O princípio da ação do laser: características da radiação laser

O primeiro princípio da ação do laser, que é baseado na física da lei de radiação de Planck, em teoria, Einstein em 1917 era justificada. Descreveu a absorção, espontânea e estimulada de radiação electromagnética através de coeficientes de probabilidade (coeficientes Einstein).

trailblazers

Teodor Meyman foi o primeiro a demonstrar o princípio de acção de um laser de rubi, com base no bombeamento óptico usando uma lâmpada de flash rubi sintético, gera a radiação coerente com um comprimento de onda de 694 nm.

Em 1960, os cientistas iranianos Javan e Bennett criou os primeiros lasers de gás, utilizando misturas de ele e Ne gases numa proporção de 1:10.

Em 1962, N. R. Municipal faz um primeiro diodo de laser feita de arsenieto de gálio (GaAs), que emite a um comprimento de onda de 850 nm. Mais tarde, naquele mesmo ano, Nick Golonyak desenvolveu o primeiro gerador de semicondutores quântica da luz visível.

O dispositivo e o princípio de lasers

Cada sistema de laser inclui um meio activo opticamente colocado entre um par de espelhos paralelos e altamente reflectoras, uma das quais é translúcida, e uma fonte de energia para bombagem. À medida que o meio de ganho pode actuar como um sólido, líquido ou gás, que tem a capacidade de amplificar a amplitude da onda de luz que passa através dele internamente com radiação de bombeamento eléctrico ou óptico. A substância é colocada entre um par de espelhos de modo a que a luz reflectida neles cada vez passa através dela e, após ter atingido um aumento significativo, penetra na metade espelho.

ambiente duplex

Considere o princípio de acção do laser com uma forma activa cujo átomos de ter apenas dois níveis de energia: E E animado ₂ e a base _1. Se os átomos de via qualquer mecanismo de bombagem (óptico, corrente de descarga eléctrica ou transmitância bombardeamento electrónico) está animado de um estado E _2, em poucos nanosegundos eles retornarem para a posição de base, irradiando fotões de energia hv = E ₂ – E _1. De acordo com a teoria de Einstein, a emissão é produzida de duas maneiras diferentes: ou ela é induzida por um fóton, ou ele ocorre espontaneamente. No primeiro caso, emissão estimulada ocorre eo segundo – espontânea. No equilíbrio térmico, a probabilidade de emissão estimulada é muito menor do que a espontânea (1:10 ^33), de modo que a maioria das fontes de luz incoerente convencionais, e de emissão de laser é possível nas outras de condições de equilíbrio térmico.

Mesmo com uma forte sistemas em nível de população de bombeamento só pode ser feito igual. Portanto, para obter a inversão de população ou outro método de bombeamento óptico requer um sistema de três ou de quatro níveis.

sistema multi-nível

Qual é o princípio do laser de três níveis? A irradiação de luz intensa de frequência ν ₀₂ bombeia-se um grande número de átomos do menor nível de energia E ₀ e E ₂ da parte superior. transição radiativa com o átomos de _E2 para E ₁ estabelece uma inversão de população entre E ₁ e E _0, que, na prática, só é possível quando os átomos estão um longo tempo em um estado metaestável de E _1, e a transição a partir de E ₁ a E ₂ ocorre rapidamente. O princípio de funcionamento de um laser de três níveis é nestas condições, de modo que entre E ₀ e E _1, a inversão de população é alcançada e é amplificado energia dos fótons E ₁ -E ₀ emissão estimulada. Mais amplo nível _E2 poderia aumentar a gama de comprimento de onda de absorção para bombear de forma mais eficiente, o que resulta no crescimento da emissão estimulada.

Três de nível de sistema exige uma muito alta potência de bombagem desde o nível mais baixo, estão envolvidas na geração, é uma base. Neste caso, a fim de inversão de população ocorreu para o estado E ₁ a ser bombeado mais do que a metade do número total de átomos. Neste caso, a energia é desperdiçada. A potência da bomba pode ser muito reduzido se o nível de emissão de laser inferior não é a base, o que requer, pelo menos, um sistema de quatro níveis.

Dependendo da natureza da substância activa, os lasers são classificados em três categorias básicas, nomeadamente sólidos, líquidos e gases. Desde 1958, quando a primeira geração foi observada em um cristal de rubi, cientistas e pesquisadores têm estudado uma grande variedade de materiais em cada categoria.

laser de estado sólido

O funcionamento é baseado na utilização de um meio activo, o qual é formado por adição de um metal de transição de cristal reticulado de isolamento ^{(3 Ti,} Cr ^3, V ^2, Co ^{+ 2,} Ni ^{+ 2,} Fe ^2, e assim por diante. D.) , os iões de terras raras (Ce ^{3, 3 Pr,} Nd ^{3, 3 Pm,} Sm, ^2, Eu ^{+ 2, + 3, 3 Tb,} Dy ^3, Ho ^3, Er ^3, Yb ³ , et ai.), e os actinídeos tais como L ^3. Os níveis de energia de íons responsáveis apenas para a geração. As propriedades físicas do material de base, tais como a condutividade térmica e a expansão térmica são importantes para o bom funcionamento do laser. Localização estrutura dos átomos em torno de um ião dopado muda seus níveis de energia. Diferentes comprimentos de geração de ondas na forma activa são obtidos por vários materiais dopantes no mesmo iões.

laser de Holmium

Um exemplo de um laser de estado sólido é um gerador quântica, em que o átomo de hólmio substitui o material de base da rede cristalina. Ho: YAG é um dos melhores materiais de laser. O princípio de funcionamento do laser de hólmio é que granada de ítrio e alumínio dopado com iões de hólmio, bombeados opticamente pela lâmpada de flash e emite num comprimento de onda de 2097 nm, na gama de infravermelhos é bem absorvido pelos tecidos. Usar este laser para as operações sobre as articulações, o tratamento dentário, para vaporizar células cancerosas, renal e cálculo biliar.

Um gerador semicondutor quântico

lasers de poço quântico são baratos, permite a produção em massa e são facilmente escaláveis. O princípio de funcionamento do laser de semicondutor com base na utilização de junção pn-diodo, que produz luz de um determinado comprimento de onda pela recombinação do transportador a uma polarização positiva, como LEDs. LED emitem espontaneamente e diodos de laser – compulsivamente. Para cumprir a inversão de população condição, a corrente de operação deve exceder um limite. O meio activo de um díodo semicondutor tem uma visão da área de ligação de camadas bidimensionais.

O princípio de funcionamento deste tipo de laser é que para manter as oscilações não é necessário um espelho externo. A capacidade reflectora, criado devido ao dice de refraco camadas e reflexão interna da forma activa, é suficiente para esta finalidade. As superfícies de extremidade clivar diodos que fornece superfícies reflectoras paralelas.

O composto formado pelo material semicondutor do mesmo tipo é chamado um homojunção, conforme estabelecido pela ligação de duas diferentes – heterojuno.

Semicondutores de p e de tipo n, com uma elevada densidade de transportadores formar uma p-n-junção com uma camada muito fina (≈1 mm) empobrecido.

laser de gás

O princípio de funcionamento e a utilização deste tipo de laser torna possível a criação de dispositivos de praticamente qualquer capacidade de miliwatts (megawatts) para comprimentos de onda (e do ultravioleta ao infravermelho) e pode operar em modos pulsado e contínuo. Com base na natureza dos meios de comunicação activa, existem três tipos de lasers de gás, ou seja, atómicas, iónicos e moleculares.

A maioria dos lasers de gás bombeado por descarga eléctrica. Os electrões no tubo de descarga são acelerados pelo campo eléctrico entre os eléctrodos. Eles colidem com átomos, iões ou moléculas de um meio activo e induzir a transição para os níveis mais elevados de energia para atingir um estado de inversão de população e emissão estimulada.

laser de moléculas

O princípio de acção de laser baseia-se no facto de que, ao contrário dos átomos isolados e iões em lasers atómicas e iões moléculas possuem largas bandas de energia de níveis de energia discretos. Além disso, cada nível de energia de electrões tem um grande número de níveis de vibração, e aqueles que, por sua vez – alguns rotacional.

A energia entre os níveis de energia de electrões está nas regiões UV e visível do espectro, enquanto que entre os níveis vibracional-rotacional – nas regiões longe e de perto de infravermelhos. Assim, a maioria dos lasers moleculares trabalhar em um ou regiões distantes do infravermelho próximo.

excimer laser

Excímeros são tal como molécula de ArF, KrF, XeCl, os quais são divididos estado fundamental estável e o primeiro nível. O princípio de funcionamento do laser seguinte. Tipicamente, o número no estado fundamental das moléculas é pequena, de modo que a bombagem directa do estado do solo não é possível. As moléculas formadas no primeiro estado electrónico animado por um composto possuindo uma elevada halogenetos de energia com gases inertes. A inversão de população é conseguida facilmente uma vez que o número de moléculas a um nível básico é muito baixo, em comparação com o animado. O princípio da ação do laser, em suma, é a transição de um estado eletrônico animado ligado a uma dissociativo estado fundamental. A população do estado fundamental é sempre a um nível baixo, porque neste ponto da molécula se dissociam em átomos.

O princípio aparelho e lasers consiste em que o tubo de descarga está cheia com uma mistura de halogeneto (F ₂₎ e gás raro (Ar). Os electrões em que se dissociam e ionizam as moléculas de halogeneto e criar iões negativos. Os iões positivos Ar ⁺ F e negativo ^– reagir e produzir moléculas de ARF no primeiro estado animado associada com a posterior transição para o estado de repulsão base e geração de radiação coerente. excimer laser, o princípio da ação e cuja utilização estamos considerando agora, poderiam ser usados para o bombeamento do meio ativo do corante.

a laser líquido

Em comparação com os sólidos, líquidos são mais homogénea e ter uma densidade maior de átomos activos, em comparação com os gases. Além disso, eles não são difíceis de produzir, permitir a dissipação de calor fácil e pode ser facilmente substituído. O princípio de acção do laser é usado como um meio de ganho de corante orgânico, tal como DCM D (4-dicyanomethylene-2-metil-6-p-dimethylaminostyryl-4H-pirano), rodamina, estirilo, LDS, cumarina, estilbeno, e semelhantes. ., dissolvido num solvente apropriado. Uma solução das moléculas de corante é animado por radiação cujo comprimento de onda tem um bom coeficiente de absorção. O princípio da ação do laser, em suma, é gerar em um comprimento de onda maior, chamado de fluorescência. A diferença entre a energia absorvida e fotões emitidos utilizado transições de energia não radiativos e aquece o sistema.

Mais amplo de fluorescência banda lasers líquidos tem uma característica única – ajuste de comprimento de onda. O princípio de funcionamento e utilização deste tipo como um laser ajustável e a fonte de luz coerente, está se tornando cada vez mais importante em espectroscopia, holografia, e em aplicações biomédicas.

Recentemente, lasers têm sido utilizados para tingir de separação isotópica. Neste caso, o laser excitação selectiva um deles, o que levou iniciar uma reação química.