šauri, tāpēc jāņem vērā to platums. Lai rakstu nepārblīvētu ar transformāciju aprakstu un virkni formulu, mēs vienkārši atzīmējam, ka, ievadot frekvenču diapazonu un pēc tam integrējot virs x, mēs nonāksim pie formulas, lai atrastu vidējo reālo absorbcijas koeficientu:

Tā kā ir acīmredzams, ka termodinamiskā līdzsvara apstākļos atomu koncentrācija n1 zemākā enerģijas stāvoklī E1 vienmēr ir lielāka par atomu koncentrāciju n2 augstākā stāvoklī E2, normālos apstākļos negatīva absorbcija nav iespējama, to nav iespējams pastiprināt. gaisma, vienkārši izejot cauri reālai videi, neveicot nekādus papildu pasākumus...

Lai negatīvā absorbcija kļūtu iespējama, ir jārada apstākļi, kad atomu koncentrācija ierosinātā stāvoklī E2 vidē būs lielāka nekā atomu koncentrācija pamatstāvoklī E1, tas ir, ir nepieciešams organizēt apgriezts atomu sadalījums vidē atbilstoši to enerģijas stāvokļiem.

Nepieciešamība pēc vides enerģijas sūknēšanas

Lai organizētu apgrieztu enerģijas līmeņu populāciju (lai iegūtu aktīvo vidi), tiek izmantota sūknēšana (piemēram, optiskā vai elektriskā). Optiskā sūknēšana ietver uz tiem vērstā starojuma absorbciju no atomiem, kā rezultātā šie atomi nonāk ierosinātā stāvoklī.

Elektriskā sūknēšana gāzes vidē ietver atomu ierosmi neelastīgās sadursmēs ar elektroniem gāzu izlādē. Pēc Fabrikanta domām, daži atomu zemas enerģijas stāvokļi ir jālikvidē, izmantojot molekulāros piemaisījumus.

Ir praktiski neiespējami iegūt aktīvo vidi, izmantojot optisko sūknēšanu divu līmeņu vidē, jo kvantitatīvi atomu pārejas laika vienībā no stāvokļa E1 uz stāvokli E2 un otrādi (!) šajā gadījumā būs līdzvērtīgas, kas nozīmē, ka ir nepieciešams izmantot vismaz trīs līmeņu sistēmu.

Apsveriet trīspakāpju sūknēšanas sistēmu. Ļaujiet ārējam starojumam ar fotona enerģiju E3-E1 iedarboties uz vidi, kamēr vidē esošie atomi pāriet no stāvokļa ar enerģiju E1 uz stāvokli ar enerģiju E3. No E3 enerģijas stāvokļa ir iespējamas spontānas pārejas uz E2 stāvokli un uz E1. Lai iegūtu apgrieztu populāciju (kad noteiktā vidē ir vairāk atomu ar E2 līmeni), ir jāpadara E2 līmenis ilgstošāks nekā E3. Lai to izdarītu, ir svarīgi ievērot šādus nosacījumus:

Atbilstība šiem nosacījumiem nozīmēs, ka atomi E2 stāvoklī saglabājas ilgāk, tas ir, spontānu pāreju iespējamība no E3 uz E1 un no E3 uz E2 pārsniedz spontānu pāreju no E2 uz E1 varbūtību. Tad E2 līmenis izrādīsies noturīgāks, un šādu stāvokli E2 līmenī var saukt par metastabilu. Tāpēc, kad gaisma ar frekvenci v = (E3 - E1) / h iet caur šādu aktīvu vidi, šī gaisma tiks pastiprināta. Līdzīgi var izmantot četru līmeņu sistēmu, tad E3 līmenis būs metastabils.

Lāzera ierīce

Tādējādi lāzers ietver trīs galvenās sastāvdaļas: aktīvo vidi (kurā tiek radīta atomu enerģijas līmeņu populācijas inversija), sūknēšanas sistēmu (ierīce populācijas inversijas iegūšanai) un optisko rezonatoru (kas pastiprina starojumu daudzas reizes un veido virzītu izejas staru). Aktīvā vide var būt cieta, šķidra, gāze vai plazma.

Sūknēšana tiek veikta nepārtraukti vai impulsa režīmā. Ar nepārtrauktu sūknēšanu barotnes padevi ierobežo barotnes pārkaršana un šīs pārkaršanas sekas. Impulsu sūknēšanas gadījumā lietderīgā enerģija, kas pa daļām tiek ievadīta barotnē, tiek iegūta vairāk katra atsevišķā impulsa lielās jaudas dēļ.

Dažādi lāzeri — dažāda sūknēšana

Cietvielu lāzeri tiek sūknēti, apstarojot darba vidi ar spēcīgiem gāzizlādes zibšņiem, fokusētu saules gaismu vai citu lāzeru. Tā vienmēr ir impulsa sūknēšana, jo jauda ir tik liela, ka darba stienis nepārtrauktas darbības laikā sabruks.

Šķidruma un gāzes lāzeri tiek sūknēti ar elektrisko izlādi.Ķīmiskie lāzeri pieņem savā aktīvajā vidē ķīmisku reakciju rašanos, kā rezultātā apgrieztā atomu populācija tiek iegūta vai nu no reakcijas produktiem, vai no īpašiem piemaisījumiem ar atbilstošu līmeņa struktūru.

Pusvadītāju lāzeri tiek sūknēti ar priekšējo strāvu caur pn savienojumu vai ar elektronu staru. Turklāt ir tādas sūknēšanas metodes kā fotodisociācija vai gāzes dinamiskā metode (uzkarsētu gāzu pēkšņa dzesēšana).

Optiskais rezonators - lāzera sirds

Optiskais rezonators ir spoguļu pāra sistēma, visvienkāršākajā gadījumā divi spoguļi (ieliekti vai paralēli), kas piestiprināti viens otram pretī, un starp tiem pa kopējo optisko asi atrodas aktīva vide kristāla vai spoguļa formā. kivete ar gāzi. Fotoni, kas leņķī iet caur vidi, atstāj to malā, un tie, kas pārvietojas pa asi, tiek vairākkārt atstaroti, tiek pastiprināti un iziet caur caurspīdīgu spoguli.

Tas rada lāzera starojumu - koherentu fotonu staru - stingri virzītu staru. Vienā gaismas caurlaidē starp spoguļiem pastiprinājuma lielumam ir jāpārsniedz noteikts slieksnis - starojuma zuduma daudzums caur otro spoguli (jo labāk spogulis pārraida, jo augstākam šim slieksnim jābūt).

Lai gaismas pastiprināšana tiktu veikta efektīvi, ir nepieciešams ne tikai palielināt gaismas ceļu aktīvā vidē, bet arī nodrošināt, lai viļņi, kas iziet no rezonatora, būtu fāzē viens ar otru, tad traucējošie viļņi dos maksimālā iespējamā amplitūda.

Lai sasniegtu šo mērķi, ir nepieciešams, lai katrs no rezonatora viļņiem, kas atgriežas avota spoguļa punktā un kopumā jebkurā aktīvās vides punktā, būtu fāzē ar primāro viļņu pēc patvaļīga skaita perfektu atspulgu. . Tas ir iespējams, ja viļņa noietais optiskais ceļš starp divām atgriešanās reizēm atbilst nosacījumam:

kur m ir vesels skaitlis, šajā gadījumā fāzu starpība būs 2P daudzkārtņa:

Tagad, tā kā katrs no viļņiem fāzē atšķiras no iepriekšējā par 2pi, tas nozīmē, ka visi viļņi, kas iziet no rezonatora, būs fāzē viens ar otru, radot maksimālu amplitūdas traucējumus. Rezonatora izejā būs gandrīz monohromatisks paralēlais starojums.

Rezonatora iekšpusē esošo spoguļu darbība nodrošinās stāvviļņiem atbilstošu režīmu pastiprināšanu rezonatora iekšpusē; citi režīmi (kas rodas reālo apstākļu īpatnību dēļ) tiks novājināti.

Rubīna lāzers — pirmais cietais stāvoklis

Pirmo cietvielu ierīci 1960. gadā uzbūvēja amerikāņu fiziķis Teodors Maimens. Tas bija rubīna lāzers (rubīns - Al2O3, kur dažas režģa vietas - 0,5% robežās - ir aizstātas ar trīskārši jonizētu hromu; jo vairāk hroma, jo tumšāka ir rubīna kristāla krāsa).

Pirmais veiksmīgais darba lāzers, ko 1960. gadā izstrādāja Dr Ted Mayman.

Rubīna cilindrs, kas izgatavots no visviendabīgākā kristāla, kura diametrs ir no 4 līdz 20 mm un garums no 30 līdz 200 mm, ir novietots starp diviem spoguļiem, kas izgatavoti sudraba slāņu veidā, kas uzklāti uz šī spoguļa rūpīgi pulētajiem galiem. cilindrs. Spirālveida gāzizlādes lampa ieskauj cilindru visā tā garumā un tiek piegādāta ar augstu spriegumu caur kondensatoru.

Kad lampa ir ieslēgta, rubīns tiek intensīvi apstarots, savukārt hroma atomi pārvietojas no 1. līmeņa uz 3. līmeni (šajā ierosinātajā stāvoklī tie atrodas mazāk par 10-7 sekundēm), šeit visticamāk pāriet uz 2. līmenis tiek realizēts — līdz metastabilam līmenim. Pārmērīga enerģija tiek pārnesta rubīna kristāla režģī. Spontānas pārejas no 3. līmeņa uz 1. līmeni ir nenozīmīgas.

Pāreju no 2. līmeņa uz 1. līmeni aizliedz atlases noteikumi, tāpēc šī līmeņa ilgums ir aptuveni 10-3 sekundes, kas ir 10 000 reižu ilgāks nekā 3. līmenī, kā rezultātā atomi uzkrājas rubīnā ar 2. līmeni — šī ir 2. līmeņa apgrieztā populācija.

Spontāni rodas spontāno pāreju laikā, fotoni var izraisīt piespiedu pārejas no 2. līmeņa uz 1. līmeni un izraisīt sekundāro fotonu lavīnu, taču šīs spontānās pārejas ir nejaušas, un to fotoni izplatās haotiski, lielākoties atstājot rezonatoru caur tā sānu sienu.

Bet tie fotoni, kas trāpa asi, tiek vairākkārtēji atstaroti no spoguļiem, vienlaikus izraisot sekundāro fotonu piespiedu emisiju, kas atkal izraisa stimulēto emisiju utt. Šie fotoni pārvietosies virzienā, kas līdzīgs primārajiem, un plūsma pa kristāla asi palielināsies kā lavīna.

Pavairotā fotonu plūsma izies caur rezonatora sānu caurspīdīgo spoguli stingri virzīta kolosālas intensitātes gaismas kūļa veidā. Rubīna lāzers darbojas ar viļņa garumu 694,3 nm, savukārt impulsa jauda var būt līdz 109 W

Neona lāzers ar hēliju

Hēlija-neona (hēlija / neona = 10/1) lāzers ir viens no populārākajiem gāzes lāzeriem. Spiediens gāzes maisījumā ir aptuveni 100 Pa.Neons kalpo kā aktīvā gāze, nepārtrauktā režīmā ražo fotonus ar viļņa garumu 632,8 nm. Hēlija funkcija ir radīt apgrieztu populāciju no viena no neona augšējiem enerģijas līmeņiem. Šāda lāzera spektra platums ir aptuveni 5 * 10-3 Hz Koherences garums 6 * 1011 m, koherences laiks 2 * 103 ° C.

Kad tiek sūknēts hēlija-neona lāzers, augstsprieguma elektriskā izlāde izraisa hēlija atomu pāreju uz metastabilu E2 līmeņa ierosināto stāvokli. Šie hēlija atomi neelastīgi saduras ar neona atomiem E1 pamatstāvoklī, pārnesot savu enerģiju. Neona E4 līmeņa enerģija ir par 0,05 eV augstāka par hēlija E2 līmeni. Enerģijas trūkumu kompensē atomu sadursmju kinētiskā enerģija. Rezultātā neona E4 līmenī tiek iegūta apgriezta populācija attiecībā pret E3 līmeni.

Mūsdienu lāzeru veidi

Pēc aktīvās vides stāvokļa lāzerus iedala: cietā, šķidrā, gāzes, pusvadītāja un arī kristāla. Saskaņā ar sūknēšanas metodi tie var būt: optiskie, ķīmiskie, gāzizlādes. Pēc paaudzes veida lāzerus iedala: nepārtrauktos un impulsos. Šāda veida lāzeri izstaro starojumu redzamajā elektromagnētiskā spektra diapazonā.

Optiskie lāzeri parādījās vēlāk nekā citi. Tie spēj radīt starojumu tuvā infrasarkanajā diapazonā, šāds starojums (pie viļņa garuma līdz 8 mikroniem) ir ļoti piemērots optiskajiem sakariem. Optiskie lāzeri satur šķiedru, kuras kodolā ir ievietoti vairāki piemērotu retzemju elementu joni.

Gaismas vads, tāpat kā cita veida lāzeriem, ir uzstādīts starp spoguļu pāri.Sūknēšanai šķiedrā tiek ievadīts lāzera starojums ar nepieciešamo viļņa garumu, lai retzemju elementu joni tās iedarbībā nonāktu ierosinātā stāvoklī. Atgriežoties pie zemākas enerģijas stāvokļa, šie joni izstaro fotonus ar garāku viļņa garumu nekā iniciējošajam lāzeram.

Tādā veidā šķiedra darbojas kā lāzera gaismas avots. Tās biežums ir atkarīgs no pievienoto retzemju elementu veida. Pati šķiedra ir izgatavota no smago metālu fluorīda, kā rezultātā tiek efektīvi ģenerēts lāzera starojums infrasarkanā diapazona frekvencē.

Rentgena lāzeri aizņem spektra pretējo pusi — starp ultravioleto un gamma — tās ir lieluma kārtas ar viļņu garumu no 10-7 līdz 10-12 m. Šāda veida lāzeriem ir vislielākais impulsa spilgtums no visu veidu lāzeriem.

Pirmais rentgena lāzers tika uzbūvēts 1985. gadā ASV, Livermoras laboratorijā. Lorenss. Lāzers, kas ģenerēts uz selēna joniem, viļņa garuma diapazons ir no 18,2 līdz 26,3 nm, un lielākais spilgtums krīt uz viļņa garuma līniju 20,63 nm. Mūsdienās ar alumīnija joniem ir sasniegts lāzera starojums ar viļņa garumu 4,6 nm.

Rentgena lāzeru ģenerē impulsi ar ilgumu no 100 ps līdz 10 ns, kas ir atkarīgs no plazmas veidošanās ilguma.

Fakts ir tāds, ka rentgena lāzera aktīvā vide ir ļoti jonizēta plazma, kas tiek iegūta, piemēram, ar jaudīgu lāzeru redzamajā vai infrasarkanajā spektrā apstarojot plānu itrija un selēna kārtiņu.

Rentgena lāzera enerģija impulsā sasniedz 10 mJ, bet staru kūļa leņķiskā novirze ir aptuveni 10 miliradiāni. Sūkņa jaudas attiecība pret tiešo starojumu ir aptuveni 0,00001.