Fizikası Plankın şüalanma qanununa əsaslanan lazerin ilk prinsipi 1917-ci ildə Eynşteyn tərəfindən nəzəri cəhətdən əsaslandırıldı. O, ehtimal əmsallarından (Eynşteyn əmsallarından) istifadə edərək udulmanı, kortəbii və stimullaşdırılmış elektromaqnit şüalanmanı təsvir etmişdir.
Pionerlər
Teodor Meyman, 694 nm dalğa uzunluğunda impulslu koherent şüalanma yaradan flaş lampa ilə sintetik yaqutun optik nasosuna əsaslanan yaqut lazerinin iş prinsipini ilk nümayiş etdirdi.
1960-cı ildə iranlı alimlər Cavan və Bennett He və Ne qazlarının 1:10 qarışığından istifadə edərək ilk qaz kvant generatorunu yaratdılar.
1962-ci ildə RN Hall 850 nm dalğa uzunluğunda yayılan ilk qallium arsenid (GaAs) diod lazerini nümayiş etdirdi. Həmin ilin sonunda Nik Qolonyak ilk yarımkeçirici görünən işıq kvant generatorunu inkişaf etdirdi.
Lazerlərin dizaynı və iş prinsipi
Hər lazer sistemi yerləşdirilmiş aktiv mühitdən ibarətdirbiri şəffaf olan bir cüt optik paralel və yüksək əks etdirən güzgülər və onun pompalanması üçün enerji mənbəyi arasında. Gücləndirici mühit bərk, maye və ya qaz ola bilər, elektrik və ya optik nasosla stimullaşdırılan emissiya ilə ondan keçən işıq dalğasının amplitudasını gücləndirmək xüsusiyyətinə malikdir. Maddə bir cüt güzgü arasında elə yerləşdirilir ki, onlarda əks olunan işıq hər dəfə onun içindən keçsin və əhəmiyyətli gücləndirməyə çataraq şəffaf güzgüdən keçsin.
İki səviyyəli mühit
Atomları yalnız iki enerji səviyyəsinə malik aktiv mühitə malik lazerin işləmə prinsipini nəzərdən keçirək: həyəcanlı E2 və əsas E1 . Atomlar hər hansı bir nasos mexanizmi (optik, elektrik boşalması, cərəyan ötürülməsi və ya elektron bombardmanı) ilə E2 vəziyyətinə ehtiraslanırsa, bir neçə nanosaniyədən sonra fotonlar yayaraq yer vəziyyətinə qayıdacaqlar. enerji hν=E 2 - E1. Eynşteynin nəzəriyyəsinə görə, emissiya iki fərqli şəkildə əmələ gəlir: ya foton tərəfindən induksiya olunur, ya da özbaşına baş verir. Birinci halda stimullaşdırılmış emissiya, ikincidə isə spontan emissiya baş verir. Termal tarazlıqda stimullaşdırılmış emissiya ehtimalı kortəbii emissiyadan (1:1033) çox aşağıdır, ona görə də əksər adi işıq mənbələri qeyri-koherentdir və lazer istehsalı istilikdən başqa şəraitdə mümkündür. tarazlıq.
Hətta çox güclünasosla, iki səviyyəli sistemlərin əhalisi yalnız bərabərləşdirilə bilər. Buna görə də, optik və ya digər nasos üsulları ilə əhalinin inversiyasına nail olmaq üçün üç və ya dörd səviyyəli sistemlər tələb olunur.
Çoxsəviyyəli sistemlər
Üç səviyyəli lazerin prinsipi nədir? ν02 tezliyinin intensiv işığı ilə şüalanma çoxlu sayda atomu ən aşağı enerji səviyyəsindən E0-dən ən yüksək enerji səviyyəsinə E vurur. 2. Atomların E2-dan E1-a qeyri-radiativ keçidi E1 və E arasında populyasiya inversiyasını yaradır. 0 , bu praktikada yalnız atomlar uzun müddət metastabil vəziyyətdə olduqda mümkündür E1, və E2-dən keçid- E 1 sürətlə gedir. Üç səviyyəli lazerin işləmə prinsipi bu şərtləri yerinə yetirməkdən ibarətdir ki, bunun sayəsində E0 və E1 arasında populyasiya inversiyasına nail olunur və fotonlar enerji E 1-E0 induksiyalı emissiya ilə gücləndirilir. Daha geniş səviyyəli E2 daha səmərəli nasos üçün dalğa boyu udma diapazonunu artıra bilər, nəticədə stimullaşdırılmış emissiya artar.
Üç səviyyəli sistem çox yüksək nasos gücü tələb edir, çünki nəsildə iştirak edən aşağı səviyyə əsasdır. Bu halda populyasiyanın inversiyasının baş verməsi üçün atomların ümumi sayının yarısından çoxu E1 vəziyyətinə pompalanmalıdır. Bunu edərkən, enerji boş yerə sərf olunur. Nasos gücü əhəmiyyətli dərəcədə ola biləraşağı nəsil səviyyəsi ən azı dörd səviyyəli sistem tələb edən əsas deyilsə, azalma.
Aktiv maddənin təbiətindən asılı olaraq lazerlər bərk, maye və qaz olmaqla üç əsas kateqoriyaya bölünür. 1958-ci ildən, yaqut kristalında lasinq ilk dəfə müşahidə edildikdən bəri, elm adamları və tədqiqatçılar hər bir kateqoriyada geniş çeşiddə materialları tədqiq ediblər.
Bərk Hal Lazer
İş prinsipi aktiv mühitin istifadəsinə əsaslanır, o, izolyasiya edən kristal qəfəsə keçid qrupu metalının əlavə edilməsi ilə əmələ gəlir (Ti+3, Cr +3, V+2, С+2, Ni+2, Fe +2 və s.), nadir torpaq ionları (Ce+3, Pr+3, Nd +3, Pm+3, Sm+2, Eu +2, +3 , Tb+3, Dy+3, Ho+3 , Er +3, Yb+3 və s.) və U+3 kimi aktinidlər. İonların enerji səviyyələri yalnız nəsildən məsuldur. Əsas materialın istilik keçiriciliyi və istilik genişlənməsi kimi fiziki xüsusiyyətləri lazerin effektiv işləməsi üçün vacibdir. Doplanmış ion ətrafında qəfəs atomlarının düzülüşü onun enerji səviyyələrini dəyişir. Fərqli materialların eyni ionla dopinq edilməsi ilə aktiv mühitdə müxtəlif dalğa uzunluqları əldə edilir.
Holmium lazer
Bərk vəziyyətdə olan lazerə misal olaraq, holmiumun kristal qəfəsin əsas maddəsinin atomunu əvəz etdiyi kvant generatorunu göstərmək olar. Ho:YAG ən yaxşı nəsil materiallarından biridir. Holmium lazerinin iş prinsipi ondan ibarətdir ki, itrium alüminium qranat holmium ionları ilə aşqarlanır, optik olaraq flaş lampası ilə vurulur və toxumalar tərəfindən yaxşı mənimsənilən IR diapazonunda 2097 nm dalğa uzunluğunda yayılır. Bu lazer oynaqlarda əməliyyatlar, dişlərin müalicəsində, xərçəng hüceyrələrinin, böyrək və öd daşlarının buxarlanması üçün istifadə olunur.
Yarımkeçirici kvant generatoru
Kvant quyusu lazerləri ucuzdur, kütləvi istehsal olunur və asanlıqla miqyaslana bilir. Yarımkeçirici lazerin işləmə prinsipi, LED-lərə bənzər müsbət meyldə daşıyıcı rekombinasiya yolu ilə müəyyən dalğa uzunluğunun işığını yaradan p-n keçid diodunun istifadəsinə əsaslanır. LED kortəbii yayılır və lazer diodları - məcburidir. Əhali inversiya şərtini yerinə yetirmək üçün əməliyyat cərəyanı həddi keçməlidir. Yarımkeçirici diodda aktiv mühit iki ikiölçülü təbəqədən ibarət birləşdirici bölgə formasına malikdir.
Bu tip lazerin iş prinsipi elədir ki, salınımları saxlamaq üçün heç bir xarici güzgü tələb olunmur. Qatların sınma əmsalı və aktiv mühitin daxili əks etdirilməsi ilə yaranan əks etdirmə qabiliyyəti bu məqsəd üçün kifayətdir. Diodların son səthləri çiplənmişdir və bu, əks etdirən səthlərin paralel olmasını təmin edir.
Eyni tipli yarımkeçirici materiallardan əmələ gələn əlaqəyə homoqovşaq, iki fərqli birləşmənin birləşməsi ilə yaranan əlaqəyə deyilir.heteroqovuşma.
Yüksək daşıyıcı sıxlığa malik P- və n tipli yarımkeçiricilər çox nazik (≈1 µm) tükənmə təbəqəsi ilə p-n qovşağı əmələ gətirir.
Qaz lazer
Bu tip lazerin iş prinsipi və istifadəsi demək olar ki, istənilən gücdə (millivatdan meqavata qədər) və dalğa uzunluğunda (UV-dən İQ-yə qədər) cihazları yaratmağa imkan verir və impulslu və davamlı rejimlərdə işləməyə imkan verir.. Aktiv mühitin təbiətinə əsasən, üç növ qaz kvant generatoru vardır, yəni atomik, ionik və molekulyar.
Qaz lazerlərinin çoxu elektrik boşalması ilə vurulur. Boş altma borusundakı elektronlar elektrodlar arasındakı elektrik sahəsi ilə sürətlənir. Onlar aktiv mühitin atomları, ionları və ya molekulları ilə toqquşur və inversiya və stimullaşdırılmış emissiya vəziyyətinə nail olmaq üçün daha yüksək enerji səviyyələrinə keçidə səbəb olurlar.
Molekulyar Lazer
Lazerin iş prinsipi, təcrid olunmuş atom və ionlardan fərqli olaraq atom və ion kvant generatorlarında molekulların diskret enerji səviyyələrinin geniş enerji zolağına malik olmasına əsaslanır. Üstəlik, hər bir elektron enerji səviyyəsi çoxlu sayda vibrasiya səviyyələrinə malikdir və onlar da öz növbəsində bir neçə fırlanma səviyyəsinə malikdir.
Elektron enerji səviyyələri arasındakı enerji spektrin UV və görünən bölgələrində, vibrasiya-fırlanma səviyyələri arasında isə - uzaq və yaxın IR-də olur.sahələr. Beləliklə, əksər molekulyar kvant generatorları uzaq və ya yaxın infraqırmızı bölgələrdə işləyir.
Eksimer lazerlər
Eksimerlər ArF, KrF, XeCl kimi molekullardır, ayrılmış əsas vəziyyətə malikdirlər və birinci səviyyədə sabitdirlər. Lazerin iş prinsipi aşağıdakı kimidir. Bir qayda olaraq, zəmin vəziyyətində molekulların sayı azdır, ona görə də əsas vəziyyətdən birbaşa nasos mümkün deyil. Molekullar yüksək enerjili halidləri inert qazlarla birləşdirərək ilk həyəcanlanmış elektron vəziyyətdə əmələ gəlir. İnversiya populyasiyasına asanlıqla nail olunur, çünki baza səviyyəsindəki molekulların sayı həyəcanlanan ilə müqayisədə çox azdır. Lazerin iş prinsipi, bir sözlə, bağlı həyəcanlı elektron vəziyyətdən dissosiativ əsas vəziyyətə keçiddir. Əsas vəziyyətdə olan populyasiya həmişə aşağı səviyyədə qalır, çünki bu nöqtədə molekullar atomlara ayrılır.
Lazerlərin cihazı və iş prinsipi ondan ibarətdir ki, boş altma borusu halid (F2) və nadir torpaq qazı (Ar) qarışığı ilə doldurulur. Tərkibindəki elektronlar halogenid molekullarını dissosiasiya edir və ionlaşdırır və mənfi yüklü ionlar yaradır. Ar+ və mənfi F- müsbət ionları reaksiyaya girir və ilk həyəcanlanmış bağlı vəziyyətdə ArF molekullarını əmələ gətirir, sonradan onların itələyici əsas vəziyyətinə keçərək koherent şüalanma. İşləmə prinsipi və tətbiqi indi nəzərdən keçirdiyimiz eksimer lazer nasos üçün istifadə edilə bilərboyalar üzərində aktiv mühit.
Maye Lazer
Bərk cisimlərlə müqayisədə mayelər daha homojendir və qazlardan daha yüksək aktiv atom sıxlığına malikdir. Bundan əlavə, onlar asanlıqla istehsal olunur, istiliyin asanlıqla yayılmasına imkan verir və asanlıqla dəyişdirilə bilər. Lazerin iş prinsipi üzvi boyalardan aktiv mühit kimi istifadə etməkdir, məsələn, DCM (4-disiyanometilen-2-metil-6-p-dimetilaminotiril-4H-piran), rodamin, stiril, LDS, kumarin, stilben və s…, müvafiq həlledicidə həll edilir. Boya molekullarının məhlulu, dalğa uzunluğu yaxşı udma əmsalı olan şüalanma ilə həyəcanlanır. Lazerin iş prinsipi, bir sözlə, flüoresan adlanan daha uzun dalğa uzunluğunda yaratmaqdır. Udulmuş enerji ilə yayılan fotonlar arasındakı fərq radiasiyaya məruz qalmayan enerji keçidlərində istifadə olunur və sistemi qızdırır.
Maye kvant generatorlarının daha geniş flüoresan diapazonunun unikal xüsusiyyəti var - dalğa uzunluğunun tənzimlənməsi. Fəaliyyət prinsipi və bu tip lazerin tənzimlənən və ardıcıl işıq mənbəyi kimi istifadəsi spektroskopiya, holoqrafiya və biotibbi tətbiqlərdə getdikcə daha çox əhəmiyyət kəsb edir.
Bu yaxınlarda izotopların ayrılması üçün boya kvant generatorlarından istifadə edilmişdir. Bu zaman lazer onlardan birini seçici şəkildə həyəcanlandırır və onları kimyəvi reaksiyaya girməyə sövq edir.
