Fiziğini Planck'ın radyasyon yasasına dayanan lazerin ilk prensibi 1917'de Einstein tarafından teorik olarak doğrulandı. Olasılık katsayılarını (Einstein katsayıları) kullanarak absorpsiyon, spontan ve uyarılmış elektromanyetik radyasyonu tanımladı.
Öncüler
Theodor Meiman, 694 nm dalga boyunda darbeli tutarlı radyasyon üreten bir flaş lambası ile sentetik yakutun optik pompalanmasına dayalı bir yakut lazerin çalışma prensibini gösteren ilk kişiydi.
1960'da İranlı bilim adamları Javan ve Bennett, 1:10 He ve Ne gazlarının karışımını kullanarak ilk gaz kuantum jeneratörünü yarattılar.
1962'de RN Hall, 850 nm dalga boyunda yayan ilk galyum arsenit (GaAs) diyot lazerini gösterdi. O yılın ilerleyen saatlerinde Nick Golonyak, ilk yarı iletken görünür ışık kuantum jeneratörünü geliştirdi.
Lazerlerin tasarımı ve çalışma prensibi
Her lazer sistemi yerleştirilmiş aktif bir ortamdan oluşur. Optik olarak paralel ve biri yarı saydam olan bir çift yüksek yansıtıcı ayna ve pompalanması için bir enerji kaynağı arasında. Amplifikasyon ortamı, içinden geçen bir ışık dalgasının amplitüdünü elektriksel veya optik pompalama ile uyarılmış emisyon yoluyla yükseltme özelliğine sahip bir katı, sıvı veya gaz olabilir. Bir çift ayna arasına, onlara yansıyan ışık her seferinde içinden geçecek ve önemli bir amplifikasyona ulaşarak yarı saydam bir aynaya nüfuz edecek şekilde bir madde yerleştirilir.
İki katmanlı ortamlar
Bir lazerin, atomları sadece iki enerji seviyesine sahip aktif bir ortamla çalışma prensibini ele alalım: uyarılmış E2 ve temel E1 . Atomlar herhangi bir pompalama mekanizması (optik, elektrik boşalması, akım iletimi veya elektron bombardımanı) tarafından E2 durumuna uyarılırsa, birkaç nanosaniye sonra fotonlar yayarak yer konumuna geri dönerler. enerji hν=E 2 - E1. Einstein'ın teorisine göre, emisyon iki farklı şekilde üretilir: ya bir foton tarafından indüklenir ya da kendiliğinden gerçekleşir. İlk durumda, uyarılmış emisyon ve ikinci durumda, kendiliğinden emisyon gerçekleşir. Termal dengede, uyarılmış emisyon olasılığı kendiliğinden emisyondan (1:1033) çok daha düşüktür, bu nedenle çoğu geleneksel ışık kaynağı tutarsızdır ve termal dışındaki koşullarda lazer üretimi mümkündür. denge.
Çok güçlü olsa bilepompalama, iki seviyeli sistemlerin popülasyonu ancak eşit hale getirilebilir. Bu nedenle, optik veya diğer pompalama yöntemleriyle popülasyon ters çevrilmesini sağlamak için üç veya dört seviyeli sistemler gereklidir.
Çok seviyeli sistemler
Üç seviyeli lazerin prensibi nedir? ν02 frekanslı yoğun ışıkla ışınlama, çok sayıda atomu en düşük enerji seviyesinden E0 en yüksek enerji seviyesine E pompalar 2. Atomların E2'dan E1'a ışımasız geçişi, E1 ve E arasında bir popülasyon inversiyonu kurar 0 , pratikte sadece atomlar uzun süre yarı kararlı durumdayken mümkün olan E1, ve E2'den geçişto E 1 hızlı gidiyor. Üç seviyeli bir lazerin çalışma prensibi, E0 ve E1 arasında bir popülasyon inversiyonunun elde edilmesi ve fotonlar nedeniyle bu koşulları yerine getirmektir. enerji E 1-E0 indüklenen emisyon tarafından yükseltilir. Daha geniş bir E2 seviyesi, daha verimli pompalama için dalga boyu absorpsiyon aralığını artırabilir ve bu da uyarılmış emisyonda bir artışa neden olabilir.
Üç seviyeli sistem çok yüksek pompa gücü gerektirir, çünkü üretimde yer alan alt seviye temeldir. Bu durumda, popülasyon inversiyonunun gerçekleşmesi için toplam atom sayısının yarısından fazlasının E1 durumuna pompalanması gerekir. Bunu yaparken, enerji boşa harcanır. Pompalama gücü önemli ölçüdeen az dört seviyeli bir sistem gerektiren alt nesil seviyesi temel seviye değilse az altın.
Etkin maddenin doğasına bağlı olarak lazerler katı, sıvı ve gaz olmak üzere üç ana kategoriye ayrılır. Bir yakut kristalinde lazerin ilk kez gözlemlendiği 1958 yılından bu yana, bilim adamları ve araştırmacılar her kategoride çok çeşitli materyaller üzerinde çalıştılar.
Katı Hal Lazeri
Çalışma prensibi, yalıtkan kristal kafese (Ti+3, Cr) bir geçiş grubu metali eklenerek oluşturulan aktif bir ortamın kullanımına dayanmaktadır. +3, V+2, С+2, Ni+2, Fe +2, vb.), nadir toprak iyonları (Ce+3, Pr+3, Nd +3, Pm+3, Sm+2, Eu +2, +3 , Tb+3, Dy+3, Ho+3 , Er +3, Yb+3, vb.) ve U+3 gibi aktinitler. İyonların enerji seviyeleri sadece üretimden sorumludur. Termal iletkenlik ve termal genleşme gibi temel malzemenin fiziksel özellikleri, verimli lazer çalışması için gereklidir. Kafes atomlarının katkılı bir iyon etrafındaki düzeni, enerji seviyelerini değiştirir. Aktif ortamda farklı dalga boyları, aynı iyonla farklı malzemeler doping edilerek elde edilir.
Holmium lazer
Katı hal lazerine bir örnek, holmiyumun kristal kafesin temel maddesinin bir atomunun yerini aldığı bir kuantum jeneratörüdür. Ho:YAG en iyi nesil malzemelerden biridir. Bir holmiyum lazerin çalışma prensibi, itriyum alüminyum granatın holmiyum iyonları ile katkılanması, bir flaş lambası ile optik olarak pompalanması ve dokular tarafından iyi emilen IR aralığında 2097 nm dalga boyunda yaymasıdır. Bu lazer eklem ameliyatlarında, diş tedavisinde, kanser hücrelerinin, böbrek ve safra taşlarının buharlaştırılmasında kullanılır.
Yarı iletken kuantum üreteci
Kuantum kuyulu lazerler ucuzdur, seri üretilebilir ve kolayca ölçeklenebilir. Yarı iletken lazerin çalışma prensibi, LED'lere benzer şekilde pozitif bir önyargıda taşıyıcı rekombinasyonu ile belirli bir dalga boyunda ışık üreten bir p-n bağlantı diyotunun kullanımına dayanmaktadır. LED kendiliğinden yayar ve lazer diyotları - zorlanır. Popülasyon ters çevirme koşulunu yerine getirmek için çalışma akımı eşik değerini aşmalıdır. Yarı iletken diyottaki aktif ortam, iki boyutlu iki katmanın bağlantı bölgesi formuna sahiptir.
Bu tip lazerin çalışma prensibi, salınımları sürdürmek için herhangi bir dış ayna gerekmeyecek şekildedir. Katmanların kırılma indisinin yarattığı yansıtma ve aktif ortamın iç yansıması bu amaç için yeterlidir. Diyotların uç yüzeyleri yontulmuş, bu da yansıtıcı yüzeylerin paralel olmasını sağlıyor.
Aynı tür yarı iletken malzemelerin oluşturduğu bağlantıya homojonksiyon, iki farklı malzemenin bağlantısıyla oluşturulan bağlantıya denir.heteroeklem.
Yüksek taşıyıcı yoğunluğuna sahip P- ve n-tipi yarı iletkenler, çok ince (≈1 µm) bir tükenme katmanı ile bir p-n bağlantısı oluşturur.
Gaz lazer
Bu lazer türünün çalışma prensibi ve kullanımı, hemen hemen her güçte (miliwatt'tan megawatt'a kadar) ve dalga boylarında (UV'den IR'ye) cihazlar oluşturmanıza ve darbeli ve sürekli modlarda çalışmanıza olanak tanır.. Aktif ortamın doğasına bağlı olarak atomik, iyonik ve moleküler olmak üzere üç tür gaz kuantum üreteci vardır.
Çoğu gaz lazeri bir elektrik boşalmasıyla pompalanır. Deşarj tüpündeki elektronlar, elektrotlar arasındaki elektrik alanı tarafından hızlandırılır. Aktif ortamın atomları, iyonları veya molekülleri ile çarpışırlar ve popülasyonun tersine çevrilmesi ve uyarılmış emisyon durumu elde etmek için daha yüksek enerji seviyelerine geçişi indüklerler.
Moleküler Lazer
Bir lazerin çalışma prensibi, izole atomlar ve iyonların aksine, atomik ve iyon kuantum jeneratörlerindeki moleküllerin ayrık enerji seviyelerinde geniş enerji bantlarına sahip olduğu gerçeğine dayanır. Ayrıca, her elektronik enerji seviyesinin çok sayıda titreşim seviyesi vardır ve bunların sırayla birkaç dönme seviyesi vardır.
Elektronik enerji seviyeleri arasındaki enerji, spektrumun UV ve görünür bölgelerindeyken, titreşimsel-dönme seviyeleri arasında - uzak ve yakın IR'dealanlar. Bu nedenle, çoğu moleküler kuantum üreteci uzak veya yakın kızılötesi bölgelerde çalışır.
Excimer lazerler
Eksimerler, ArF, KrF, XeCl gibi ayrı bir temel duruma sahip ve birinci seviyede kararlı olan moleküllerdir. Lazerin çalışma prensibi aşağıdaki gibidir. Kural olarak, temel haldeki moleküllerin sayısı azdır, dolayısıyla temel halden doğrudan pompalama mümkün değildir. Moleküller, yüksek enerjili halojenürlerin soy gazlarla birleştirilmesiyle ilk uyarılmış elektronik durumda oluşturulur. İnversiyon popülasyonu, uyarılmış olana kıyasla baz seviyesindeki moleküllerin sayısı çok az olduğu için kolaylıkla elde edilir. Kısacası, bir lazerin çalışma prensibi, bağlı bir uyarılmış elektronik durumdan ayrışabilir bir temel duruma geçiştir. Temel durumdaki popülasyon her zaman düşük bir seviyede kalır, çünkü bu noktada moleküller atomlara ayrışır.
Lazerlerin cihazı ve çalışma prensibi, deşarj tüpünün bir halojenür (F2) ve nadir toprak gazı (Ar) karışımı ile doldurulmasıdır. İçindeki elektronlar, halojenür moleküllerini ayrıştırır ve iyonize eder ve negatif yüklü iyonlar oluşturur. Pozitif iyonlar Ar+ ve negatif F- reaksiyona girer ve ilk uyarılmış bağlı durumda ArF molekülleri üretir ve ardından itici baz durumuna geçişleri ve tutarlı radyasyon Çalışma prensibini ve uygulamasını şu anda düşündüğümüz excimer lazer, pompalamak için kullanılabilir.boyalar üzerinde aktif ortam.
Sıvı Lazer
Katılarla karşılaştırıldığında, sıvılar daha homojendir ve gazlardan daha yüksek aktif atom yoğunluğuna sahiptir. Buna ek olarak, üretimi kolaydır, kolay ısı dağılımına izin verir ve kolayca değiştirilebilir. Lazerin çalışma prensibi, DCM (4-disyanometilen-2-metil-6-p-dimetilaminostiril-4H-piran), rodamin, stiril, LDS, kumarin, stilben gibi aktif ortam olarak organik boyaları kullanmaktır…, uygun bir çözücü içinde çözülmüştür. Boya moleküllerinin bir çözeltisi, dalga boyu iyi bir absorpsiyon katsayısına sahip olan radyasyon tarafından uyarılır. Lazerin çalışma prensibi kısaca floresan denilen daha uzun bir dalga boyunda üretmektir. Soğurulan enerji ile yayılan fotonlar arasındaki fark, ışınımsız enerji geçişleri tarafından kullanılır ve sistemi ısıtır.
Sıvı kuantum jeneratörlerinin daha geniş floresan bandının benzersiz bir özelliği vardır - dalga boyu ayarlama. Ayarlanabilir ve uyumlu bir ışık kaynağı olarak bu tip lazerin çalışma prensibi ve kullanımı, spektroskopi, holografi ve biyomedikal uygulamalarda giderek daha önemli hale geliyor.
Son zamanlarda, izotop ayrımı için boya kuantum jeneratörleri kullanıldı. Bu durumda, lazer bunlardan birini seçici olarak uyararak kimyasal reaksiyona girmelerini sağlar.
