Ang unang prinsipyo ng laser, na ang physics ay nakabatay sa batas ng radiation ni Planck, ay theoretically pinatunayan ni Einstein noong 1917. Inilarawan niya ang absorption, spontaneous at stimulated electromagnetic radiation gamit ang probability coefficients (Einstein coefficients).
Pioneers
Si Theodor Meiman ang unang nagpakita ng prinsipyo ng pagpapatakbo ng isang ruby laser batay sa optical pumping ng synthetic ruby na may flash lamp, na gumawa ng pulsed coherent radiation na may wavelength na 694 nm.
Noong 1960, nilikha ng mga Iranian scientist na sina Javan at Bennett ang unang gas quantum generator gamit ang 1:10 mixture ng He at Ne gases.
Noong 1962, ipinakita ng RN Hall ang unang gallium arsenide (GaAs) diode laser na naglalabas sa wavelength na 850 nm. Sa huling bahagi ng taong iyon, binuo ni Nick Golonyak ang unang semiconductor visible light quantum generator.
Disenyo at prinsipyo ng pagpapatakbo ng mga laser
Ang bawat laser system ay binubuo ng isang aktibong medium na inilagaysa pagitan ng isang pares ng optically parallel at highly reflective mirror, na ang isa ay translucent, at isang mapagkukunan ng enerhiya para sa pumping nito. Ang daluyan ng amplification ay maaaring maging isang solid, likido o gas, na may pag-aari ng pagpapalakas ng amplitude ng isang light wave na dumadaan dito sa pamamagitan ng stimulated emission na may electrical o optical pumping. Ang isang sangkap ay inilalagay sa pagitan ng isang pares ng mga salamin sa paraang ang liwanag na sumasalamin sa mga ito ay dumadaan dito sa bawat oras at, na umabot sa isang makabuluhang amplification, ay tumagos sa isang translucent na salamin.
Two-tier na kapaligiran
Isaalang-alang natin ang prinsipyo ng pagpapatakbo ng isang laser na may aktibong medium, na ang mga atomo nito ay mayroon lamang dalawang antas ng enerhiya: excited E2 at basic E1 . Kung ang mga atom ay nasasabik sa estado na E2 sa pamamagitan ng anumang pumping mechanism (optical, electric discharge, current transmission o electron bombardment), pagkatapos ng ilang nanoseconds ay babalik sila sa ground position, na naglalabas ng mga photon ng enerhiya hν=E 2 - E1. Ayon sa teorya ni Einstein, ang paglabas ay ginawa sa dalawang magkaibang paraan: maaaring ito ay sapilitan ng isang photon, o ito ay kusang nangyayari. Sa unang kaso, nagaganap ang stimulated emission, at sa pangalawa, spontaneous emission. Sa thermal equilibrium, ang posibilidad ng stimulated emission ay mas mababa kaysa sa spontaneous emission (1:1033), kaya ang karamihan sa mga conventional light source ay hindi magkakaugnay, at ang laser generation ay posible sa mga kondisyon maliban sa thermal ekwilibriyo.
Kahit na napakalakaspumping, ang populasyon ng dalawang antas na sistema ay maaari lamang gawing pantay. Samakatuwid, kailangan ng tatlo o apat na antas na sistema upang makamit ang pagbabaligtad ng populasyon sa pamamagitan ng optical o iba pang mga paraan ng pumping.
Multilevel system
Ano ang prinsipyo ng tatlong antas na laser? Ang pag-iilaw na may matinding liwanag ng frequency ν02 ay nagbo-bomba ng malaking bilang ng mga atom mula sa pinakamababang antas ng enerhiya E0 hanggang sa pinakamataas na antas ng enerhiya E 2. Ang nonradiative transition ng mga atoms mula sa E2 hanggang E1 ay nagtatatag ng pagbabaligtad ng populasyon sa pagitan ng E1 at E 0 , na sa pagsasagawa ay posible lamang kapag ang mga atomo ay nasa metastable na estado sa mahabang panahon E1, at ang paglipat mula sa E2 Mabilis ang takbo nghanggang E 1. Ang prinsipyo ng pagpapatakbo ng isang tatlong antas na laser ay upang matupad ang mga kundisyong ito, dahil sa kung saan sa pagitan ng E0 at E1 ay nakakamit ang pagbaligtad ng populasyon at mga photon ay pinalakas ng enerhiya E 1-E0 induced emission. Ang mas malawak na antas ng E2 ay maaaring tumaas ang wavelength na hanay ng pagsipsip para sa mas mahusay na pumping, na magreresulta sa pagtaas ng stimulated emission.
Ang tatlong antas na sistema ay nangangailangan ng napakataas na lakas ng bomba, dahil ang mas mababang antas na kasangkot sa henerasyon ay ang base. Sa kasong ito, upang mangyari ang pagbaligtad ng populasyon, higit sa kalahati ng kabuuang bilang ng mga atom ay dapat na i-pump sa estado na E1. Sa paggawa nito, ang enerhiya ay nasasayang. Ang pumping power ay maaaring maging makabuluhanbumaba kung ang mas mababang antas ng henerasyon ay hindi ang base, na nangangailangan ng hindi bababa sa apat na antas na sistema.
Depende sa likas na katangian ng aktibong sangkap, ang mga laser ay nahahati sa tatlong pangunahing kategorya, ibig sabihin, solid, likido at gas. Mula noong 1958, nang unang naobserbahan ang lasing sa isang ruby crystal, pinag-aralan ng mga siyentipiko at mananaliksik ang iba't ibang uri ng materyales sa bawat kategorya.
Solid State Laser
Ang prinsipyo ng operasyon ay nakabatay sa paggamit ng isang aktibong medium, na nabuo sa pamamagitan ng pagdaragdag ng isang transition group na metal sa insulating crystal lattice (Ti+3, Cr +3, V+2, С+2, Ni+2, Fe +2, atbp.), rare earth ions (Ce+3, Pr+3, Nd +3, Pm+3, Sm+2, Eu +2, +3 , Tb+3, Dy+3, Ho+3 , Er +3, Yb+3, atbp.), at actinides tulad ng U+3. Ang mga antas ng enerhiya ng mga ion ay responsable lamang para sa henerasyon. Ang mga pisikal na katangian ng base na materyal, tulad ng thermal conductivity at thermal expansion, ay mahalaga para sa mahusay na operasyon ng laser. Ang pagsasaayos ng mga atomo ng sala-sala sa paligid ng isang doped ion ay nagbabago sa mga antas ng enerhiya nito. Ang iba't ibang wavelength ng henerasyon sa aktibong medium ay nakakamit sa pamamagitan ng doping ng iba't ibang materyales na may parehong ion.
Holmium laser
Ang isang halimbawa ng solid-state laser ay isang quantum generator, kung saan pinapalitan ng holmium ang isang atom ng base substance ng crystal lattice. Ang Ho:YAG ay isa sa pinakamahusay na henerasyong materyales. Ang prinsipyo ng pagpapatakbo ng isang holmium laser ay ang yttrium aluminum garnet ay doped na may mga holmium ions, optically pumped ng isang flash lamp at naglalabas sa wavelength na 2097 nm sa IR range, na mahusay na hinihigop ng mga tisyu. Ginagamit ang laser na ito para sa mga operasyon sa mga kasukasuan, sa paggamot ng mga ngipin, para sa pagsingaw ng mga selula ng kanser, bato at gallstones.
Semiconductor quantum generator
Ang mga quantum well laser ay mura, mass-producible, at madaling scalable. Ang prinsipyo ng pagpapatakbo ng isang semiconductor laser ay batay sa paggamit ng isang p-n junction diode, na gumagawa ng liwanag ng isang tiyak na wavelength sa pamamagitan ng carrier recombination sa isang positibong bias, katulad ng mga LED. Ang LED ay kusang naglalabas, at laser diodes - sapilitang. Upang matupad ang kondisyon ng pagbabaligtad ng populasyon, ang kasalukuyang operating ay dapat lumampas sa halaga ng threshold. Ang aktibong medium sa isang semiconductor diode ay may anyo ng isang connecting region ng dalawang two-dimensional na layer.
Ang prinsipyo ng pagpapatakbo ng ganitong uri ng laser ay tulad na walang panlabas na salamin na kinakailangan upang mapanatili ang mga oscillation. Ang reflectivity na nilikha ng refractive index ng mga layer at ang panloob na pagmuni-muni ng aktibong medium ay sapat para sa layuning ito. Ang mga dulong ibabaw ng mga diode ay may tapyas, na nagsisiguro na ang mga mapanimdim na ibabaw ay parallel.
Ang isang koneksyon na nabuo sa pamamagitan ng mga semiconductor na materyales ng parehong uri ay tinatawag na homojunction, at isang koneksyon na nilikha ng isang koneksyon ng dalawang magkaibang mga ito ay tinatawag naheterojunction.
Ang P- at n-type semiconductors na may mataas na carrier density ay bumubuo ng p-n junction na may napakanipis (≈1 µm) na depletion layer.
Gas laser
Ang prinsipyo ng pagpapatakbo at paggamit ng ganitong uri ng laser ay nagbibigay-daan sa iyong lumikha ng mga device ng halos anumang kapangyarihan (mula sa milliwatts hanggang megawatts) at mga wavelength (mula sa UV hanggang IR) at nagbibigay-daan sa iyong magtrabaho sa pulsed at tuluy-tuloy na mga mode. Batay sa likas na katangian ng aktibong media, mayroong tatlong uri ng mga gas quantum generator, katulad ng atomic, ionic, at molecular.
Karamihan sa mga gas laser ay ipinobomba gamit ang discharge ng kuryente. Ang mga electron sa discharge tube ay pinabilis ng electric field sa pagitan ng mga electrodes. Bumangga ang mga ito sa mga atom, ion o molekula ng aktibong medium at hinihimok ang paglipat sa mas mataas na antas ng enerhiya upang makamit ang estado ng populasyon na inversion at stimulated emission.
Molecular Laser
Ang prinsipyo ng pagpapatakbo ng isang laser ay nakabatay sa katotohanan na, hindi tulad ng mga nakahiwalay na atom at ion, ang mga molekula sa atomic at ion quantum generator ay may malawak na mga banda ng enerhiya ng mga discrete na antas ng enerhiya. Bukod dito, ang bawat antas ng elektronikong enerhiya ay may malaking bilang ng mga antas ng panginginig ng boses, at ang mga iyon naman, ay may ilang mga antas ng pag-ikot.
Ang enerhiya sa pagitan ng mga antas ng elektronikong enerhiya ay nasa UV at nakikitang mga rehiyon ng spectrum, habang nasa pagitan ng mga antas ng vibrational-rotational - sa malayo at malapit na IRmga lugar. Kaya, karamihan sa mga molecular quantum generator ay gumagana sa malayo o malapit na infrared na mga rehiyon.
Excimer lasers
Ang Excimer ay mga molecule gaya ng ArF, KrF, XeCl, na may hiwalay na ground state at stable sa unang antas. Ang prinsipyo ng pagpapatakbo ng laser ay ang mga sumusunod. Bilang isang patakaran, ang bilang ng mga molecule sa ground state ay maliit, kaya ang direktang pumping mula sa ground state ay hindi posible. Ang mga molekula ay nabuo sa unang nasasabik na elektronikong estado sa pamamagitan ng pagsasama-sama ng mataas na enerhiya na mga halide sa mga inert na gas. Ang populasyon ng pagbabaligtad ay madaling makamit, dahil ang bilang ng mga molekula sa antas ng base ay masyadong maliit kumpara sa nasasabik. Ang prinsipyo ng pagpapatakbo ng isang laser, sa madaling salita, ay ang paglipat mula sa isang nakatali na excited na elektronikong estado patungo sa isang dissociative ground state. Ang populasyon sa ground state ay palaging nananatili sa mababang antas, dahil ang mga molekula sa puntong ito ay naghihiwalay sa mga atom.
Ang aparato at prinsipyo ng pagpapatakbo ng mga laser ay ang discharge tube ay puno ng pinaghalong halide (F2) at rare earth gas (Ar). Ang mga electron sa loob nito ay naghihiwalay at nag-ionize ng mga molekula ng halide at lumikha ng mga negatibong sisingilin na mga ion. Ang mga positibong ion na Ar+ at negatibong F- ay tumutugon at gumagawa ng mga molekula ng ArF sa unang nasasabik na nakatali na estado kasama ang kanilang kasunod na paglipat sa nakasusuklam na estado ng base at henerasyon ng magkakaugnay na radiation. Ang excimer laser, ang prinsipyo ng pagpapatakbo at aplikasyon na ngayon ay isinasaalang-alang natin, ay maaaring gamitin sa pumpaktibong medium sa mga tina.
Liquid Laser
Kung ikukumpara sa mga solid, ang mga likido ay mas homogenous at may mas mataas na density ng mga aktibong atom kaysa sa mga gas. Bilang karagdagan sa mga ito, ang mga ito ay madaling paggawa, nagbibigay-daan para sa madaling pag-aalis ng init at madaling mapalitan. Ang prinsipyo ng pagpapatakbo ng laser ay ang paggamit ng mga organikong tina bilang isang aktibong daluyan, tulad ng DCM (4-dicyanomethylene-2-methyl-6-p-dimethylaminostyryl-4H-pyran), rhodamine, styryl, LDS, coumarin, stilbene, atbp.., natunaw sa isang naaangkop na solvent. Ang isang solusyon ng dye molecules ay nasasabik ng radiation na ang wavelength ay may magandang absorption coefficient. Ang prinsipyo ng pagpapatakbo ng laser, sa madaling salita, ay upang makabuo sa isang mas mahabang wavelength, na tinatawag na fluorescence. Ang pagkakaiba sa pagitan ng absorbed energy at emitted photon ay ginagamit ng mga non-radiative energy transition at nagpapainit sa system.
Ang mas malawak na fluorescence band ng mga liquid quantum generator ay may kakaibang feature - wavelength tuning. Ang prinsipyo ng pagpapatakbo at ang paggamit ng ganitong uri ng laser bilang isang tunable at magkakaugnay na pinagmumulan ng liwanag ay lalong nagiging mahalaga sa spectroscopy, holography, at biomedical application.
Kamakailan, ginamit ang mga dye quantum generator para sa paghihiwalay ng isotope. Sa kasong ito, pinipili ng laser ang isa sa kanila, na nag-udyok sa kanila na pumasok sa isang kemikal na reaksyon.
