หลักการของการดำเนินการเลเซอร์: คุณสมบัติของรังสีเลเซอร์

หลักการแรกของการดำเนินการของเลเซอร์ซึ่งจะขึ้นอยู่กับฟิสิกส์ของกฎหมายรังสีของพลังค์ในทฤษฎีไอน์สไตในปี 1917 ได้รับการพิสูจน์ เขาอธิบายการดูดซึม, ธรรมชาติและกระตุ้นรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าโดยใช้ค่าสัมประสิทธิ์ความน่าจะเป็น (ค่าสัมประสิทธิ์ Einstein)

Trailblazers

ทิโอดอร์เม์์มนเป็นคนแรกที่แสดงให้เห็นถึงหลักการของการดำเนินการ ของเลเซอร์ทับทิม อยู่บนพื้นฐานของการสูบน้ำโดยใช้แสงไฟแฟลชทับทิมสังเคราะห์สร้างรังสีเชื่อมโยงกันที่มีความยาวคลื่น 694 นาโนเมตร

ในปี 1960 นักวิทยาศาสตร์ชาวอิหร่านชาวเกาะชวาและเบนเน็ตต์สร้างเลเซอร์ก๊าซครั้งแรกที่ใช้ผสมของเขาและ Ne ก๊าซในอัตราส่วน 1:10

ในปี 1962 อาร์เอ็นฮอลล์ทำให้เป็นครั้งแรก เลเซอร์ไดโอด ทำจากแกลเลียม arsenide (GaAs) เปล่งแสงที่ความยาวคลื่น 850 นาโนเมตร หลังจากนั้นในปีเดียวกันนิค Golonyak พัฒนาเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเซมิคอนดักเตอร์ควอนตัมแรกของแสงที่มองเห็น

อุปกรณ์และหลักการของเลเซอร์

ระบบเลเซอร์แต่ละรวมถึงสื่อที่ใช้งานวางสายตาระหว่างคู่ขนานและกระจกสะท้อนให้เห็นถึงสูงซึ่งหนึ่งในนั้นคือโปร่งแสงและแหล่งพลังงานสำหรับการสูบน้ำ เป็นสื่อกลางในกำไรสามารถทำหน้าที่เป็นของแข็งของเหลวหรือก๊าซที่มีความสามารถในการขยายความกว้างของคลื่นแสงที่ผ่านมันภายในด้วยไฟฟ้าหรือแสงรังสีสูบน้ำ สารที่วางอยู่ระหว่างคู่ของกระจกเพื่อให้แสงที่สะท้อนมาที่พวกเขาในแต่ละครั้งที่ผ่านมันและมีถึงการเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญแทรกซึมกระจกครึ่ง

สภาพแวดล้อมเพล็กซ์

พิจารณาหลักการของการดำเนินการเลเซอร์ที่มีขนาดกลางใช้งานที่มีอะตอมมีเพียงสองระดับพลังงาน: E ตื่นเต้น E ₂ และฐาน ₁ หากอะตอมผ่านกลไกการสูบน้ำใด ๆ (แสงกระแสไฟฟ้าปล่อยหรือการส่งผ่านอิเล็กตรอนโจมตี) ที่มีความตื่นเต้นที่จะเป็นรัฐ E _{2 ในอีกไม่กี่นาโนวินาทีที่พวกเขากลับไปยังตำแหน่งพื้นฐานแผ่พลังงานโฟตอนhν} = E ₂ - E ₁ ตามทฤษฎีของ Einstein, การปล่อยก๊าซที่ผลิตในสองวิธีที่แตกต่างกันอย่างใดอย่างหนึ่งมันจะเกิดจากโฟตอนหรือมันเกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ ในกรณีที่อดีตกระตุ้นการปล่อยก๊าซที่เกิดขึ้นและที่สอง - ที่เกิดขึ้นเอง ที่ สมดุลความร้อน, น่าจะเป็นของการปล่อยกระตุ้นมากต่ำกว่าที่เกิดขึ้นเอง (1:10 ³³⁾ เพื่อให้การชุมนุมมากที่สุดแหล่งกำเนิดแสงที่ไม่ต่อเนื่องกันและ lasing เป็นไปได้ในเงื่อนไขอื่น ๆ กว่าสมดุลความร้อน

ถึงแม้จะมีการสูบน้ำที่แข็งแกร่งมากระบบประชากรระดับสามารถทำได้เท่ากัน ดังนั้นเพื่อให้เกิดการผกผันของประชากรหรือวิธีการอื่น ๆ แสงสูบน้ำต้องใช้ระบบสามหรือสี่ระดับ

ระบบหลายระดับ

หลักการของเลเซอร์สามระดับคืออะไร? รังสีของแสงที่รุนแรงความถี่ν ₀₂ ปั๊มขึ้นเป็นจำนวนมากของอะตอมจากพลังงานต่ำสุดที่ระดับ ₀ E และ E ₂ จากด้านบน การเปลี่ยนแปลง Radiationless กับอะตอมอี ₂ E ₁ กำหนดผกผันประชากรระหว่าง E ₁ และ E _{0 ซึ่งในทางปฏิบัติเป็นไปได้เฉพาะเมื่ออะตอมเป็นเวลานานในรัฐ} metastable E _{1 และการเปลี่ยนแปลงจาก} E ₁ ถึง E ₂ เกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว หลักการการดำเนินงานของเลเซอร์สามระดับคือในเงื่อนไขเหล่านี้เพื่อให้ระหว่าง E ₀ และ ₁ E _{ประชากรผกผันจะประสบความสำเร็จและมีการขยายโฟตอนพลังงาน} E ₁ -E ₀ กระตุ้นการปล่อยก๊าซ ระดับที่กว้างขึ้น E ₂ สามารถเพิ่มการดูดซึมช่วงความยาวคลื่นที่จะปั๊มได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นส่งผลในการเจริญเติบโตของการปล่อยกระตุ้น

ระบบสามระดับต้องใช้พลังงานสูงมากสูบน้ำตั้งแต่ระดับที่ต่ำกว่า, มีส่วนร่วมในการผลิตก็เป็นฐาน ในกรณีนี้เพื่อที่จะผกผันประชากรเกิดขึ้นกับรัฐ E ₁ ที่จะสูบมากกว่าครึ่งหนึ่งของจำนวนเสียงทั้งหมดของอะตอม ในกรณีนี้พลังงานที่จะสูญเสีย อำนาจปั๊มจะลดลงอย่างมากถ้าระดับต่ำ lasing ไม่ได้เป็นฐานซึ่งจะต้องมีอย่างน้อยระบบสี่ระดับ

ขึ้นอยู่กับลักษณะของสารที่ใช้งาน, เลเซอร์จะถูกแบ่งออกเป็นสามประเภทพื้นฐานคือของแข็งของเหลวและก๊าซ ตั้งแต่ปี 1958 เมื่อรุ่นแรกพบว่าในผลึกทับทิมนักวิทยาศาสตร์และนักวิจัยได้ศึกษาความหลากหลายของวัสดุในแต่ละหมวดหมู่

เลเซอร์ของรัฐที่มั่นคง

การดำเนินการจะขึ้นอยู่กับการใช้งานของสื่อที่ใช้งานซึ่งจะเกิดขึ้นโดยการเพิ่มฉนวนผลึกตาข่ายโลหะทรานซิ (Ti ^3, Cr ^3, V ^{2 ร่วม 2,} Ni ^2, Fe ^{2 และอื่น} ๆ . D. ) ไอออนแผ่นดินที่หายาก (CE ^3, Pr ^3, Nd ⁺³ Pm ^3, เอสเอ็ม ^2, EU ^{+ 2 + 3 วัณโรค +3} Dy ^{3 โฮ +3} Er ⁺³ Yb ³ , et al.) และแอกทิไนด์เช่น U ³ ระดับพลังงานของ ไอออนที่รับผิดชอบเฉพาะสำหรับรุ่น คุณสมบัติทางกายภาพของวัสดุพื้นฐานเช่นการนำความร้อนและ การขยายตัวของความร้อนที่ มีความสำคัญต่อการดำเนินงานที่มีประสิทธิภาพของเลเซอร์ ตาข่ายสถานที่ตั้งของอะตอมรอบไอออนเจือเปลี่ยนแปลงระดับพลังงานของมัน ความยาวที่แตกต่างกันของคนรุ่นคลื่นในสื่อที่ใช้งานจะประสบความสำเร็จโดยการเติมวัสดุต่างๆในไอออนเดียวกัน

เลเซอร์โฮลเมียม

ตัวอย่างของเลเซอร์ของรัฐที่มั่นคงเป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าควอนตัมนั้นโฮลเมียมอะตอมแทนที่วัสดุฐานของผลึกตาข่าย โฮ: YAG เป็นหนึ่งในวัสดุ lasing ที่ดีที่สุด หลักการการดำเนินงานของเลเซอร์โฮลเมียมคือว่าโกเมนอลูมิเนียมอิตเทรียมเจือด้วยไอออนโฮลเมียมสูบสายตาโดยโคมไฟแฟลชและส่งเสียงที่ความยาวคลื่น 2097 นาโนเมตรในช่วงอินฟราเรดถูกดูดซึมได้ดีจากเนื้อเยื่อ ใช้เลเซอร์สำหรับการดำเนินการในข้อต่อการรักษาทางทันตกรรมที่จะกลายเป็นไอเซลล์มะเร็งไตและโรคนิ่ว

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเซมิคอนดักเตอร์ควอนตัม

เลเซอร์ดีควอนตัมมีราคาไม่แพงช่วยให้การผลิตมวลและสามารถปรับขนาดได้อย่างง่ายดาย หลักการดำเนินงานของ เซมิคอนดักเตอร์เลเซอร์ ขึ้นอยู่กับการใช้งานของทางแยก PN-ไดโอดซึ่งเป็นผู้ผลิตแสงของความยาวคลื่นบางอย่างโดยการรวมตัวกันของผู้ให้บริการที่มีอคติในเชิงบวกเช่นไฟ LED LED ปล่อยตามธรรมชาติและเลเซอร์ไดโอด - จูงใจ เพื่อตอบสนองประชากรสภาพผกผันในปัจจุบันการดำเนินงานควรเกินเกณฑ์ สื่อที่ใช้งานอยู่ในไดโอดสารกึ่งตัวนำที่มีมุมมองของพื้นที่เชื่อมต่อของชั้นสองมิติ

หลักการของการดำเนินงานของเลเซอร์ชนิดนี้เป็นที่ที่จะรักษาความแนบแน่นไม่มีกระจกภายนอกจะต้อง ความสามารถในการสะท้อนแสงที่สร้างขึ้นเนื่องจาก การดรรชนีหักเห ชั้นและการสะท้อนกลับของกลางที่ใช้งานอยู่ก็เพียงพอแล้วสำหรับวัตถุประสงค์นี้ พื้นผิวปลายแล่งไดโอดที่ให้พื้นผิวที่สะท้อนให้เห็นถึงขนาน

สารประกอบที่เกิดขึ้นจากวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ของชนิดเดียวกันที่เรียกว่า homojunction เป็นที่จัดตั้งขึ้นโดยการเชื่อมต่อทั้งสองแตกต่างกัน - เฮเทอโร

อุปกรณ์กึ่งตัวนำของพีแอนด์เอ็นชนิดที่มีความหนาแน่นสูงของผู้ให้บริการในรูปแบบ P-n-สนธิกับบางมาก (≈1มิลลิเมตร) ชั้นหมด

เลเซอร์ก๊าซ

หลักการของการดำเนินงานและการใช้เลเซอร์ชนิดนี้จะทำให้มันเป็นไปได้ในการสร้างอุปกรณ์ของจริงความสามารถใด ๆ (จากมิลลิวัตต์เพื่อเมกะวัตต์) และความยาวคลื่น (จากรังสีอัลตราไวโอเลตที่จะอินฟราเรด) และสามารถทำงานในโหมดชีพจรและต่อเนื่อง ขึ้นอยู่กับลักษณะของสื่อที่ใช้งานอยู่มีสามชนิดของเลเซอร์ก๊าซคืออะตอมโมเลกุลและอิออน

ส่วนใหญ่เลเซอร์ก๊าซสูบโดยปล่อยไฟฟ้า อิเล็กตรอนในหลอดปล่อยถูกเร่งโดยสนามไฟฟ้าระหว่างขั้วไฟฟ้า พวกเขาชนกับอะตอมไอออนหรือโมเลกุลของสื่อที่ใช้งานและก่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงไปในระดับพลังงานที่สูงขึ้นเพื่อให้บรรลุสถานะของการผกผันของประชากรและการกระตุ้นการปล่อยก๊าซเรือนกระจก

เลเซอร์โมเลกุล

หลักการของการดำเนินการเลเซอร์จะขึ้นอยู่กับความจริงที่ว่าแตกต่างจากอะตอมโดดเดี่ยวและไอออนอะตอมและโมเลกุลไอออนเลเซอร์มีวงดนตรีพลังงานในวงกว้างของระดับพลังงานที่ไม่ต่อเนื่อง นอกจากนี้ในแต่ละระดับพลังงานของอิเล็กตรอนมีจำนวนมากของระดับการสั่นและผู้ที่อยู่ในการเปิด - ไม่กี่หมุน

พลังงานระหว่างระดับพลังงานของอิเล็กตรอนที่อยู่ในยูวีและมองเห็นภูมิภาคของสเปกตรัมในขณะที่ระหว่างระดับการสั่น-หมุน - ในภูมิภาคอินฟราเรดไกลและใกล้ ดังนั้นส่วนใหญ่ของเลเซอร์โมเลกุลที่ทำงานในภูมิภาคที่ห่างไกลหรือใกล้อินฟราเรด

เลเซอร์ excimer

Excimers มีโมเลกุลเช่น ArF, KrF, XeCl ซึ่งจะแบ่งออกสภาพพื้นดินที่มีเสถียรภาพและในระดับแรก หลักการของการดำเนินงานของเลเซอร์ถัดไป โดยปกติจำนวนในสภาพพื้นดินของโมเลกุลที่มีขนาดเล็กเพื่อสูบน้ำโดยตรงจากสภาพพื้นดินเป็นไปไม่ได้ โมเลกุลที่เกิดขึ้นเป็นครั้งแรกในรัฐอิเล็กทรอนิกส์ตื่นเต้นโดยสารประกอบที่มีไลด์พลังงานสูงด้วยก๊าซเฉื่อย ประชากรผกผันจะประสบความสำเร็จได้อย่างง่ายดายเนื่องจากจำนวนของโมเลกุลในระดับพื้นฐานอยู่ในระดับต่ำเกินไปเมื่อเทียบกับความตื่นเต้น หลักการของการดำเนินการเลเซอร์ในระยะสั้นคือการเปลี่ยนจากรัฐอิเล็กทรอนิกส์ผูกพันตื่นเต้นกับสภาพพื้นดินทิฟ ประชากรของสภาพพื้นดินอยู่เสมอในระดับต่ำเพราะที่จุดนี้โมเลกุลแยกตัวออกเป็นอะตอม

หลักการเครื่องมือและเลเซอร์ประกอบด้วยในการที่หลอดปล่อยเต็มไปด้วยส่วนผสมของลิด (F ₂₎ และก๊าซธรรมชาติที่หายาก (AR) อิเล็กตรอนในนั้นแยกตัวออกและอิออนโมเลกุลลิดและสร้างประจุลบ ประจุบวก Ar ⁺ และลบ F ^- ตอบสนองและการผลิตโมเลกุล ArF ในรัฐแรกตื่นเต้นที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงที่ตามมากับการต้านทานรัฐฐานและรุ่นของรังสีที่สอดคล้องกัน เลเซอร์ Excimer หลักการของการดำเนินการและการใช้ของที่เรากำลังพิจารณาที่จะนำมาใช้สำหรับการสูบน้ำของกลางที่ใช้งานของสีย้อม

เลเซอร์ของเหลว

เมื่อเทียบกับของแข็งของเหลวเป็นเนื้อเดียวกันมากขึ้นและมีความหนาแน่นสูงของอะตอมที่ใช้งานในการเปรียบเทียบกับก๊าซ นอกจากนี้พวกเขาไม่ได้เป็นเรื่องยากที่จะผลิตให้กระจายความร้อนได้ง่ายและสามารถเปลี่ยนได้อย่างง่ายดาย หลักการของการดำเนินการของเลเซอร์ที่ใช้เป็นสื่อกลางในกำไรจากการย้อมอินทรีย์เช่น DCM (4 dicyanomethylene-2-methyl-6-p- dimethylaminostyryl-4H-pyran) rhodamine, styryl, โบถส์ coumarin, stilbene และไม่ชอบ. D . ละลายในตัวทำละลายที่เหมาะสม วิธีการแก้ปัญหาของโมเลกุลของสีย้อมรู้สึกตื่นเต้นโดยการฉายรังสีที่มีความยาวคลื่นที่มีค่าสัมประสิทธิ์การดูดซึมที่ดี หลักการของการดำเนินการเลเซอร์ในระยะสั้นคือการสร้างที่ความยาวคลื่นที่เรียกว่าการเรืองแสง ความแตกต่างระหว่างพลังงานที่ดูดซับและโฟตอนที่ปล่อยออกมาใช้ในการเปลี่ยนพลังงานความร้อนและ nonradiative ระบบ

ที่กว้างวงเรืองแสงเลเซอร์ของเหลวมีคุณสมบัติที่ไม่ซ้ำกัน - การปรับแต่งความยาวคลื่น หลักการของการดำเนินงานและการใช้งานประเภทนี้เป็นเลเซอร์พริ้งและแหล่งกำเนิดแสงที่สอดคล้องกันที่จะทวีความสำคัญมากขึ้นในสเปกโทรสโก, ภาพสามมิติและในการใช้งานทางการแพทย์

เมื่อเร็ว ๆ นี้ได้รับการเลเซอร์ที่ใช้ในการย้อมสำหรับการแยกไอโซโทป ในกรณีนี้เลเซอร์คัดเลือกตื่นเต้นหนึ่งของพวกเขาเริ่มต้นกระตุ้นปฏิกิริยาทางเคมี