Laser — uređaj i princip rada

Normalno ponašanje svjetlosti pri prolasku kroz medij

Normalno, kada svjetlost prolazi kroz medij, njen intenzitet se smanjuje. Numerička vrijednost ovog prigušenja može se pronaći iz Bouguerovog zakona:

U ovoj jednadžbi, osim intenziteta svjetlosti I koja ulazi i izlazi iz medija, postoji i faktor koji se naziva linearni koeficijent apsorpcije svjetlosti medija. U tradicionalnoj optici ovaj je koeficijent uvijek pozitivan.

Negativna apsorpcija svjetla

Što ako je iz nekog razloga koeficijent apsorpcije negativan? Što onda? Doći će do pojačanja svjetlosti dok prolazi kroz medij; u stvari, medij će pokazati negativnu apsorpciju.

Uvjeti za promatranje takve slike mogu se stvoriti umjetno. Teoretski koncept o načinu implementacije predloženog fenomena formulirao je 1939. godine sovjetski fizičar Valentin Aleksandrovič Fabrikant.

Tijekom analize hipotetskog medija za pojačavanje svjetlosti koji prolazi kroz njega, Fabrikant je predložio princip pojačanja svjetlosti. A 1955. godsovjetski fizičari Nikolaj Genadijevič Basov i Aleksandar Mihajlovič Prohorov primijenili su ovu Fabrikantovu ideju na radiofrekvencijsko područje elektromagnetskog spektra.

Razmotrite fizičku stranu mogućnosti negativne apsorpcije. U idealiziranom obliku, energetske razine atoma mogu se prikazati kao linije — kao da atomi u svakom stanju imaju samo strogo definirane energije E1 i E2. To znači da atom pri prijelazu iz stanja u stanje ili emitira ili apsorbira isključivo monokromatsku svjetlost točno određene valne duljine.

Ali stvarnost je daleko od idealne, i zapravo energetske razine atoma imaju određenu konačnu širinu, odnosno nisu linije točnih vrijednosti. Stoga će i tijekom prijelaza između razina postojati određeni raspon emitiranih ili apsorbiranih frekvencija dv, koji ovisi o širini energetskih razina između kojih se prijelaz odvija. Vrijednosti E1 i E2 mogu se koristiti za označavanje samo srednjih energetskih razina atoma.

Dakle, budući da smo pretpostavili da su E1 i E2 sredine energetskih razina, možemo razmotriti atom u ta dva stanja. Neka je E2>E1. Atom može apsorbirati ili emitirati elektromagnetsko zračenje kada prolazi između ovih razina. Pretpostavimo da je, budući da je bio u osnovnom stanju E1, atom apsorbirao vanjsko zračenje s energijom E2-E1 i prešao u pobuđeno stanje E2 (vjerojatnost takvog prijelaza proporcionalna je Einsteinovom koeficijentu B12).

Budući da je u pobuđenom stanju E2, atom pod djelovanjem vanjskog zračenja s energijom E2-E1 emitira kvant s energijom E2-E1 i prisiljen je prijeći u osnovno stanje s energijom E1 (vjerojatnost takvog prijelaza proporcionalna je Einsteinov koeficijent B21).

Ako paralelni snop monokromatskog zračenja volumne spektralne gustoće w (v) prolazi kroz tvar čiji sloj ima jediničnu površinu presjeka i debljinu dx, tada će se njegov intenzitet promijeniti za vrijednost:

Ovdje je n1 koncentracija atoma u E1 stanjima, n2 je koncentracija atoma u E2 stanjima.

Zamjenom uvjeta na desnoj strani jednadžbe, uz pretpostavku da je B21 = B12, a zatim zamjenom izraza za B21, dobivamo jednadžbu za promjenu intenziteta svjetlosti na uskim energetskim razinama:

U praksi, kao što je gore spomenuto, energetske razine nisu beskonačno uske, pa se mora uzeti u obzir njihova širina. Kako ne bismo zatrpali članak opisom transformacija i hrpom formula, jednostavno napominjemo da ćemo unosom frekvencijskog raspona i zatim integracijom preko x dobiti formulu za pronalaženje stvarnog koeficijenta apsorpcije prosjeka:

Budući da je očito da je u uvjetima termodinamičke ravnoteže koncentracija n1 atoma u nižem energetskom stanju E1 uvijek veća od koncentracije n2 atoma u višem stanju E2, negativna apsorpcija je nemoguća u normalnim uvjetima, nemoguće je pojačati svjetlo samo prolazeći kroz stvarno okruženje bez poduzimanja ikakvih dodatnih mjera...

Da bi negativna apsorpcija postala moguća, potrebno je stvoriti uvjete kada će koncentracija atoma u pobuđenom stanju E2 u mediju biti veća od koncentracije atoma u osnovnom stanju E1, odnosno potrebno je organizirati obrnuta raspodjela atoma u mediju prema njihovim energetskim stanjima.

Potreba za energetskim pumpanjem okoliša

Za organiziranje invertirane populacije energetskih razina (za dobivanje aktivnog medija) koristi se pumpanje (npr. optičko ili električno). Optičko pumpanje uključuje apsorpciju zračenja usmjerenog na njih od strane atoma, zbog čega ti atomi prelaze u pobuđeno stanje.

Električno pumpanje u plinskom mediju uključuje pobuđivanje atoma neelastičnim sudarima s elektronima u plinskom pražnjenju. Prema Fabrikantu, neka od niskoenergetskih stanja atoma moraju se eliminirati pomoću molekularnih nečistoća.

Praktično je nemoguće dobiti aktivni medij pomoću optičkog pumpanja u dvorazinskom mediju, jer će kvantitativno prijelazi atoma po jedinici vremena iz stanja E1 u stanje E2 i obrnuto (!) u ovom slučaju biti ekvivalentni, što znači da potrebno je pribjeći barem trostupanjskom sustavu.

Razmotrimo trostupanjski sustav crpljenja. Neka vanjsko zračenje s energijom fotona E3-E1 djeluje na medij dok atomi u mediju prelaze iz stanja s energijom E1 u stanje s energijom E3. Iz energetskog stanja E3 mogući su spontani prijelazi u stanje E2 i u E1. Da bi se dobila invertirana naseljenost (kada postoji više atoma s E2 razinom u danom mediju), potrebno je E2 razinu učiniti dugovječnijom od E3. Za to je važno pridržavati se sljedećih uvjeta:

Usklađenost s ovim uvjetima značit će da atomi u stanju E2 ostaju duže, odnosno da je vjerojatnost spontanih prijelaza iz E3 u E1 i iz E3 u E2 veća od vjerojatnosti spontanih prijelaza iz E2 u E1. Tada će se razina E2 pokazati dugotrajnijom, a takvo stanje na razini E2 možemo nazvati metastabilnim. Stoga, kada svjetlo frekvencije v = (E3 — E1) / h prolazi kroz takav aktivni medij, to će svjetlo biti pojačano. Slično tome, može se koristiti sustav od četiri razine, tada će razina E3 biti metastabilna.

Laserski uređaj

Dakle, laser uključuje tri glavne komponente: aktivni medij (u kojem se stvara inverzija naseljenosti energetskih razina atoma), sustav pumpanja (uređaj za dobivanje inverzije naseljenosti) i optički rezonator (koji pojačava zračenje mnogo puta i formira usmjereni snop izlaza). Aktivni medij može biti krutina, tekućina, plin ili plazma.

Pumpanje se vrši kontinuirano ili pulsno. Kod kontinuiranog pumpanja, opskrba medijem je ograničena pregrijavanjem medija i posljedicama tog pregrijavanja. Kod pulsirajućeg pumpanja, korisna energija koja se uvodi u medij po komadima dobiva se više zbog velike snage svakog pojedinačnog impulsa.

Različiti laseri — različito pumpanje

Solid-state laseri pumpaju se ozračivanjem radnog medija snažnim bljeskovima izbijanja plina, fokusiranim sunčevim svjetlom ili drugim laserom. Ovo je uvijek pulsno pumpanje jer je snaga toliko velika da će se radna šipka srušiti pod kontinuiranim djelovanjem.

Tekući i plinski laseri pumpaju se električnim izbojem.Kemijski laseri pretpostavljaju pojavu kemijskih reakcija u njihovom aktivnom mediju, zbog čega se dobiva invertirana populacija atoma bilo iz proizvoda reakcije ili iz posebnih nečistoća s odgovarajućom strukturom razine.

Poluvodički laseri se pumpaju direktnom strujom kroz pn spoj ili elektronskim snopom. Osim toga, postoje takve metode crpljenja kao fotodisocijacija ili plinodinamička metoda (naglo hlađenje zagrijanih plinova).

Optički rezonator — srce lasera

Optički rezonator je sustav para zrcala, u najjednostavnijem slučaju, dva zrcala (konkavna ili paralelna) učvršćena jedno nasuprot drugoga, a između njih duž zajedničke optičke osi nalazi se aktivno sredstvo u obliku kristala ili kiveta s plinom. Fotoni koji prolaze pod kutom kroz medij ostavljaju ga sa strane, a oni koji se kreću duž osi, reflektirajući se više puta, pojačavaju se i izlaze kroz prozirno zrcalo.

Ovo proizvodi lasersko zračenje — snop koherentnih fotona — striktno usmjeren snop. Tijekom jednog prolaska svjetlosti između zrcala, veličina pojačanja mora premašiti određeni prag — količinu gubitka zračenja kroz drugo zrcalo (što zrcalo bolje propušta, taj prag mora biti viši).

Da bi se pojačanje svjetlosti moglo učinkovito provesti, potrebno je ne samo povećati put svjetlosti unutar aktivnog medija, već i osigurati da valovi koji izlaze iz rezonatora budu u fazi jedan s drugim, tada će interferirajući valovi dati najveća moguća amplituda.

Za postizanje ovog cilja potrebno je da svaki od valova u rezonatoru koji se vraća u točku na zrcalu izvora i općenito u bilo kojoj točki aktivnog medija bude u fazi s primarnim valom nakon proizvoljnog broja savršenih refleksija. . To je moguće kada optički put koji val prijeđe između dva povratka zadovoljava uvjet:

gdje je m cijeli broj, u ovom će slučaju fazna razlika biti višekratnik 2P:

Budući da se svaki od valova razlikuje u fazi od prethodnog za 2pi, to znači da će svi valovi koji izlaze iz rezonatora biti u fazi jedan s drugim, dajući maksimalnu amplitudu interferencije. Rezonator će na izlazu imati gotovo monokromatsko paralelno zračenje.

Rad zrcala unutar rezonatora će osigurati pojačanje modova koji odgovaraju stojnim valovima unutar rezonatora; ostali načini (koji nastaju zbog osobitosti stvarnih uvjeta) bit će oslabljeni.

Rubinski laser — prvo čvrsto stanje

Prvi uređaj u čvrstom stanju napravio je 1960. godine američki fizičar Theodore Maiman. Bio je to rubinski laser (rubin — Al2O3, gdje su neka mjesta rešetke — unutar 0,5% — zamijenjena trostruko ioniziranim kromom; što je više kroma, to je tamnija boja rubinskog kristala).

Prvi uspješan radni laser koji je dizajnirao dr. Ted Mayman 1960.

Rubinski cilindar od najhomogenijeg kristala, promjera od 4 do 20 mm i duljine od 30 do 200 mm, postavljen je između dva zrcala izrađena u obliku slojeva srebra nanesenih na pažljivo polirane krajeve ovog cilindar. Svjetiljka s izbojem u obliku spirale okružuje cilindar cijelom dužinom i napaja se visokim naponom preko kondenzatora.

Kada je lampa uključena, rubin je intenzivno ozračen, dok se atomi kroma pomiču s razine 1 na razinu 3 (u ovom pobuđenom stanju su manje od 10-7 sekundi), tu je najvjerojatniji prijelaz u razina 2 se ostvaruju — do metastabilne razine. Višak energije prenosi se u kristalnu rešetku rubina. Spontani prijelazi s razine 3 na razinu 1 su beznačajni.

Prijelaz s razine 2 na razinu 1 zabranjen je pravilima odabira, tako da je trajanje ove razine oko 10-3 sekunde, što je 10 000 puta duže nego na razini 3, kao rezultat toga, atomi se nakupljaju u rubinu s razinom 2 — ovo je obrnuta populacija razine 2.

Spontano nastajući tijekom spontanih prijelaza, fotoni mogu uzrokovati prisilne prijelaze s razine 2 na razinu 1 i izazvati lavinu sekundarnih fotona, ali ti su spontani prijelazi nasumični i njihovi se fotoni šire kaotično, uglavnom napuštajući rezonator kroz njegovu bočnu stijenku.

Ali oni od fotona koji udare u os podliježu višestrukim refleksijama od zrcala, istovremeno uzrokujući prisilnu emisiju sekundarnih fotona, koji opet izazivaju stimuliranu emisiju, i tako dalje. Ti će se fotoni kretati u smjeru sličnom primarnima i tok duž osi kristala će se povećavati poput lavine.

Umnoženi tok fotona izaći će kroz bočno prozirno zrcalo rezonatora u obliku striktno usmjerene svjetlosne zrake kolosalnog intenziteta. Rubinski laser radi na valnoj duljini od 694,3 nm, dok snaga pulsa može biti do 109 W

Neonski laser s helijem

Helij-neonski (helij/neon = 10/1) laser jedan je od najpopularnijih plinskih lasera. Tlak u plinskoj smjesi je oko 100 Pa.Neon služi kao aktivni plin, proizvodi fotone valne duljine 632,8 nm u kontinuiranom načinu rada. Funkcija helija je stvoriti obrnutu populaciju iz jedne od viših energetskih razina neona. Širina spektra takvog lasera je oko 5 * 10-3 Hz Duljina koherencije 6 * 1011 m, vrijeme koherencije 2 * 103 ° C.

Kada se pumpa helij-neonski laser, visokonaponsko električno pražnjenje inducira prijelaz atoma helija u metastabilno pobuđeno stanje razine E2. Ovi se atomi helija neelastično sudaraju s atomima neona u osnovnom stanju E1, prenoseći svoju energiju. Energija razine E4 neona veća je od razine E2 helija za 0,05 eV. Nedostatak energije nadoknađuje se kinetičkom energijom sudara atoma. Kao rezultat, na razini E4 neona dobiva se obrnuta naseljenost u odnosu na razinu E3.

Vrste modernih lasera

Prema stanju aktivnog medija laseri se dijele na: čvrste, tekuće, plinske, poluvodičke, a također i kristalne. Prema načinu crpljenja mogu biti: optički, kemijski, plinski. Prema prirodi generiranja, laseri se dijele na: kontinuirane i impulsne. Ove vrste lasera emitiraju zračenje u vidljivom području elektromagnetskog spektra.

Optički laseri pojavili su se kasnije od ostalih. Sposobni su generirati zračenje u bliskom infracrvenom području, takvo zračenje (na valnoj duljini do 8 mikrona) vrlo je pogodno za optičku komunikaciju. Optički laseri sadrže vlakno u čiju je jezgru uvedeno nekoliko iona odgovarajućih elemenata rijetke zemlje.

Vodič svjetlosti, kao i kod drugih vrsta lasera, ugrađen je između para zrcala.Za pumpanje, lasersko zračenje potrebne valne duljine dovodi se u vlakno, tako da ioni elemenata rijetke zemlje pod njegovim djelovanjem prelaze u pobuđeno stanje. Vraćajući se u niže energetsko stanje, ovi ioni emitiraju fotone veće valne duljine od inicirajućeg lasera.

Na taj način vlakno djeluje kao izvor laserskog svjetla. Njegova učestalost ovisi o vrsti dodanih elemenata rijetke zemlje. Samo vlakno izrađeno je od fluorida teškog metala, što rezultira učinkovitim generiranjem laserskog zračenja na frekvenciji infracrvenog područja.

Rendgenski laseri zauzimaju suprotnu stranu spektra — između ultraljubičastog i gama — to su redovi veličina s valnim duljinama od 10-7 do 10-12 m. Laseri ove vrste imaju najveću svjetlinu pulsa od svih vrsta lasera.

Prvi rendgenski laser izgrađen je 1985. godine u SAD-u, u laboratoriju Livermore. Lovre. Laser generiran na ionima selena, raspona valne duljine je od 18,2 do 26,3 nm, a najveća svjetlina pada na liniju valne duljine od 20,63 nm. Danas je lasersko zračenje valne duljine 4,6 nm postignuto aluminijevim ionima.

Rendgenski laser generira se impulsima u trajanju od 100 ps do 10 ns, što ovisi o vijeku trajanja formiranja plazme.

Činjenica je da je aktivni medij rendgenskog lasera visokoionizirana plazma, koja se dobiva npr. kada se tanki film itrija i selena ozrači laserom velike snage u vidljivom ili infracrvenom spektru.

Energija rendgenskog lasera u impulsu doseže 10 mJ, dok je kutna divergencija u snopu približno 10 milradijana. Omjer snage pumpe i izravnog zračenja je oko 0,00001.