Laser — laite ja toimintaperiaate

Normaali valon käyttäytyminen väliaineen läpi kulkiessaan

Normaalisti, kun valo kulkee väliaineen läpi, sen intensiteetti pienenee. Tämän vaimennuksen numeerinen arvo löytyy Bouguerin laista:

Tässä yhtälössä väliaineeseen saapuvien ja sieltä poistuvien valovoimakkuuksien I lisäksi on myös tekijä, jota kutsutaan väliaineen lineaariseksi valon absorptiokertoimeksi. Perinteisessä optiikassa tämä kerroin on aina positiivinen.

Negatiivinen valon absorptio

Entä jos absorptiokerroin jostain syystä on negatiivinen? Mitä sitten? Valo vahvistuu, kun se kulkee väliaineen läpi; itse asiassa väliaine osoittaa negatiivista absorptiota.

Edellytykset tällaisen kuvan tarkkailuun voidaan luoda keinotekoisesti. Neuvostoliiton fyysikko Valentin Aleksandrovich Fabrikant muotoili vuonna 1939 teoreettisen käsityksen ehdotetun ilmiön toteuttamisesta.

Analysoidessaan sen läpi kulkevaa hypoteettista valoa vahvistavaa väliainetta Fabrikant ehdotti valovahvistuksen periaatetta. Ja vuonna 1955Neuvostoliiton fyysikot Nikolai Genadievich Basov ja Alexander Mihailovich Prokhorov sovelsivat tätä Fabrikant-ideaa sähkömagneettisen spektrin radiotaajuusalueelle.

Harkitse negatiivisen absorption mahdollisuuden fyysistä puolta. Idealisoidussa muodossa atomien energiatasot voidaan esittää viivoina - ikään kuin kunkin tilan atomeilla olisi vain tiukasti määritellyt energiat E1 ja E2. Tämä tarkoittaa, että siirryttäessä tilasta tilaan atomi joko emittoi tai absorboi yksinomaan monokromaattista valoa, jonka aallonpituus on tarkasti määritelty.

Mutta todellisuus on kaukana ihanteesta, ja itse asiassa atomien energiatasoilla on tietty rajallinen leveys, eli ne eivät ole tarkkoja arvoja. Siksi tasojen välisten siirtymien aikana on myös tietty alue emittoituja tai absorboituneita taajuuksia dv, joka riippuu niiden energiatasojen leveydestä, joiden välillä siirtyminen tapahtuu. Arvoilla E1 ja E2 voidaan ilmaista vain atomin keskimmäisiä energiatasoja.

Joten koska oletimme, että E1 ja E2 ovat energiatasojen keskipisteitä, voimme tarkastella atomia näissä kahdessa tilassa. Olkoon E2>E1. Atomi voi joko absorboida tai lähettää sähkömagneettista säteilyä kulkiessaan näiden tasojen välillä. Oletetaan, että ollessaan perustilassa E1 atomi absorboi ulkoista säteilyä energialla E2-E1 ja siirtyi virittyneeseen tilaan E2 (sellaisen siirtymän todennäköisyys on verrannollinen Einsteinin kertoimeen B12).

Viritetyssä tilassa E2 atomi ulkoisen säteilyn vaikutuksesta energialla E2-E1 emittoi kvantin, jonka energia on E2-E1 ja joutuu siirtymään perustilaan energialla E1 (tällaisen siirtymän todennäköisyys on verrannollinen Einsteinin kerroin B21).

Jos yhdensuuntainen monokromaattisen säteilyn säde, jonka tilavuusspektritiheys w (v), kulkee aineen läpi, jonka kerroksen poikkileikkauspinta-ala ja paksuus dx on yksikköyksikköinen, sen intensiteetti muuttuu arvon verran:

Tässä n1 on atomien pitoisuus E1-tiloissa, n2 on atomien pitoisuus E2-tiloissa.

Korvaamalla yhtälön oikealla puolella olevat ehdot, olettaen, että B21 = B12, ja korvaamalla lausekkeen B21, saadaan yhtälö valon intensiteetin muutokselle kapeilla energiatasoilla:

Käytännössä, kuten edellä mainittiin, energiatasot eivät ole äärettömän kapeita, joten niiden leveys on otettava huomioon. Jotta artikkeli ei sotkeutuisi muunnosten kuvauksella ja joukolla kaavoja, huomaamme yksinkertaisesti, että syöttämällä taajuusalueen ja integroimalla sitten x:n yli, päädymme kaavaan keskiarvon todellisen absorptiokertoimen löytämiseksi:

Koska on selvää, että termodynaamisen tasapainon olosuhteissa alemman energiatilan E1 atomien pitoisuus n1 on aina suurempi kuin korkeamman tilan E2 atomien pitoisuus n2, negatiivinen absorptio on mahdotonta normaaleissa olosuhteissa, sitä on mahdotonta vahvistaa. valoa vain käymällä läpi todellisen ympäristön ilman ylimääräisiä toimenpiteitä...

Jotta negatiivinen absorptio olisi mahdollista, on tarpeen luoda olosuhteet, joissa atomien pitoisuus viritetyssä tilassa E2 väliaineessa on suurempi kuin atomien pitoisuus perustilassa E1, eli on tarpeen järjestää atomien käänteinen jakautuminen väliaineessa niiden energiatilojen mukaan.

Tarve pumpata ympäristöä energiaa

Käänteisen energiatasojoukon järjestämiseksi (aktiivisen väliaineen saamiseksi) käytetään pumppausta (esim. optista tai sähköistä). Optiseen pumppaukseen liittyy atomien niihin kohdistuvan säteilyn absorptio, jonka seurauksena nämä atomit siirtyvät virittyneeseen tilaan.

Sähköinen pumppaus kaasuväliaineessa sisältää atomien virittymisen joustamattomilla törmäyksillä kaasupurkauksen elektronien kanssa. Fabrikantin mukaan osa atomien matalaenergisista tiloista on eliminoitava molekyyliepäpuhtauksien avulla.

Aktiivista väliainetta on käytännössä mahdotonta saada optisella pumppauksella kaksitasoisessa väliaineessa, koska kvantitatiivisesti atomien siirtymät aikayksikköä kohti tilasta E1 tilaan E2 ja päinvastoin (!) ovat tässä tapauksessa ekvivalentteja, mikä tarkoittaa, että on turvauduttava vähintään kolmiportaiseen järjestelmään.

Harkitse kolmivaiheista pumppujärjestelmää. Anna ulkoisen säteilyn, jonka fotonienergia on E3-E1, vaikuttaa väliaineeseen samalla kun väliaineessa olevat atomit siirtyvät energian E1 tilasta energian E3 tilaan. E3-energiatilasta spontaanit siirtymät E2-tilaan ja E1-tilaan ovat mahdollisia. Käänteisen populaation saamiseksi (kun tietyssä väliaineessa on enemmän atomeja, joilla on E2-taso), on välttämätöntä tehdä E2-tasosta pidempi elinikäinen kuin E3. Tätä varten on tärkeää noudattaa seuraavia ehtoja:

Näiden ehtojen noudattaminen tarkoittaa, että E2-tilassa olevat atomit pysyvät pidempään, eli todennäköisyys spontaaneille siirtymille E3:sta E1:een ja E3:sta E2:een ylittää todennäköisyyden spontaaneille siirtymille E2:sta E1:een. Silloin E2-taso osoittautuu pidempään kestäväksi, ja tällaista tilaa E2-tasolla voidaan kutsua metastabiiliksi. Siksi, kun valo, jonka taajuus on v = (E3 - E1) / h, kulkee tällaisen aktiivisen väliaineen läpi, tämä valo vahvistuu. Vastaavasti voidaan käyttää nelitasoista järjestelmää, jolloin E3-taso on metastabiili.

Laser laite

Siten laser sisältää kolme pääkomponenttia: aktiivisen väliaineen (jossa luodaan atomien energiatasojen populaatioinversio), pumppausjärjestelmän (laite populaation inversion saamiseksi) ja optisen resonaattorin (joka vahvistaa säteilyä monta kertaa ja muodostaa lähdöstä suunnatun säteen). Aktiivinen väliaine voi olla kiinteä, nestemäinen, kaasu tai plasma.

Pumppaus tapahtuu jatkuvasti tai pulssitoimina. Jatkuvassa pumppauksessa väliaineen syöttöä rajoittaa väliaineen ylikuumeneminen ja tämän ylikuumenemisen seuraukset. Pulssipumppauksessa väliaineeseen palasittain syötettyä hyödyllistä energiaa saadaan enemmän kunkin yksittäisen pulssin suuren tehon ansiosta.

Erilaiset laserit - erilainen pumppaus

Solid-state-lasereita pumpataan säteilyttämällä työväliainetta voimakkailla kaasupurkaussalamahduksilla, fokusoidulla auringonvalolla tai muulla laserilla.Tämä on aina pulssipumppua, koska teho on niin suuri, että työtanko romahtaa jatkuvan toiminnan aikana.

Neste- ja kaasulaserit pumpataan sähköpurkauksella.Kemialliset laserit olettavat aktiivisessa väliaineessaan tapahtuvan kemiallisia reaktioita, joiden seurauksena käänteinen atomipopulaatio saadaan joko reaktiotuotteista tai erityisistä epäpuhtauksista, joilla on sopiva tasorakenne.

Puolijohdelasereita pumpataan eteenpäin suunnatulla virralla pn-liitoksen kautta tai elektronisuihkulla. Lisäksi on olemassa pumppausmenetelmiä, kuten fotodissosiaatio tai kaasudynaaminen menetelmä (kuumennettujen kaasujen äkillinen jäähdytys).

Optinen resonaattori - laserin sydän

Optinen resonaattori on peiliparin järjestelmä, yksinkertaisimmassa tapauksessa kaksi peiliä (kovera tai yhdensuuntainen), jotka on kiinnitetty vastakkain, ja niiden välissä yhteistä optista akselia pitkin on aktiivinen väliaine kiteen tai kiteen muodossa. kyvetti kaasulla. Kulmassa väliaineen läpi kulkevat fotonit jättävät sen sivulle, ja akselia pitkin liikkuvat, heijastuneena useita kertoja, vahvistuvat ja poistuvat läpikuultavan peilin läpi.

Tämä tuottaa lasersäteilyä - koherenttien fotonien säteen - tiukasti suunnatun säteen. Yhden valon kulun aikana peilien välillä vahvistuksen suuruuden on ylitettävä tietty kynnys - toisen peilin läpi menevän säteilyhäviön määrä (mitä paremmin peili läpäisee, sitä korkeampi tämän kynnyksen on oltava).

Jotta valon vahvistus tapahtuisi tehokkaasti, on välttämätöntä paitsi lisätä valon polkua aktiivisen väliaineen sisällä, myös varmistaa, että resonaattorista lähtevät aallot ovat vaiheessa keskenään, jolloin häiritsevät aallot antavat suurin mahdollinen amplitudi.

Tämän tavoitteen saavuttamiseksi on välttämätöntä, että jokainen resonaattorin aalto, joka palaa johonkin lähdepeilin pisteeseen ja yleensä missä tahansa aktiivisen väliaineen kohdassa, on vaiheessa primääriaallon kanssa mielivaltaisen määrän täydellisiä heijastuksia. . Tämä on mahdollista, kun aallon kulkema optinen polku kahden paluun välillä täyttää ehdon:

missä m on kokonaisluku, tässä tapauksessa vaihe-ero on 2P:n kerrannainen:

Nyt, koska jokainen aalto eroaa vaiheestaan ​​edellisestä 2pi:llä, tämä tarkoittaa, että kaikki resonaattorista lähtevät aallot ovat vaiheessa toistensa kanssa, mikä antaa suurimman amplitudihäiriön. Resonaattorin lähdössä on lähes monokromaattista rinnakkaista säteilyä.

Resonaattorin sisällä olevien peilien toiminta vahvistaa resonaattorin sisällä olevia seisovia aaltoja vastaavia moodeja; muut tilat (jotka johtuvat todellisten olosuhteiden erityispiirteistä) heikkenevät.

Rubiinilaser - ensimmäinen kiinteä tila

Amerikkalainen fyysikko Theodore Maiman rakensi ensimmäisen solid-state-laitteen vuonna 1960. Se oli rubiinilaser (rubiini - Al2O3, jossa osa hilakohdista - 0,5 prosentin sisällä - on korvattu kolminkertaisesti ionisoidulla kromilla; mitä enemmän kromia, sitä tummempi rubiinikiteen väri).

Ensimmäinen onnistunut toimiva laser, jonka suunnitteli tohtori Ted Mayman vuonna 1960.

Rubiinisylinteri, joka on valmistettu homogeenisimmasta kiteestä, jonka halkaisija on 4-20 mm ja pituus 30-200 mm, asetetaan kahden hopeakerroksisen peilin väliin, jotka on levitetty tämän huolellisesti kiillotettuihin päihin. sylinteri. Spiraalimainen kaasupurkauslamppu ympäröi sylinteriä sen koko pituudelta ja syötetään korkealla jännitteellä kondensaattorin kautta.

Kun lamppu sytytetään, rubiini säteilytetään voimakkaasti, kun taas kromiatomit siirtyvät tasolta 1 tasolle 3 (ne ovat tässä virittyneessä tilassa alle 10-7 sekuntia), tässä todennäköisimmin siirtyy taso 2 toteutuu – metastabiilille tasolle. Ylimääräinen energia siirtyy rubiinikidehilaan. Spontaanit siirtymät tasolta 3 tasolle 1 ovat merkityksettömiä.

Siirtyminen tasolta 2 tasolle 1 on valintasäännöillä kielletty, joten tämän tason kesto on noin 10-3 sekuntia, mikä on 10 000 kertaa pidempi kuin tasolla 3, minkä seurauksena atomit kerääntyvät rubiiniin, jolla on taso 2 — tämä on tason 2 käänteinen populaatio.

Spontaanien spontaanien siirtymien aikana syntyneet fotonit voivat aiheuttaa pakotettuja siirtymiä tasolta 2 tasolle 1 ja aiheuttaa sekundääristen fotonien lumivyöryn, mutta nämä spontaanit siirtymät ovat satunnaisia ​​ja niiden fotonit etenevät kaoottisesti jättäen enimmäkseen resonaattorin sen sivuseinän läpi.

Mutta ne fotonit, jotka osuvat akseliin, heijastuvat useaan otteeseen peileistä, aiheuttaen samanaikaisesti sekundääristen fotonien pakotetun emission, mikä taas provosoi stimuloidun emission ja niin edelleen. Nämä fotonit liikkuvat samanlaiseen suuntaan kuin ensisijaiset fotonit ja virta kiteen akselia pitkin kasvaa kuin lumivyöry.

Moninkertainen fotonivirta poistuu resonaattorin sivusta läpikuultavan peilin läpi tiukasti suunnatun valonsäteen muodossa, jonka intensiteetti on valtava. Rubiinilaser toimii aallonpituudella 694,3 nm, kun taas pulssiteho voi olla jopa 109 W

Neon laser heliumilla

Helium-neon (helium / neon = 10/1) laser on yksi suosituimmista kaasulasereista. Kaasuseoksen paine on noin 100 Pa.Neon toimii aktiivisena kaasuna, se tuottaa jatkuvassa tilassa fotoneja, joiden aallonpituus on 632,8 nm. Heliumin tehtävänä on luoda käänteinen populaatio yhdestä neonin ylemmistä energiatasoista. Tällaisen laserin spektrin leveys on noin 5 * 10-3 Hz Koherenssipituus 6 * 1011 m, koherenssiaika 2 * 103 ° C.

Kun helium-neon-laseria pumpataan, korkeajännitteinen sähköpurkaus indusoi heliumatomien siirtymisen metastabiiliin E2-tason virittyneeseen tilaan. Nämä heliumatomit törmäävät joustamattomasti E1-perustilassa olevien neonatomien kanssa siirtäen energiaansa. Neonin E4-tason energia on 0,05 eV korkeampi kuin heliumin E2-tason. Energian puutetta kompensoi atomitörmäysten kineettinen energia. Tämän seurauksena neonin E4-tasolla saadaan käänteinen populaatio suhteessa E3-tasoon.

Nykyaikaisten lasereiden tyypit

Aktiivisen väliaineen tilan mukaan laserit jaetaan: kiinteä, neste, kaasu, puolijohde ja myös kide. Pumppausmenetelmän mukaan ne voivat olla: optisia, kemiallisia, kaasupurkaus. Sukupolven luonteen mukaan laserit jaetaan: jatkuviin ja pulsseihin. Tämäntyyppiset laserit lähettävät säteilyä sähkömagneettisen spektrin näkyvällä alueella.

Optiset laserit ilmestyivät myöhemmin kuin muut. Ne pystyvät tuottamaan säteilyä lähi-infrapuna-alueella, tällainen säteily (jopa 8 mikronin aallonpituudella) soveltuu erittäin hyvin optiseen viestintään. Optiset laserit sisältävät kuidun, jonka ytimeen on lisätty useita sopivien harvinaisten maametallien ioneja.

Valonohjain, kuten muissakin lasereissa, asennetaan peiliparin väliin.Pumppausta varten kuituun syötetään lasersäteilyä vaaditulla aallonpituudella, jolloin harvinaisten maametallien ionit siirtyvät sen vaikutuksesta virittyneeseen tilaan. Palattuaan alhaisempaan energiatilaan nämä ionit lähettävät fotoneja, joiden aallonpituus on pidempi kuin aloittavalla laserilla.

Tällä tavalla kuitu toimii laservalon lähteenä. Sen taajuus riippuu lisättyjen harvinaisten maametallien tyypistä. Kuitu itsessään on valmistettu raskasmetallifluoridista, mikä johtaa tehokkaaseen lasersäteilyn tuottamiseen infrapuna-alueen taajuudella.

Röntgenlaserit ovat spektrin vastakkaisella puolella - ultravioletti- ja gamma-säteilyn välillä - nämä ovat suuruusluokkia, joiden aallonpituudet ovat 10-7 - 10-12 m. Tämän tyyppisillä lasereilla on suurin pulssin kirkkaus kaikista lasertyypeistä.

Ensimmäinen röntgenlaser valmistettiin vuonna 1985 Yhdysvalloissa, Livermoren laboratoriossa. Lawrence. Seleeni-ioneille generoitu laser, jonka aallonpituusalue on 18,2-26,3 nm, ja suurin kirkkaus osuu aallonpituusviivalle 20,63 nm. Nykyään alumiini-ioneilla on saavutettu lasersäteilyä, jonka aallonpituus on 4,6 nm.

Röntgenlaser syntyy pulsseilla, joiden kesto on 100 ps - 10 ns, mikä riippuu plasman muodostumisen kestosta.

Tosiasia on, että röntgenlaserin aktiivinen väliaine on erittäin ionisoitunut plasma, joka saadaan esimerkiksi kun ohut yttrium- ja seleenikalvo säteilytetään voimakkaalla laserilla näkyvässä tai infrapunaspektrissä.

Röntgenlaserin energia pulssissa saavuttaa 10 mJ, kun taas säteen kulmadivergentti on noin 10 milliradiaania. Pumpun tehon ja suoran säteilyn suhde on noin 0,00001.