Laser — enhed og funktionsprincip

Normal opførsel af lys, når det passerer gennem et medium

Normalt, når lys passerer gennem et medium, falder dets intensitet. Den numeriske værdi af denne dæmpning kan findes fra Bouguers lov:

I denne ligning er der udover lysintensiteterne I, der kommer ind og ud af mediet, også en faktor kaldet mediets lineære lysabsorptionskoefficient. I traditionel optik er denne koefficient altid positiv.

Negativ lysabsorption

Hvad hvis absorptionskoefficienten af ​​en eller anden grund er negativ? Hvad så? Der vil være forstærkning af lyset, når det passerer gennem mediet; faktisk vil mediet vise negativ absorption.

Betingelserne for at observere et sådant billede kan skabes kunstigt. Det teoretiske koncept vedrørende vejen til implementeringen af ​​det foreslåede fænomen blev formuleret i 1939 af den sovjetiske fysiker Valentin Alexandrovich Fabrikant.

I løbet af analysen af ​​et hypotetisk lysforstærkende medium, der passerede gennem det, foreslog Fabrikant princippet om lysforstærkning. Og i 1955de sovjetiske fysikere Nikolai Genadievich Basov og Alexander Mikhailovich Prokhorov anvendte denne Fabrikant-idé på radiofrekvensområdet i det elektromagnetiske spektrum.

Overvej den fysiske side af muligheden for negativ absorption. I en idealiseret form kan atomernes energiniveauer repræsenteres som linjer - som om atomerne i hver tilstand kun har strengt definerede energier E1 og E2. Det betyder, at et atom ved overgang fra tilstand til tilstand enten udsender eller absorberer udelukkende monokromatisk lys med en præcist defineret bølgelængde.

Men virkeligheden er langt fra ideel, og faktisk har atomernes energiniveauer en vis begrænset bredde, det vil sige, at de ikke er linjer med nøjagtige værdier. Derfor vil der under overgange mellem niveauer også være et vist interval af udsendte eller absorberede frekvenser dv, som afhænger af bredden af ​​de energiniveauer, som overgangen finder sted imellem. Værdierne af E1 og E2 kan kun bruges til at betegne atomets mellemenerginiveauer.

Så da vi har antaget, at E1 og E2 er midtpunkterne i energiniveauerne, kan vi betragte et atom i disse to tilstande. Lad E2>E1. Et atom kan enten absorbere eller udsende elektromagnetisk stråling, når det passerer mellem disse niveauer. Antag, at et atom, da det er i grundtilstanden E1, absorberede ekstern stråling med energi E2-E1 og gik over i en exciteret tilstand E2 (sandsynligheden for en sådan overgang er proportional med Einstein-koefficienten B12).

At være i en exciteret tilstand E2, udsender atomet under påvirkning af ekstern stråling med energi E2-E1 et kvante med energi E2-E1 og tvinges til at gå over til grundtilstanden med energi E1 (sandsynligheden for en sådan overgang er proportional med Einstein-koefficienten B21).

Hvis en parallel stråle af monokromatisk stråling med volumenspektraltæthed w (v) passerer gennem et stof, hvis lag har en enhedstværsnitsareal og tykkelse dx, vil dens intensitet ændre sig med værdien:

Her er n1 koncentrationen af ​​atomer i E1-tilstandene, n2 er koncentrationen af ​​atomer i E2-tilstandene.

Ved at erstatte betingelserne på højre side af ligningen, antage, at B21 = B12, og derefter erstatte udtrykket for B21, får vi ligningen for ændringen i lysintensitet ved snævre energiniveauer:

I praksis er energiniveauerne som nævnt ovenfor ikke uendeligt smalle, så deres bredde skal tages i betragtning. For ikke at fylde artiklen med en beskrivelse af transformationer og en masse formler, bemærker vi blot, at ved at indtaste et frekvensområde og derefter integrere over x, vil vi ende med en formel til at finde den reelle absorptionskoefficient for et gennemsnit:

Da det er indlysende, at under forhold med termodynamisk ligevægt er koncentrationen n1 af atomer i den lavere energitilstand E1 altid større end koncentrationen n2 af atomer i den højere tilstand E2, negativ absorption er umulig under normale forhold, det er umuligt at amplificere lys bare ved at gå gennem et rigtigt miljø uden at tage nogen ekstra foranstaltninger...

For at negativ absorption skal blive mulig, er det nødvendigt at skabe betingelser, hvor koncentrationen af ​​atomer i en exciteret tilstand E2 i mediet vil være større end koncentrationen af ​​atomer i grundtilstanden E1, det vil sige, at det er nødvendigt at organisere en omvendt fordeling af atomer i mediet i henhold til deres energitilstande.

Behovet for energipumpning af miljøet

For at organisere en omvendt population af energiniveauer (for at opnå et aktivt medium) bruges pumpning (f.eks. optisk eller elektrisk). Optisk pumpning involverer absorption af stråling rettet mod dem af atomer, på grund af hvilken disse atomer går i en exciteret tilstand.

Elektrisk pumpning i et gasmedium involverer excitation af atomer ved uelastiske kollisioner med elektroner i gasudladningen. Ifølge Fabrikant skal nogle af atomernes lavenergitilstande elimineres ved hjælp af molekylære urenheder.

Det er praktisk talt umuligt at opnå et aktivt medie ved hjælp af optisk pumpning i et to-niveau medium, da kvantitativt vil overgangene af atomer pr. tidsenhed fra tilstand E1 til tilstand E2 og omvendt (!) i dette tilfælde være ækvivalente, hvilket betyder, at det er nødvendigt at ty til mindst et tredelt system.

Overvej et tre-trins pumpesystem. Lad den ydre stråling med fotonenergien E3-E1 virke på mediet, mens atomerne i mediet passerer fra tilstanden med energien E1 til tilstanden med energien E3. Fra E3-energitilstanden er spontane overgange til E2-tilstanden og til E1 mulige. For at opnå en omvendt population (når der er flere atomer med E2-niveauet i et givet medium), er det nødvendigt at gøre E2-niveauet længerevarende end E3. Til dette er det vigtigt at overholde følgende betingelser:

Overholdelse af disse betingelser vil betyde, at atomer i E2-tilstanden forbliver længere, det vil sige, at sandsynligheden for spontane overgange fra E3 til E1 og fra E3 til E2 overstiger sandsynligheden for spontane overgange fra E2 til E1. Så vil E2-niveauet vise sig at være længerevarende, og en sådan tilstand på E2-niveau kan kaldes metastabil. Derfor, når lys med frekvensen v = (E3 — E1) / h passerer gennem et sådant aktivt medium, vil dette lys blive forstærket. På samme måde kan et fire-niveau system bruges, så vil E3 niveauet være metastabilt.

Laser enhed

Laseren omfatter således tre hovedkomponenter: et aktivt medium (hvor populationsinversionen af ​​atomernes energiniveauer skabes), et pumpesystem (en enhed til opnåelse af populationsinversionen) og en optisk resonator (som forstærker strålingen) mange gange og danner en rettet stråle af outputtet). Det aktive medium kan være fast, flydende, gas eller plasma.

Pumping udføres kontinuerligt eller pulseret. Ved kontinuerlig pumpning begrænses tilførslen af ​​mediet af mediets overophedning og konsekvenserne af denne overophedning. Ved pulseret pumpning opnås den nyttige energi, der indføres stykkevis i mediet, mere på grund af den store effekt af hver enkelt puls.

Forskellige lasere — forskellig pumpning

Solid-state lasere pumpes ved at bestråle arbejdsmediet med kraftige gasudladningsglimt, fokuseret sollys eller en anden laser.Dette er altid pulserende pumpning, fordi effekten er så høj, at arbejdsstangen vil kollapse under kontinuerlig påvirkning.

Væske- og gaslasere pumpes med en elektrisk udladning.Kemiske lasere antager forekomsten af ​​kemiske reaktioner i deres aktive medium, som et resultat af hvilke den omvendte population af atomer opnås enten fra reaktionens produkter eller fra specielle urenheder med en passende niveaustruktur.

Halvlederlasere pumpes af fremadgående strøm gennem en pn-forbindelse eller af en elektronstråle. Derudover er der sådanne pumpemetoder som fotodissociation eller gasdynamisk metode (brat afkøling af opvarmede gasser).

Optisk resonator — laserens hjerte

Den optiske resonator er et system af et par spejle, i det simpleste tilfælde to spejle (konkave eller parallelle) fastgjort over for hinanden, og mellem dem langs en fælles optisk akse er der et aktivt medium i form af en krystal eller en kuvette med gas. Fotoner, der passerer i en vinkel gennem mediet, efterlader det ved siden, og de, der bevæger sig langs aksen, bliver reflekteret flere gange, forstærkes og går ud gennem et gennemskinnelig spejl.

Dette producerer laserstråling - en stråle af sammenhængende fotoner - en strengt rettet stråle. Under én passage af lys mellem spejlene skal størrelsen af ​​forstærkningen overstige en vis tærskel - mængden af ​​strålingstab gennem det andet spejl (jo bedre spejlet transmitterer, jo højere skal denne tærskel være).

For at lysforstærkning kan udføres effektivt, er det nødvendigt ikke kun at øge lysets vej inde i det aktive medium, men også at sikre, at bølgerne, der forlader resonatoren, er i fase med hinanden, så vil de interfererende bølger give den størst mulige amplitude.

For at nå dette mål er det nødvendigt, at hver af bølgerne i resonatoren vender tilbage til et punkt på kildespejlet og generelt, på et hvilket som helst punkt i det aktive medium, er i fase med den primære bølge efter et vilkårligt antal perfekte refleksioner . Dette er muligt, når den optiske vej tilbagelagt af bølgen mellem to returer opfylder betingelsen:

hvor m er et heltal, i dette tilfælde vil faseforskellen være et multiplum af 2P:

Nu, da hver af bølgerne adskiller sig i fase fra den foregående med 2pi, betyder det, at alle de bølger, der forlader resonatoren, vil være i fase med hinanden, hvilket giver maksimal amplitudeinterferens. Resonatoren vil have næsten monokromatisk parallel stråling ved udgangen.

Betjeningen af ​​spejlene inde i resonatoren vil give forstærkning af de tilstande, der svarer til de stående bølger inde i resonatoren; andre tilstande (som opstår på grund af de særlige forhold ved virkelige forhold) vil blive svækket.

Rubinlaser — den første faste tilstand

Den første solid-state enhed blev bygget i 1960 af den amerikanske fysiker Theodore Maiman. Det var en rubinlaser (ruby - Al2O3, hvor nogle af gitterstederne - inden for 0,5% - er erstattet af tredobbelt ioniseret krom; jo mere krom, jo ​​mørkere er farven på rubinkrystallen).

Den første vellykkede arbejdslaser designet af Dr. Ted Mayman i 1960.

En rubincylinder lavet af den mest homogene krystal, med en diameter på 4 til 20 mm og en længde på 30 til 200 mm, er placeret mellem to spejle lavet i form af lag af sølv påført de omhyggeligt polerede ender af denne cylinder. En spiralformet gasudladningslampe omgiver en cylinder i hele dens længde og forsynes med højspænding gennem en kondensator.

Når lampen tændes, bestråles rubinen intenst, mens chromatomerne bevæger sig fra niveau 1 til niveau 3 (de er i denne ophidsede tilstand i mindre end 10-7 sekunder), det er her de mest sandsynlige overgange til niveau 2 realiseres - til et metastabilt niveau. Overskydende energi overføres til rubinkrystalgitteret. Spontane overgange fra niveau 3 til niveau 1 er ubetydelige.

Overgangen fra niveau 2 til niveau 1 er forbudt af udvælgelsesreglerne, så varigheden af ​​dette niveau er omkring 10-3 sekunder, hvilket er 10.000 gange længere end på niveau 3, som et resultat, akkumulerer atomer i rubin med niveau 2 — dette er den omvendte population af niveau 2.

Spontant opstået under spontane overgange kan fotoner forårsage tvungne overgange fra niveau 2 til niveau 1 og fremkalde en lavine af sekundære fotoner, men disse spontane overgange er tilfældige, og deres fotoner forplanter sig kaotisk, for det meste forlader resonatoren gennem dens sidevæg.

Men de af fotonerne, der rammer aksen, gennemgår flere refleksioner fra spejlene, hvilket samtidig forårsager tvungen emission af sekundære fotoner, som igen fremkalder den stimulerede emission, og så videre. Disse fotoner vil bevæge sig i en retning, der ligner de primære, og fluxen langs krystallens akse vil stige som en lavine.

Den multiplicerede strøm af fotoner vil gå ud gennem resonatorens sidespejl i form af en strengt retningsbestemt lysstråle med kolossal intensitet. Rubin-laseren fungerer ved en bølgelængde på 694,3 nm, mens pulseffekten kan være op til 109 W

Neon laser med helium

Helium-neon (helium / neon = 10/1) laseren er en af ​​de mest populære gaslasere. Trykket i gasblandingen er omkring 100 Pa.Neon fungerer som en aktiv gas, den producerer fotoner med en bølgelængde på 632,8 nm i kontinuerlig tilstand. Heliums funktion er at skabe en omvendt population fra et af neons øvre energiniveauer. Spektrumbredden af ​​en sådan laser er omkring 5 * 10-3 Hz Kohærenslængde 6 * 1011 m, kohærenstid 2 * 103 ° C.

Når en helium-neon-laser pumpes, inducerer en elektrisk højspændingsudladning overgangen af ​​heliumatomer til en metastabil exciteret tilstand af E2-niveauet. Disse heliumatomer kolliderer uelastisk med neonatomer i E1-grundtilstanden og overfører deres energi. Energien af ​​E4-niveauet af neon er højere end E2-niveauet af helium med 0,05 eV. Manglen på energi kompenseres af den kinetiske energi ved atomare kollisioner. Som følge heraf opnås på E4-niveauet af neon en inverteret population i forhold til E3-niveauet.

Typer af moderne lasere

Ifølge tilstanden af ​​det aktive medium er lasere opdelt i: fast, flydende, gas, halvleder og også krystal. Ifølge pumpemetoden kan de være: optisk, kemisk, gasudledning. Af generationens natur er lasere opdelt i: kontinuerlige og pulserende. Disse typer lasere udsender stråling i det synlige område af det elektromagnetiske spektrum.

Optiske lasere dukkede op senere end andre. De er i stand til at generere stråling i det nær-infrarøde område, sådan stråling (ved en bølgelængde på op til 8 mikron) er meget velegnet til optisk kommunikation. Optiske lasere indeholder en fiber, i hvis kerne flere ioner af egnede sjældne jordarters grundstoffer er blevet indført.

Lyslederen er, som med andre typer lasere, installeret mellem et par spejle.Til pumpning føres laserstråling med den nødvendige bølgelængde ind i fiberen, således at ionerne af de sjældne jordarters elementer går over i en exciteret tilstand under dens påvirkning. Når de vender tilbage til en lavere energitilstand, udsender disse ioner fotoner med en længere bølgelængde end den initierende laser.

På denne måde fungerer fiberen som en kilde til laserlys. Dens frekvens afhænger af typen af ​​tilføjede sjældne jordarters elementer. Selve fiberen er lavet af tungmetalfluorid, hvilket resulterer i en effektiv generering af laserstråling på frekvensen af ​​det infrarøde område.

Røntgenlasere optager den modsatte side af spektret - mellem ultraviolet og gamma - disse er størrelsesordener med bølgelængder fra 10-7 til 10-12 m. Lasere af denne type har den højeste pulslysstyrke af alle typer lasere.

Den første røntgenlaser blev bygget i 1985 i USA på Livermore Laboratory. Lawrence. Laseren genereret på selenioner, bølgelængdeområdet er fra 18,2 til 26,3 nm, og den højeste lysstyrke falder på bølgelængdelinjen på 20,63 nm. I dag er laserstråling med en bølgelængde på 4,6 nm opnået med aluminiumioner.

Røntgenlaseren genereres af impulser med en varighed på 100 ps til 10 ns, hvilket afhænger af plasmadannelsens levetid.

Faktum er, at det aktive medium i en røntgenlaser er et højt ioniseret plasma, som f.eks. opnås, når en tynd film af yttrium og selen bestråles med en højeffektlaser i det synlige eller infrarøde spektrum.

Røntgenlaserens energi i en puls når 10 mJ, mens vinkeldivergensen i strålen er cirka 10 milliradianer. Forholdet mellem pumpeeffekt og direkte stråling er omkring 0,00001.