مبدأ عمل الليزر: ملامح أشعة الليزر

له ما يبرره المبدأ الأول للعمل الليزر، والتي تقوم على الفيزياء للقانون الإشعاع بلانك، من الناحية النظرية، آينشتاين في عام 1917. ووصف الاستيعاب، وعفوية وحفز الإشعاع الكهرومغناطيسي باستخدام معاملات احتمال (معاملات اينشتاين).

الرواد

كان تيودور ميمان الأولى لإثبات مبدأ عمل ليزر الياقوت، على أساس ضخ الضوئية باستخدام روبي الاصطناعية مصباح فلاش، وتولد الإشعاع متماسك مع الطول الموجي من 694 نانومتر.

وفي عام 1960، أنشأ العلماء الإيرانيين ياوان وبينيت الليزر الغاز الأولى باستخدام خليط من الغازات ووني في نسبة 01:10.

في عام 1962، R. N. قاعة يجعل أول ليزر ديود مصنوعة من الغاليوم الغاليوم (الغاليوم)، التي ينبعث منها عند طول موجي 850 نانومتر. في وقت لاحق من ذلك العام نفسه، وضعت نيك Golonyak أول مولد أشباه الموصلات الكم من الضوء المرئي.

الجهاز ومبدأ الليزر

يتضمن كل نظام ليزر وسيلة نشطة وضعت بصريا بين زوج من المرايا المتوازية والتي تعكس إلى حد كبير، واحدة منها هي شفافة، ومصدر للطاقة لضخها. باعتبارها وسيلة ربح يمكن أن تكون بمثابة مادة صلبة أو سائلة أو غازية، والتي لديها القدرة على تضخيم اتساع موجة الضوء يمر من خلال ذلك داخليا مع الإشعاع الضخ الكهربائية أو الضوئية. يتم وضع مادة بين زوج من المرايا بحيث الضوء الذي ينعكس عليهم في كل مرة يمر من خلال ذلك، وبعد أن وصلت إلى زيادة كبيرة، تخترق نصف المرآة.

البيئة الوجهين

النظر في مبدأ عمل الليزر مع وسيلة النشط الذي لدينا سوى اثنين من مستويات الطاقة الذرات: E متحمس E ₂ وقاعدة _1. إذا كانت الذرات عبر أي آلية ضخ (الضوئية الكهربائية التصريف الحالي أو النفاذية الإلكترون القصف) نحن متحمسون لدولة E _2، في غضون بضعة نانو ثانية عودتهم إلى الموقف الأساسي، يشع فوتونات الطاقة hν = E ₂ - E _1. وفقا لنظرية أينشتاين، وتنتج انبعاثات بطريقتين مختلفتين: إما هو فعل من قبل الفوتون، أو أنه يحدث بشكل عفوي. في الحالة الأولى، يحدث الانبعاث المستحث والثانية - عفوية. في التوازن الحراري، احتمال الانبعاث المستحث هو أقل بكثير من العفوية (01:10 ^33)، بحيث أن معظم مصادر الضوء غير متماسكة التقليدية، وإحلال ممكن في الشروط الأخرى من التوازن الحراري.

حتى مع وجود أنظمة قوية جدا الضخ على مستوى السكان يمكن إلا أن يكون على قدم المساواة. لذلك، لتحقيق انعكاس السكان أو غيرها من طريقة ضخ البصرية يتطلب نظاما على مستوى ثلاث أو أربع سنوات.

نظام متعدد المستويات

ما هو مبدأ الليزر على مستوى الثلاثة؟ أشعة الضوء الشديد من تردد ν ₀₂ يسرع عدد كبير من ذرات من أدنى مستوى الطاقة E ₀ و E ₂ من الجزء العلوي. الانتقال Radiationless مع ذرات E ₂ إلى E ₁ يحدد انعكاس السكان بين E ₁ و E _0، وهو أمر ممكن فقط في الممارسة عندما الذرات هي فترة طويلة في حالة E متبدل الاستقرار _1، والانتقال من E ₁ إلى E ₂ يحدث بسرعة. مبدأ التشغيل ليزر ثلاثة مستويات في هذه الظروف، بحيث بين E ₀ و E _1، ويتحقق انعكاس السكان ويتم تضخيمه طاقة الفوتون E ₁ -E ₀ الانبعاث المستحث. أوسع مستوى E ₂ يمكن أن يزيد من نطاق الطول الموجي امتصاص ضخ أكثر كفاءة، مما أدى إلى نمو الانبعاث المستحث.

ثلاثة مستويات النظام يتطلب قوة ضخ عالية جدا منذ الطابق السفلي، وتشارك في الجيل، بل هو القاعدة. في هذه الحالة، من أجل قلب السكان حدث للدولة E ₁ إلى ضخ أكثر من نصف العدد الكلي للذرات. في هذه الحالة، يتم إهدار الطاقة. قوة المضخة يمكن أن تقلص إلى حد كبير إذا كان مستوى إحلال لأقل ليست قاعدة، الأمر الذي يتطلب نظام من أربعة مستويات على الأقل.

اعتمادا على طبيعة المادة الفعالة، وتصنف أشعة الليزر إلى ثلاث فئات أساسية، وهي الصلبة والسائلة والغازية. منذ عام 1958، عندما لوحظ الجيل الأول في بلورة الياقوت، وقد درس العلماء والباحثين مجموعة واسعة من المواد في كل فئة.

ليزر الحالة الصلبة

ويستند العملية على استخدام وسيلة النشط الذي يتكون بإضافة العازلة المعدنية الكريستال شعرية الانتقالية (تي ^+3، الكروم ^+3، V ^+2، شركة ^+2، ني ^+2، الحديد ^+2، وهلم جرا. D.) ، أيونات الأرضية النادرة (م ^+3، العلاقات العامة ^{+3، والثانية +3،} مساء ^+3، ن خ ^+2، الاتحاد الأوروبي ^{+ 2، + 3،} السل ^+3، دى ^+3، هو ^+3، عير ^+3، الإيتيربيوم ⁺³ ، وآخرون)، والأكتينات مثل U ^+3. مستويات الطاقة من الأيونات مسؤولة فقط عن جيل. الخصائص الفيزيائية للمواد الأساسية، مثل التوصيل الحراري و التمدد الحراري مهمة لكفاءة تشغيل الليزر. موقع شعرية من الذرات حول أيون مخدر تغير مستويات الطاقة. يتم تحقيق أطوال مختلفة لتوليد موجة في وسط فعال المنشطات مواد مختلفة في نفس أيون.

ليزر هولميوم

مثال ليزر الحالة الصلبة هو مولد الكم، حيث هولميوم ذرة محل المواد الأساسية من الكريستال المشبك. هو: YAG هي واحدة من أفضل المواد الليزر. مبدأ التشغيل ليزر الهولميوم هو أن العقيق الإيتريوم الألومنيوم مخدر مع أيونات الهولميوم، ضخ بصريا بواسطة مصباح فلاش وتنبعث في طول موجة من 2097 نانومتر في نطاق الأشعة تحت الحمراء يتم امتصاصه بشكل جيد من قبل الأنسجة. استخدام هذا الليزر للعمليات على المفاصل، وعلاج الأسنان، لتبخير الخلايا السرطانية والكلى وحصى في المرارة.

مولد أشباه الموصلات الكم

الليزر جيدا نوعية غير مكلفة، والسماح الإنتاج الضخم وقابلة للتغيير بسهولة. مبدأ التشغيل من ليزر أشباه الموصلات على أساس استخدام تقاطع السندات الإذنية الصمام الثنائي، والتي تنتج ضوء طول موجي معين من إعادة التركيب من الحامل على التحيز الإيجابي، مثل المصابيح. LED تنبعث منها بشكل عفوي والثنائيات الليزر - إلزامي. لتحقيق انعكاس السكان حالة، يجب أن يتجاوز التشغيل الحالية عتبة. ووسط فعال في الصمام الثنائي أشباه الموصلات وجهة نظر من منطقة اتصال من طبقات ثنائية الأبعاد.

مبدأ عملية من هذا النوع من الليزر هو أن للحفاظ على التذبذبات لا يلزم مرآة الخارجية. القدرة الانعكاسية، التي أنشئت نتيجة للمؤشر الانكسار طبقات والتأمل الداخلي من وسط فعال، غير كافية لهذا الغرض. السطوح نهاية كليف الثنائيات التي توفر السطوح التي تعكس موازية.

ويطلق على مركب يتكون من مادة شبه موصلة من نفس النوع وhomojunction، على النحو المحدد من خلال ربط مختلفين - متغاير.

أشباه الموصلات من p و ن نوع مع كثافة عالية من ناقلات تشكل ع ن تقاطع مع رقيقة جدا (≈1 ملم) طبقة المنضب.

ليزر الغاز

مبدأ تشغيل واستخدام هذا النوع من الليزر يجعل من الممكن لإنشاء الأجهزة من أي قدرة تقريبا (من ملي واط لميجاوات) وموجات (من الأشعة فوق البنفسجية إلى الأشعة تحت الحمراء) ويمكن أن تعمل في وسائط نابض ومستمرة. وبناء على طبيعة وسائل الإعلام النشط، وهناك ثلاثة أنواع من الليزر الغاز، وهما ذرية، الأيونية والجزيئية.

معظم ليزر الغاز التي تضخها التفريغ الكهربائي. وتسارع الإلكترونات في أنبوب التفريغ للمجال الكهربائي بين الأقطاب. تتصادم مع الذرات أو الأيونات أو الجزيئات من وسيلة نشط وحمل الانتقال إلى مستويات أعلى من الطاقة لتحقيق حالة من انعكاس السكان والانبعاث المستحث.

الليزر الجزيئي

ويستند مبدأ عمل الليزر على حقيقة أنه، على خلاف الذرات والأيونات المعزولة في أشعة الليزر الذرية والأيونات جزيئات تمتلك نطاقات الطاقة واسعة من مستويات الطاقة المنفصلة. وبالإضافة إلى ذلك، كل مستوى طاقة الإلكترون لديها عدد كبير من المستويات الذبذبات، وتلك بدورها - عدد قليل من التناوب.

الطاقة بين مستويات الطاقة الإلكترون في المناطق الأشعة فوق البنفسجية والمرئية من الطيف، بينما بين مستويات الذبذبات لمبدأ التناوب - في المناطق تحت الحمراء البعيدة والقريبة. وبالتالي، فإن معظم أجهزة الليزر الجزيئي العمل في المناطق البعيدة أو القريبة من الأشعة تحت الحمراء.

ليزر الهيجان

Excimers هي هذا الجزيء بأنه المنتدى الاقليمى للاسيان، KRF، XeCl، التي تنقسم الدولة أرض ثابتة ومستوى الأول. مبدأ عمل الليزر المقبل. عادة، وعدد في ولاية الأرضي من جزيئات صغيرة، وبالتالي فإن ضخ مباشر من ارض الدولة غير ممكن. جزيئات شكلت في أول دولة الالكترونية متحمس من قبل مجمع جود هاليدات الطاقة العالية مع الغازات الخاملة. ويتحقق انعكاس السكان بسهولة لأن عدد الجزيئات في المستوى الأساسي منخفض جدا، مقارنة مع متحمس. مبدأ عمل الليزر، باختصار، هو الانتقال من دولة الالكترونية متحمس منضم إلى فصامي دولة أرض الواقع. ويبلغ عدد سكان دولة أرض الواقع هو دائما على مستوى منخفض، لأنه في هذه النقطة جزيء تنأى إلى ذرات.

مبدأ جهاز ليزر ويتمثل في أن يتم تعبئة أنبوب التصريف مع خليط من هاليد (F ₂₎ وغاز نادر (ع). الإلكترونات في ذلك تنفصل وتأين جزيئات هاليد وخلق الأيونات السالبة. الأيونات الموجبة هارون ⁺ والسلبية F ^- تتفاعل وتنتج جزيئات ARF في أول دولة متحمس المرتبطة بالانتقال لاحقا إلى صد الدولة قاعدة وتوليد الإشعاع متماسك. الهيجان الليزر، ومبدأ العمل والاستخدام الذي نحن فيه الآن، يمكن استخدامها في ضخ المتوسطة النشطة للصباغة.

الليزر السائل

مقارنة مع المواد الصلبة والسوائل هي أكثر تجانسا ولديها أعلى كثافة الذرات النشطة، بالمقارنة مع الغازات. وبالإضافة إلى ذلك، فهي ليست من الصعب إنتاج، تسمح بسهولة تبديد الحرارة، ويمكن الاستعاضة عنها بسهولة. ويستخدم مبدأ عمل الليزر كوسيلة كسب صبغ عضوي، مثل DCM (4 dicyanomethylene-2-ميثيل-6-P- dimethylaminostyryl-4H-بيران)، رودامين، styryl، LDS، الكومارين، ستيلبين، وما شابه ذلك. D .، يذوب في مذيب مناسب. هناك حل من جزيئات الصبغة هو متحمس عن طريق الإشعاع التي لديها معامل الامتصاص الجيد الطول الموجي. مبدأ عمل الليزر، باختصار، هو لتوليد في الطول الموجي الطويل، ودعا مضان. الفرق بين طاقة استيعابها واستخدامها الفوتونات المنبعثة التحولات الطاقة nonradiative وتسخن النظام.

أوسع نطاق مضان الليزر السائل لديه ميزة فريدة من نوعها - الطول الموجي ضبط. مبدأ تشغيل واستخدام هذا النوع كما ليزر الانضباطي ومصدر الضوء متماسك، أصبحت ذات أهمية متزايدة في التحليل الطيفي، التصوير الثلاثي الأبعاد، وفي التطبيقات الطبية الحيوية.

في الآونة الأخيرة، وقد استخدمت أشعة الليزر لصبغ لفصل النظائر. في هذه الحالة، ليزر تثير بشكل انتقائي واحد منهم، مما دفع بدء التفاعل الكيميائي.