Laser - zariadenie a princíp činnosti

Normálne správanie svetla pri prechode cez médium

Normálne, keď svetlo prechádza médiom, jeho intenzita klesá. Číselná hodnota tohto útlmu sa dá zistiť z Bouguerovho zákona:

V tejto rovnici okrem intenzít svetla I vstupujúceho a vystupujúceho z média existuje aj faktor nazývaný lineárny koeficient absorpcie svetla média. V tradičnej optike je tento koeficient vždy kladný.

Negatívna absorpcia svetla

Čo ak je z nejakého dôvodu koeficient absorpcie záporný? Čo potom? Pri prechode cez médium dôjde k zosilneniu svetla; v skutočnosti bude médium vykazovať negatívnu absorpciu.

Podmienky na pozorovanie takéhoto obrazu môžu byť vytvorené umelo. Teoretický koncept týkajúci sa spôsobu realizácie navrhovaného javu sformuloval v roku 1939 sovietsky fyzik Valentin Alexandrovič Fabrikant.

V priebehu analýzy hypotetického média zosilňujúceho svetlo, ktoré ním prechádza, Fabrikant navrhol princíp zosilnenia svetla. A v roku 1955sovietski fyzici Nikolaj Genadijevič Basov a Alexander Michajlovič Prochorov aplikovali túto Fabrikantovu myšlienku na rádiofrekvenčnú oblasť elektromagnetického spektra.

Zvážte fyzickú stránku možnosti negatívnej absorpcie. V idealizovanej forme môžu byť energetické hladiny atómov znázornené ako čiary - ako keby atómy v každom stave mali iba presne definované energie E1 a E2. To znamená, že pri prechode zo stavu do stavu atóm buď vyžaruje alebo absorbuje výlučne monochromatické svetlo presne definovanej vlnovej dĺžky.

Ale realita je ďaleko od ideálu a v skutočnosti energetické hladiny atómov majú určitú konečnú šírku, to znamená, že to nie sú čiary presných hodnôt. Preto pri prechodoch medzi úrovňami bude existovať aj určitý rozsah emitovaných alebo absorbovaných frekvencií dv, ktorý závisí od šírky energetických hladín, medzi ktorými prechod prebieha. Hodnoty E1 a E2 môžu byť použité na označenie iba stredných energetických hladín atómu.

Takže, keďže sme predpokladali, že E1 a E2 sú stredy energetických hladín, môžeme uvažovať o atóme v týchto dvoch stavoch. Nech E2>E1. Atóm môže pri prechode medzi týmito úrovňami buď absorbovať alebo emitovať elektromagnetické žiarenie. Predpokladajme, že atóm v základnom stave E1 absorboval vonkajšie žiarenie s energiou E2-E1 a prešiel do excitovaného stavu E2 (pravdepodobnosť takéhoto prechodu je úmerná Einsteinovmu koeficientu B12).

Atóm, ktorý je v excitovanom stave E2, pôsobením vonkajšieho žiarenia s energiou E2-E1 vyžaruje kvantum s energiou E2-E1 a je nútený prejsť do základného stavu s energiou E1 (pravdepodobnosť takéhoto prechodu je úmerná Einsteinov koeficient B21).

Ak paralelný lúč monochromatického žiarenia s objemovou spektrálnou hustotou w (v) prechádza látkou, ktorej vrstva má jednotkovú plochu prierezu a hrúbku dx, potom sa jeho intenzita zmení o hodnotu:

Tu je n1 koncentrácia atómov v stavoch E1, n2 je koncentrácia atómov v stavoch E2.

Dosadením podmienok na pravej strane rovnice za predpokladu, že B21 = B12 a následným dosadením výrazu za B21 dostaneme rovnicu pre zmenu intenzity svetla pri úzkych energetických hladinách:

V praxi, ako už bolo spomenuté vyššie, energetické hladiny nie sú nekonečne úzke, preto treba brať do úvahy ich šírku. Aby sme článok nezahltili popisom transformácií a kopou vzorcov, jednoducho si všimneme, že zadaním frekvenčného rozsahu a následnou integráciou cez x dostaneme vzorec na zistenie skutočného absorpčného koeficientu priemeru:

Keďže je zrejmé, že v podmienkach termodynamickej rovnováhy je koncentrácia n1 atómov v nižšom energetickom stave E1 vždy väčšia ako koncentrácia n2 atómov vo vyššom stave E2, negatívna absorpcia je za normálnych podmienok nemožná, nie je možné ju zosilniť. svetlo len tým, že prejdete skutočným prostredím bez akýchkoľvek dodatočných opatrení...

Aby bola možná negatívna absorpcia, je potrebné vytvoriť podmienky, keď koncentrácia atómov v excitovanom stave E2 v médiu bude väčšia ako koncentrácia atómov v základnom stave E1, to znamená, že je potrebné organizovať reverzné rozloženie atómov v prostredí podľa ich energetických stavov.

Potreba energetického čerpania životného prostredia

Na organizáciu obrátenej populácie energetických hladín (na získanie aktívneho média) sa používa čerpanie (napr. optické alebo elektrické). Optické čerpanie zahŕňa absorpciu žiarenia nasmerovaného na ne atómami, vďaka čomu tieto atómy prechádzajú do excitovaného stavu.

Elektrické čerpanie v plynnom médiu zahŕňa excitáciu atómov nepružnými zrážkami s elektrónmi v plynovom výboji. Niektoré nízkoenergetické stavy atómov treba podľa Fabrikanta eliminovať pomocou molekulárnych nečistôt.

Získať aktívne médium pomocou optického čerpania v dvojúrovňovom prostredí je prakticky nemožné, keďže kvantitatívne budú prechody atómov za jednotku času zo stavu E1 do stavu E2 a naopak (!) v tomto prípade ekvivalentné, čo znamená, že je potrebné uchýliť sa aspoň k trojstupňovému systému.

Zvážte trojstupňový čerpací systém. Nechajte na médium pôsobiť vonkajšie žiarenie s energiou fotónu E3-E1, kým atómy v médiu prechádzajú zo stavu s energiou E1 do stavu s energiou E3. Z energetického stavu E3 sú možné spontánne prechody do stavu E2 a do E1. Na získanie invertovanej populácie (keď je v danom médiu viac atómov s úrovňou E2) je potrebné, aby úroveň E2 mala dlhšiu životnosť ako E3. Na tento účel je dôležité dodržiavať nasledujúce podmienky:

Dodržanie týchto podmienok bude znamenať, že atómy v stave E2 zostanú dlhšie, to znamená, že pravdepodobnosť spontánnych prechodov z E3 do E1 a z E3 do E2 prevyšuje pravdepodobnosť spontánnych prechodov z E2 do E1. Potom sa ukáže, že úroveň E2 bude trvať dlhšie a takýto stav na úrovni E2 možno nazvať metastabilným. Preto, keď svetlo s frekvenciou v = (E3 — E1) / h prechádza takýmto aktívnym médiom, toto svetlo sa zosilní. Podobne sa dá použiť štvorúrovňový systém, potom bude úroveň E3 metastabilná.

Laserové zariadenie

Laser teda obsahuje tri hlavné komponenty: aktívne médium (v ktorom sa vytvára populačná inverzia energetických hladín atómov), čerpací systém (zariadenie na získanie populačnej inverzie) a optický rezonátor (ktorý zosilňuje žiarenie mnohokrát a tvorí usmernený lúč výstupu). Aktívnym médiom môže byť pevná látka, kvapalina, plyn alebo plazma.

Čerpanie sa vykonáva nepretržite alebo pulzne. Pri nepretržitom čerpaní je dodávka média obmedzená prehriatím média a následkami tohto prehriatia. Pri pulznom čerpaní sa užitočná energia zavádzaná po častiach do média získava skôr vďaka veľkému výkonu každého jednotlivého pulzu.

Rôzne lasery — rôzne čerpanie

Pevné lasery sa čerpajú ožarovaním pracovného média silnými plynovými výbojmi, sústredeným slnečným žiarením alebo iným laserom. Toto je vždy pulzné čerpanie, pretože výkon je taký vysoký, že sa pracovná tyč pri nepretržitom pôsobení zrúti.

Kvapalné a plynové lasery sú čerpané elektrickým výbojom.Chemické lasery predpokladajú výskyt chemických reakcií vo svojom aktívnom prostredí, v dôsledku čoho sa získa obrátená populácia atómov buď z produktov reakcie, alebo zo špeciálnych nečistôt s vhodnou štruktúrou úrovní.

Polovodičové lasery sú čerpané dopredným prúdom cez pn prechod alebo elektrónovým lúčom. Okrem toho existujú také spôsoby čerpania, ako je fotodisociácia alebo metóda dynamickej dynamiky plynu (náhle ochladenie zahriatych plynov).

Optický rezonátor – srdce lasera

Optický rezonátor je sústava dvojice zrkadiel, v najjednoduchšom prípade dvoch zrkadiel (konkávnych alebo rovnobežných) upevnených oproti sebe a medzi nimi pozdĺž spoločnej optickej osi je aktívne médium vo forme kryštálu, resp. kyveta s plynom. Fotóny prechádzajúce pod určitým uhlom cez médium ho opúšťajú na boku a tie, ktoré sa pohybujú pozdĺž osi, sú viacnásobne odrazené, sú zosilnené a vychádzajú cez priesvitné zrkadlo.

To vytvára laserové žiarenie - lúč koherentných fotónov - prísne nasmerovaný lúč. Počas jedného prechodu svetla medzi zrkadlami musí veľkosť zosilnenia prekročiť určitú hranicu — množstvo straty žiarenia cez druhé zrkadlo (čím lepšie zrkadlo prepúšťa, tým musí byť tento prah vyšší).

Aby zosilnenie svetla prebiehalo efektívne, je potrebné nielen zväčšiť dráhu svetla vo vnútri aktívneho média, ale aj zabezpečiť, aby vlny opúšťajúce rezonátor boli navzájom vo fáze, potom rušivé vlny poskytnú maximálnu možnú amplitúdu.

Na dosiahnutie tohto cieľa je potrebné, aby každá z vĺn v rezonátore vracajúca sa do bodu na zdrojovom zrkadle a vo všeobecnosti v ktoromkoľvek bode aktívneho prostredia bola vo fáze s primárnou vlnou po ľubovoľnom počte dokonalých odrazov. . To je možné, keď optická dráha, ktorou prechádza vlna medzi dvoma návratmi, spĺňa podmienku:

kde m je celé číslo, v tomto prípade bude fázový rozdiel násobkom 2P:

Keďže sa každá z vĺn vo fáze líši od predchádzajúcej o 2pi, znamená to, že všetky vlny opúšťajúce rezonátor budú navzájom vo fáze, čím sa dosiahne maximálna amplitúdová interferencia. Rezonátor bude mať na výstupe takmer monochromatické paralelné žiarenie.

Činnosť zrkadiel vo vnútri rezonátora zabezpečí zosilnenie režimov zodpovedajúcich stojatým vlnám vo vnútri rezonátora; ostatné režimy (vznikajúce v dôsledku osobitostí reálnych podmienok) budú oslabené.

Rubínový laser — prvé pevné skupenstvo

Prvé polovodičové zariadenie zostrojil v roku 1960 americký fyzik Theodore Maiman. Bol to rubínový laser (rubín – Al2O3, kde sú niektoré mriežkové miesta – do 0,5 % – nahradené trojnásobne ionizovaným chrómom; čím viac chrómu, tým tmavšia je farba rubínového kryštálu).

Prvý úspešný pracovný laser navrhnutý Dr. Tedom Maymanom v roku 1960.

Rubínový valec vyrobený z najhomogénnejšieho kryštálu s priemerom 4 až 20 mm a dĺžkou 30 až 200 mm je umiestnený medzi dvoma zrkadlami vyrobenými vo forme vrstiev striebra nanesených na starostlivo vyleštené konce tohto. valec. Plynová výbojka v tvare špirály obklopuje valec po celej jeho dĺžke a je napájaná vysokým napätím cez kondenzátor.

Keď je lampa zapnutá, rubín je intenzívne ožiarený, zatiaľ čo atómy chrómu sa pohybujú z úrovne 1 na úroveň 3 (v tomto excitovanom stave sú menej ako 10-7 sekúnd), tu s najväčšou pravdepodobnosťou prechádzajú do úroveň 2 sa realizuje — na metastabilnú úroveň. Prebytočná energia sa prenáša do rubínovej kryštálovej mriežky. Spontánne prechody z úrovne 3 na úroveň 1 sú bezvýznamné.

Prechod z úrovne 2 na úroveň 1 je zakázaný pravidlami výberu, takže trvanie tejto úrovne je asi 10-3 sekúnd, čo je 10 000-krát dlhšie ako na úrovni 3, v dôsledku čoho sa atómy hromadia v rubíne s úrovňou 2 — toto je obrátená populácia úrovne 2.

Spontánne vznikajúce počas spontánnych prechodov môžu fotóny spôsobiť nútené prechody z úrovne 2 na úroveň 1 a vyvolať lavínu sekundárnych fotónov, ale tieto spontánne prechody sú náhodné a ich fotóny sa šíria chaoticky, väčšinou opúšťajú rezonátor cez jeho bočnú stenu .

Ale tie z fotónov, ktoré zasiahli os, podliehajú viacnásobným odrazom od zrkadiel, čo súčasne spôsobuje nútenú emisiu sekundárnych fotónov, ktoré opäť vyvolávajú stimulovanú emisiu atď. Tieto fotóny sa budú pohybovať v podobnom smere ako primárne a tok pozdĺž osi kryštálu sa zvýši ako lavína.

Znásobený tok fotónov bude vychádzať cez bočné priesvitné zrkadlo rezonátora vo forme striktne smerovaného svetelného lúča kolosálnej intenzity. Rubínový laser pracuje na vlnovej dĺžke 694,3 nm, pričom pulzný výkon môže byť až 109 W

Neónový laser s héliom

Hélium-neónový (hélium / neón = 10/1) laser je jedným z najpopulárnejších plynových laserov. Tlak v zmesi plynov je asi 100 Pa.Neón slúži ako aktívny plyn, v spojitom režime produkuje fotóny s vlnovou dĺžkou 632,8 nm. Funkciou hélia je vytvoriť reverznú populáciu z jednej z vyšších energetických hladín neónu. Šírka spektra takéhoto lasera je asi 5 * 10-3 Hz Koherenčná dĺžka 6 * 1011 m, doba koherencie 2 * 103 ° C.

Pri čerpaní héliovo-neónového lasera indukuje vysokonapäťový elektrický výboj prechod atómov hélia do metastabilného excitovaného stavu hladiny E2. Tieto atómy hélia sa neelasticky zrážajú s neónovými atómami v základnom stave E1 a odovzdávajú si svoju energiu. Energia hladiny E4 neónu je vyššia ako hladina E2 hélia o 0,05 eV. Nedostatok energie je kompenzovaný kinetickou energiou atómových zrážok. Výsledkom je, že na úrovni E4 neónu sa získa obrátená populácia vzhľadom na úroveň E3.

Typy moderných laserov

Podľa stavu aktívneho prostredia sa lasery delia na: pevné, kvapalné, plynové, polovodičové a tiež kryštálové. Podľa spôsobu čerpania môžu byť: optické, chemické, výbojové. Podľa charakteru generácie sa lasery delia na: kontinuálne a pulzné. Tieto typy laserov vyžarujú žiarenie vo viditeľnom rozsahu elektromagnetického spektra.

Optické lasery sa objavili neskôr ako iné. Sú schopné generovať žiarenie v blízkej infračervenej oblasti, takéto žiarenie (pri vlnovej dĺžke do 8 mikrónov) je veľmi vhodné pre optickú komunikáciu. Optické lasery obsahujú vlákno, do ktorého jadra bolo vložených niekoľko iónov vhodných prvkov vzácnych zemín.

Svetlovod sa rovnako ako u iných typov laserov inštaluje medzi dvojicu zrkadiel.Na čerpanie sa do vlákna privádza laserové žiarenie s požadovanou vlnovou dĺžkou, takže ióny prvkov vzácnych zemín pri jeho pôsobení prechádzajú do excitovaného stavu. Po návrate do stavu s nižšou energiou tieto ióny emitujú fotóny s dlhšou vlnovou dĺžkou ako má iniciačný laser.

Týmto spôsobom vlákno pôsobí ako zdroj laserového svetla. Jeho frekvencia závisí od typu pridaných prvkov vzácnych zemín. Samotné vlákno je vyrobené z fluoridu ťažkých kovov, čo má za následok efektívne generovanie laserového žiarenia vo frekvencii infračerveného rozsahu.

Röntgenové lasery zaberajú opačnú stranu spektra — medzi ultrafialovým a gama — ide o rádové hodnoty s vlnovými dĺžkami od 10-7 do 10-12 m. Lasery tohto typu majú zo všetkých typov laserov najvyššiu jasnosť impulzov.

Prvý röntgenový laser bol skonštruovaný v roku 1985 v USA v Livermore Laboratory. Lawrence. Laser generovaný na selénových iónoch má rozsah vlnových dĺžok od 18,2 do 26,3 nm a najvyšší jas pripadá na čiaru vlnovej dĺžky 20,63 nm. Dnes sa pomocou hliníkových iónov dosiahlo laserové žiarenie s vlnovou dĺžkou 4,6 nm.

Röntgenový laser je generovaný impulzmi s trvaním 100 ps až 10 ns, čo závisí od životnosti tvorby plazmy.

Faktom je, že aktívnym médiom röntgenového lasera je vysoko ionizovaná plazma, ktorá sa získa napríklad pri ožiarení tenkého filmu ytria a selénu vysokovýkonným laserom vo viditeľnom alebo infračervenom spektre.

Energia röntgenového lasera v impulze dosahuje 10 mJ, pričom uhlová divergencia lúča je približne 10 miliradiánov. Pomer výkonu čerpadla k priamemu žiareniu je asi 0,00001.