ლაზერის პირველი პრინციპი, რომლის ფიზიკა დაფუძნებული იყო პლანკის რადიაციის კანონზე, თეორიულად დაასაბუთა აინშტაინმა 1917 წელს. მან აღწერა აბსორბცია, სპონტანური და სტიმულირებული ელექტრომაგნიტური გამოსხივება ალბათობის კოეფიციენტების გამოყენებით (აინშტაინის კოეფიციენტები).
პიონერები
თეოდორ მეიმანმა პირველმა აჩვენა ლაზერის მოქმედების პრინციპი, რომელიც დაფუძნებულია სინთეზური ლალის ოპტიკურ ამოტუმბვაზე ფლეშ ნათურით, რომელიც წარმოქმნიდა პულსირებულ თანმიმდევრულ გამოსხივებას 694 ნმ ტალღის სიგრძით.
1960 წელს ირანელმა მეცნიერებმა ჯავანმა და ბენეტმა შექმნეს პირველი გაზის კვანტური გენერატორი ჰე და ნე გაზების 1:10 ნარევის გამოყენებით.
1962 წელს RN Hall-მა აჩვენა პირველი გალიუმის არსენიდის (GaAs) დიოდური ლაზერი, რომელიც ასხივებდა 850 ნმ ტალღის სიგრძეზე. იმავე წლის მოგვიანებით, ნიკ გოლონიაკმა შექმნა პირველი ნახევარგამტარული ხილული სინათლის კვანტური გენერატორი.
ლაზერების დიზაინი და მუშაობის პრინციპი
თითოეული ლაზერული სისტემა შედგება მოთავსებული აქტიური საშუალებისგანწყვილ ოპტიკურად პარალელურ და მაღალ ამრეკლავ სარკეს შორის, რომელთაგან ერთი გამჭვირვალეა და ენერგიის წყაროს მისი ამოტუმბვისთვის. გამაძლიერებელი საშუალება შეიძლება იყოს მყარი, თხევადი ან აირი, რომელსაც აქვს მასში გამავალი სინათლის ტალღის ამპლიტუდა ელექტრული ან ოპტიკური ტუმბოებით სტიმულირებული გამოსხივების გაძლიერების თვისება. ნივთიერება მოთავსებულია წყვილ სარკეს შორის ისე, რომ მათში ასახული სინათლე ყოველ ჯერზე გაივლის მასში და მნიშვნელოვანი გაძლიერების შემდეგ აღწევს გამჭვირვალე სარკეში.
ორსაფეხურიანი გარემო
მოდით განვიხილოთ ლაზერის მოქმედების პრინციპი აქტიური გარემოთი, რომლის ატომებს აქვთ მხოლოდ ორი ენერგეტიკული დონე: აღგზნებული E2 და ძირითადი E1. . თუ ატომები აღგზნებულია E2 მდგომარეობამდე ნებისმიერი სატუმბი მექანიზმით (ოპტიკური, ელექტრული განმუხტვა, დენის გადაცემა ან ელექტრონული დაბომბვა), მაშინ რამდენიმე ნანოწამის შემდეგ ისინი დაუბრუნდებიან მიწის პოზიციას, გამოყოფენ ფოტონებს. ენერგიის hν=E 2 - E1. აინშტაინის თეორიის მიხედვით, ემისია წარმოიქმნება ორი განსხვავებული გზით: ან გამოწვეულია ფოტონით, ან ხდება სპონტანურად. პირველ შემთხვევაში ხდება სტიმულირებული ემისია, ხოლო მეორეში სპონტანური ემისია. თერმული წონასწორობის დროს სტიმულირებული ემისიის ალბათობა გაცილებით დაბალია, ვიდრე სპონტანური ემისია (1:1033), ამიტომ ჩვეულებრივი სინათლის წყაროების უმეტესობა არათანმიმდევრულია და ლაზერის გამომუშავება შესაძლებელია თერმულის გარდა სხვა პირობებში. წონასწორობა.
თუნდაც ძალიან ძლიერისატუმბი, ორ დონის სისტემების პოპულაცია მხოლოდ თანაბარია. აქედან გამომდინარე, სამი ან ოთხი დონის სისტემებია საჭირო მოსახლეობის ინვერსიის მისაღწევად ოპტიკური ან სხვა სატუმბი მეთოდებით.
მრავალსაფეხურიანი სისტემები
რა არის სამ დონის ლაზერის პრინციპი? სიხშირის ინტენსიური შუქით დასხივება N02 ტუმბოს ატომების დიდ რაოდენობას ყველაზე დაბალი ენერგეტიკული დონიდან E0 უმაღლეს ენერგეტიკულ დონემდე E. 2. ატომების არარადიაციული გადასვლა E2-დან E1-ზე ადგენს პოპულაციის ინვერსიას E1 და E შორის. 0 , რაც პრაქტიკაში შესაძლებელია მხოლოდ მაშინ, როდესაც ატომები არიან მეტასტაბილურ მდგომარეობაში დიდი ხნის განმავლობაში E1, და გადასვლის E2 -მდე E 1-მდე სწრაფად მიმდინარეობს. სამდონიანი ლაზერის მოქმედების პრინციპია ამ პირობების შესრულება, რის გამოც E0 და E1 შორის მიიღწევა პოპულაციის ინვერსია და ფოტონები. გაძლიერებულია ენერგიით E 1-E0 გამოწვეული ემისია. E2-ის უფრო ფართო დონემ შეიძლება გაზარდოს ტალღის სიგრძის შთანთქმის დიაპაზონი უფრო ეფექტური ტუმბოსთვის, რაც გამოიწვევს სტიმულირებული ემისიის ზრდას.
სამ დონის სისტემა მოითხოვს ტუმბოს ძალიან მაღალ სიმძლავრეს, ვინაიდან გენერირებაში ჩართული ქვედა დონე არის საბაზისო. ამ შემთხვევაში, იმისათვის, რომ მოხდეს პოპულაციის ინვერსია, ატომების მთლიანი რაოდენობის ნახევარზე მეტი უნდა გადაიტუმბოს E1 მდგომარეობამდე. ამით ენერგია იხარჯება. სატუმბი სიმძლავრე შეიძლება მნიშვნელოვნად იყოსმცირდება, თუ ქვედა თაობის დონე არ არის საბაზისო, რაც მოითხოვს მინიმუმ ოთხდონიან სისტემას.
აქტიური ნივთიერების ბუნებიდან გამომდინარე, ლაზერები იყოფა სამ ძირითად კატეგორიად, კერძოდ, მყარი, თხევადი და აირისებრი. 1958 წლიდან, როდესაც ლასინგი პირველად ლალის კრისტალში დაფიქსირდა, მეცნიერებმა და მკვლევარებმა შეისწავლეს მასალების მრავალფეროვნება თითოეულ კატეგორიაში.
მყარი მდგომარეობის ლაზერი
მოქმედების პრინციპი ემყარება აქტიური გარემოს გამოყენებას, რომელიც წარმოიქმნება საიზოლაციო კრისტალურ გისოსზე გარდამავალი ჯგუფის ლითონის დამატებით (Ti+3, Cr +3, V+2, С+2, Ni+2, Fe +2 და ა.შ.), იშვიათი დედამიწის იონები (Ce+3, Pr+3, Nd +3, Pm+3, Sm+2, ევრო +2, +3 , Tb+3, Dy+3, ჰო+3 , Er +3, Yb+3 და ა.შ.), და აქტინიდები, როგორიცაა U+3. იონების ენერგეტიკული დონეები პასუხისმგებელია მხოლოდ წარმოქმნაზე. ბაზის მასალის ფიზიკური თვისებები, როგორიცაა თბოგამტარობა და თერმული გაფართოება, აუცილებელია ლაზერის ეფექტური მუშაობისთვის. გისოსების ატომების განლაგება დოპირებული იონის გარშემო ცვლის მის ენერგეტიკულ დონეებს. აქტიურ გარემოში წარმოქმნის სხვადასხვა ტალღის სიგრძე მიიღწევა სხვადასხვა მასალის ერთიდაიგივე იონის დოპინგით.
ჰოლმიუმის ლაზერი
მყარი მდგომარეობის ლაზერის მაგალითია კვანტური გენერატორი, რომელშიც ჰოლმიუმი ცვლის კრისტალური ბადის ფუძე ნივთიერების ატომს. Ho:YAG არის ერთ-ერთი საუკეთესო თაობის მასალა. ჰოლმიუმის ლაზერის მოქმედების პრინციპია ის, რომ იტრიუმის ალუმინის ბროწეული დოპირებულია ჰოლმიუმის იონებით, ოპტიკურად ტუმბოს ფლეშ ნათურა და ასხივებს 2097 ნმ ტალღის სიგრძეზე IR დიაპაზონში, რომელიც კარგად შეიწოვება ქსოვილებით. ეს ლაზერი გამოიყენება სახსრებზე ოპერაციებისთვის, კბილების სამკურნალოდ, კიბოს უჯრედების, თირკმელებისა და ნაღვლის კენჭების აორთქლებისთვის.
ნახევარგამტარული კვანტური გენერატორი
კვანტური ჭაბურღილის ლაზერები არის იაფი, მასობრივი წარმოების და ადვილად მასშტაბირებადი. ნახევარგამტარული ლაზერის მუშაობის პრინციპი ემყარება p-n შეერთების დიოდის გამოყენებას, რომელიც გამოიმუშავებს გარკვეული ტალღის სიგრძის შუქს გადამზიდავი რეკომბინაციით დადებითი მიკერძოებით, LED-ების მსგავსი. LED ასხივებს სპონტანურად, ხოლო ლაზერული დიოდები - იძულებით. პოპულაციის ინვერსიის პირობის შესასრულებლად, სამუშაო დენი უნდა აღემატებოდეს ზღვრულ მნიშვნელობას. ნახევარგამტარულ დიოდში აქტიურ გარემოს აქვს ორი ორგანზომილებიანი ფენის დამაკავშირებელი რეგიონის ფორმა.
ამ ტიპის ლაზერის მუშაობის პრინციპი ისეთია, რომ რხევების შესანარჩუნებლად გარე სარკე არ არის საჭირო. ამ მიზნით საკმარისია ფენების გარდატეხის ინდექსით შექმნილი არეკვლა და აქტიური გარემოს შიდა არეკვლა. დიოდების ბოლო ზედაპირები ჩიპიანია, რაც უზრუნველყოფს ამრეკლავი ზედაპირების პარალელურობას.
ერთი და იგივე ტიპის ნახევარგამტარული მასალებით წარმოქმნილ კავშირს ჰომოკავშირი ეწოდება, ხოლო ორი განსხვავებულის შეერთებით შექმნილ კავშირს ე.წ.ჰეტეროკავშირი.
P- და n-ტიპის ნახევარგამტარები მაღალი გადამზიდავი სიმკვრივით ქმნიან p-n შეერთებას ძალიან თხელი (≈1 μm) ამოწურვის ფენით.
გაზის ლაზერი
მუშაობის პრინციპი და ამ ტიპის ლაზერის გამოყენება საშუალებას გაძლევთ შექმნათ თითქმის ნებისმიერი სიმძლავრის (მილივატიდან მეგავატამდე) და ტალღის სიგრძის (UV-დან IR-მდე) მოწყობილობები და საშუალებას გაძლევთ იმუშაოთ პულსირებულ და უწყვეტ რეჟიმში.. აქტიური მედიის ბუნებიდან გამომდინარე, არსებობს გაზის კვანტური გენერატორების სამი ტიპი, კერძოდ, ატომური, იონური და მოლეკულური.
გაზის ლაზერების უმეტესობა ტუმბოს ელექტრული გამონადენით. გამონადენი მილის ელექტრონები აჩქარებულია ელექტროდებს შორის არსებული ელექტრული ველით. ისინი ეჯახებიან აქტიური გარემოს ატომებს, იონებს ან მოლეკულებს და იწვევენ გადასვლას უფრო მაღალ ენერგეტიკულ დონეზე, რათა მიაღწიონ პოპულაციის ინვერსიულ მდგომარეობას და სტიმულირებულ ემისიას.
მოლეკულური ლაზერი
ლაზერის მუშაობის პრინციპი ემყარება იმ ფაქტს, რომ იზოლირებული ატომებისა და იონებისგან განსხვავებით, ატომურ და იონურ კვანტურ გენერატორებში მოლეკულებს აქვთ დისკრეტული ენერგიის დონის ფართო ენერგეტიკული ზოლები. უფრო მეტიც, თითოეულ ელექტრონულ ენერგეტიკულ დონეს აქვს ვიბრაციული დონეების დიდი რაოდენობა და მათ, თავის მხრივ, აქვთ რამდენიმე ბრუნვის დონე.
ენერგია ელექტრონულ ენერგეტიკულ დონეებს შორის არის UV და სპექტრის ხილულ რეგიონებში, ხოლო ვიბრაციულ-ბრუნვის დონეებს შორის - შორსა და ახლო IR-ში.ტერიტორიები. ამრიგად, მოლეკულური კვანტური გენერატორების უმეტესობა მუშაობს შორეულ ან ახლო ინფრაწითელ რეგიონებში.
ექსაიმერ ლაზერები
ექსიმერები არის მოლეკულები, როგორიცაა ArF, KrF, XeCl, რომლებსაც აქვთ გამოყოფილი ძირითადი მდგომარეობა და სტაბილურია პირველ დონეზე. ლაზერის მოქმედების პრინციპი ასეთია. როგორც წესი, მოლეკულების რაოდენობა ფუძემდებლურ მდგომარეობაში მცირეა, ამიტომ ძირითადი მდგომარეობიდან პირდაპირი ამოტუმბვა შეუძლებელია. მოლეკულები წარმოიქმნება პირველ აგზნებად ელექტრონულ მდგომარეობაში მაღალი ენერგიის ჰალოიდების ინერტული აირების შერწყმით. ინვერსიის პოპულაცია ადვილად მიიღწევა, რადგან საბაზო დონეზე მოლეკულების რაოდენობა ძალიან მცირეა აღგზნებულთან შედარებით. ლაზერის მოქმედების პრინციპი, მოკლედ, არის გადასვლა შეკრული აღგზნებული ელექტრონული მდგომარეობიდან დისოციაციურ ძირითად მდგომარეობაზე. პოპულაცია ძირეულ მდგომარეობაში ყოველთვის რჩება დაბალ დონეზე, რადგან მოლეკულები ამ ეტაპზე იშლება ატომებად.
ლაზერების მოწყობილობა და მოქმედების პრინციპი არის ის, რომ გამონადენი მილი ივსება ჰალოიდის (F2) და იშვიათი დედამიწის გაზით (Ar) ნარევით. მასში შემავალი ელექტრონები ახდენენ ჰალოგენური მოლეკულების დაშლას და იონიზირებას და ქმნიან უარყოფითად დამუხტულ იონებს. დადებითი იონები Ar+ და უარყოფითი F- რეაგირებენ და წარმოქმნიან ArF მოლეკულებს პირველ აღგზნებულ მდგომარეობაში, მათი შემდგომი გადასვლით საბაზისო მდგომარეობაში და წარმოქმნით. თანმიმდევრული გამოსხივება. ექსიმერის ლაზერი, რომლის მოქმედებისა და გამოყენების პრინციპი ახლა განვიხილავთ, შეიძლება გამოყენებულ იქნას ტუმბოსთვისაქტიური საშუალება საღებავებზე.
თხევადი ლაზერი
მყარებთან შედარებით, სითხეები უფრო ერთგვაროვანია და აქვთ აქტიური ატომების უფრო მაღალი სიმკვრივე, ვიდრე აირები. გარდა ამისა, მათი წარმოება მარტივია, სითბოს ადვილად გაფრქვევის საშუალებას იძლევა და ადვილად შეიძლება შეიცვალოს. ლაზერის მუშაობის პრინციპია ორგანული საღებავების გამოყენება, როგორც აქტიური საშუალება, როგორიცაა DCM (4-დიციანომეთილენ-2-მეთილ-6-p-დიმეთილამინოსტირილ-4H-პირანი), როდამინი, სტირილი, LDS, კუმარინი, სტილბენი და ა.შ. …, გახსნილი შესაბამის გამხსნელში. საღებავის მოლეკულების ხსნარი აღგზნებულია გამოსხივებით, რომლის ტალღის სიგრძეს აქვს კარგი შთანთქმის კოეფიციენტი. მოკლედ, ლაზერის მოქმედების პრინციპი არის უფრო გრძელი ტალღის სიგრძის გენერირება, რომელსაც ფლუორესცენცია ეწოდება. შთანთქმის ენერგიასა და გამოსხივებულ ფოტონებს შორის განსხვავება გამოიყენება არარადიაციული ენერგიის გადასვლებით და ათბობს სისტემას.
თხევადი კვანტური გენერატორების უფრო ფართო ფლუორესცენციის ზოლს აქვს უნიკალური თვისება - ტალღის სიგრძის რეგულირება. მოქმედების პრინციპი და ამ ტიპის ლაზერის, როგორც რეგულირებადი და თანმიმდევრული სინათლის წყაროს გამოყენება სულ უფრო მნიშვნელოვანი ხდება სპექტროსკოპიაში, ჰოლოგრაფიასა და ბიოსამედიცინო პროგრამებში.
ბოლო დროს, საღებავის კვანტური გენერატორები გამოიყენეს იზოტოპების გამოყოფისთვის. ამ შემთხვევაში ლაზერი შერჩევით აღაგზნებს ერთ-ერთ მათგანს, უბიძგებს მათ შევიდნენ ქიმიურ რეაქციაში.
