Laser - aparato at prinsipyo ng pagpapatakbo

Normal na pag-uugali ng liwanag kapag dumadaan sa isang medium

Karaniwan, kapag ang liwanag ay dumaan sa isang medium, bumababa ang intensity nito. Ang numerical value ng attenuation na ito ay makikita mula sa batas ni Bouguer:

Sa equation na ito, bilang karagdagan sa mga intensity ng liwanag na pumapasok at lumalabas sa medium, mayroon ding factor na tinatawag na linear light absorption coefficient ng medium. Sa tradisyonal na optika, ang koepisyent na ito ay palaging positibo.

Negatibong pagsipsip ng liwanag

Paano kung sa ilang kadahilanan ang koepisyent ng pagsipsip ay negatibo? Ano ngayon? Magkakaroon ng amplification ng liwanag habang ito ay dumadaan sa daluyan; sa katunayan, ang medium ay magpapakita ng negatibong pagsipsip.

Ang mga kondisyon para sa pagmamasid sa naturang larawan ay maaaring nilikha ng artipisyal. Ang teoretikal na konsepto tungkol sa paraan sa pagpapatupad ng iminungkahing kababalaghan ay binuo noong 1939 ng Sobyet na pisisista na si Valentin Alexandrovich Fabrikant.

Sa kurso ng pag-aaral ng hypothetical light-amplifying medium na dumadaan dito, iminungkahi ni Fabrikant ang prinsipyo ng light-amplification. At noong 1955inilapat ng mga physicist ng Sobyet na sina Nikolai Genadievich Basov at Alexander Mikhailovich Prokhorov ang ideyang ito ng Fabrikant sa rehiyon ng radio frequency ng electromagnetic spectrum.

Isaalang-alang ang pisikal na bahagi ng posibilidad ng negatibong pagsipsip. Sa isang idealized na anyo, ang mga antas ng enerhiya ng mga atom ay maaaring katawanin bilang mga linya - na para bang ang mga atomo sa bawat estado ay may mahigpit lamang na tinukoy na mga enerhiya na E1 at E2. Nangangahulugan ito na kapag lumilipat mula sa estado patungo sa estado, ang isang atom ay naglalabas o sumisipsip ng eksklusibong monochromatic na ilaw ng isang tiyak na tinukoy na haba ng daluyong.

Ngunit ang katotohanan ay malayo sa perpekto, at sa katunayan ang mga antas ng enerhiya ng mga atom ay may tiyak na lapad na may hangganan, iyon ay, hindi sila mga linya ng eksaktong mga halaga. Samakatuwid, sa panahon ng mga paglipat sa pagitan ng mga antas, magkakaroon din ng isang tiyak na hanay ng mga ibinubuga o na-absorb na mga frequency dv, na nakadepende sa lapad ng mga antas ng enerhiya sa pagitan ng kung saan nagaganap ang paglipat. Ang mga halaga ng E1 at E2 ay maaaring gamitin upang tukuyin lamang ang gitnang antas ng enerhiya ng atom.

Kaya, dahil ipinapalagay namin na ang E1 at E2 ay ang mga midpoint ng mga antas ng enerhiya, maaari naming isaalang-alang ang isang atom sa dalawang estado na ito. Hayaan ang E2>E1. Ang isang atom ay maaaring sumipsip o naglalabas ng electromagnetic radiation kapag ito ay pumasa sa pagitan ng mga antas na ito. Ipagpalagay na, sa pagiging nasa ground state E1, ang isang atom ay sumisipsip ng panlabas na radiation na may enerhiya na E2-E1 at ipinasa sa isang excited na estado E2 (ang posibilidad ng naturang paglipat ay proporsyonal sa Einstein coefficient B12).

Ang pagiging nasa isang nasasabik na estado E2, ang atom sa ilalim ng pagkilos ng panlabas na radiation na may enerhiya na E2-E1 ay nagpapalabas ng isang quantum na may enerhiya na E2-E1 at napipilitang lumipat sa ground state na may enerhiya E1 (ang posibilidad ng naturang paglipat ay proporsyonal sa ang Einstein coefficient B21).

Kung ang isang parallel beam ng monochromatic radiation na may volume spectral density w (v) ay dumaan sa isang substance na ang layer ay may unit cross-sectional area at kapal dx, kung gayon ang intensity nito ay magbabago sa halaga:

Narito ang n1 ay ang konsentrasyon ng mga atomo sa mga estado ng E1, ang n2 ay ang konsentrasyon ng mga atomo sa mga estado ng E2.

Ang pagpapalit ng mga kundisyon sa kanang bahagi ng equation, sa pag-aakalang B21 = B12, at pagkatapos ay palitan ang expression para sa B21, makuha namin ang equation para sa pagbabago ng light intensity sa makitid na antas ng enerhiya:

Sa pagsasagawa, tulad ng nabanggit sa itaas, ang mga antas ng enerhiya ay hindi walang katapusan na makitid, kaya ang kanilang lapad ay dapat isaalang-alang. Upang hindi kalat ang artikulo sa isang paglalarawan ng mga pagbabagong-anyo at isang bungkos ng mga formula, tandaan lamang namin na sa pamamagitan ng pagpasok ng isang saklaw ng dalas at pagkatapos ay pagsasama-sama sa ibabaw ng x, magtatapos kami sa isang formula para sa paghahanap ng tunay na koepisyent ng pagsipsip ng isang average:

Dahil malinaw na sa ilalim ng mga kondisyon ng thermodynamic equilibrium, ang konsentrasyon n1 ng mga atom sa mababang estado ng enerhiya na E1 ay palaging mas malaki kaysa sa konsentrasyon ng n2 ng mga atomo sa mas mataas na estado E2, ang negatibong pagsipsip ay imposible sa ilalim ng normal na mga kondisyon, imposibleng palakasin. magaan sa pamamagitan lamang ng pagdaan sa isang tunay na kapaligiran nang hindi gumagawa ng anumang karagdagang hakbang...

Upang maging posible ang negatibong pagsipsip, kinakailangan na lumikha ng mga kondisyon kapag ang konsentrasyon ng mga atom sa isang nasasabik na estado E2 sa daluyan ay magiging mas malaki kaysa sa konsentrasyon ng mga atomo sa ground state E1, iyon ay, kinakailangan upang ayusin isang baligtad na pamamahagi ng mga atomo sa daluyan ayon sa kanilang mga estado ng enerhiya.

Ang pangangailangan para sa enerhiya pumping ng kapaligiran

Upang ayusin ang isang baligtad na populasyon ng mga antas ng enerhiya (upang makakuha ng isang aktibong medium) pumping (hal. optical o electrical) ay ginagamit. Ang optical pumping ay nagsasangkot ng pagsipsip ng radiation na nakadirekta sa kanila ng mga atom, dahil sa kung saan ang mga atomo na ito ay napupunta sa isang nasasabik na estado.

Ang electric pumping sa isang gas medium ay nagsasangkot ng paggulo ng mga atom sa pamamagitan ng hindi nababanat na banggaan sa mga electron sa gas discharge. Ayon kay Fabrikant, ang ilan sa mga mababang-enerhiya na estado ng mga atom ay dapat alisin sa pamamagitan ng mga molecular impurities.

Halos imposible na makakuha ng isang aktibong daluyan gamit ang optical pumping sa isang dalawang antas na daluyan, dahil sa dami ng mga transisyon ng mga atomo bawat yunit ng oras mula sa estado E1 hanggang sa estado E2 at sa kabaligtaran (!) Sa kasong ito ay magiging katumbas, na nangangahulugan na ito ay kinakailangan upang resort sa hindi bababa sa isang tatlong-tier na sistema.

Isaalang-alang ang isang three-stage pumping system. Hayaang kumilos ang panlabas na radiation na may enerhiya ng photon na E3-E1 sa medium habang ang mga atomo sa medium ay pumasa mula sa estado na may enerhiya na E1 patungo sa estado na may enerhiya na E3. Mula sa E3 na estado ng enerhiya, ang mga kusang paglipat sa estado ng E2 at sa E1 ay posible. Upang makakuha ng baligtad na populasyon (kapag mayroong mas maraming atomo na may antas ng E2 sa isang partikular na daluyan), kinakailangan na gawing mas matagal ang antas ng E2 kaysa sa E3. Para dito, mahalagang sumunod sa mga sumusunod na kondisyon:

Ang pagsunod sa mga kundisyong ito ay mangangahulugan na ang mga atomo sa estado ng E2 ay mananatiling mas mahaba, iyon ay, ang posibilidad ng kusang paglipat mula E3 hanggang E1 at mula E3 hanggang E2 ay lumampas sa posibilidad ng kusang paglipat mula E2 hanggang E1. Kung gayon ang antas ng E2 ay magiging mas matagal, at ang gayong estado sa antas ng E2 ay maaaring tawaging metastable. Samakatuwid, kapag ang liwanag na may dalas na v = (E3 — E1) / h ay dumaan sa naturang aktibong medium, ang liwanag na ito ay lalakas. Katulad nito, maaaring gumamit ng apat na antas na sistema, pagkatapos ay ang antas ng E3 ay magiging metastable.

Laser device

Kaya, ang laser ay may kasamang tatlong pangunahing sangkap: isang aktibong daluyan (kung saan ang pagbaligtad ng populasyon ng mga antas ng enerhiya ng mga atom ay nilikha), isang pumping system (isang aparato para sa pagkuha ng pagbaligtad ng populasyon) at isang optical resonator (na nagpapalaki ng radiation. maraming beses at bumubuo ng isang nakadirekta na sinag ng output). Ang aktibong daluyan ay maaaring solid, likido, gas o plasma.

Ang pumping ay ginagawa nang tuluy-tuloy o pulsed. Sa patuloy na pumping, ang supply ng medium ay limitado sa pamamagitan ng overheating ng medium at ang mga kahihinatnan ng overheating na ito. Sa pulsed pumping, ang kapaki-pakinabang na enerhiya na ipinakilala nang unti-unti sa daluyan ay mas nakukuha dahil sa malaking kapangyarihan ng bawat indibidwal na pulso.

Iba't ibang mga laser - iba't ibang pumping

Ang mga solid-state laser ay ibinobomba sa pamamagitan ng pag-irradiate sa gumaganang medium na may malalakas na pagkislap ng gas-discharge, nakatutok na sikat ng araw, o isa pang laser. Ito ay palaging pulsed pumping dahil napakataas ng kapangyarihan na ang work rod ay babagsak sa ilalim ng patuloy na pagkilos.

Ang mga likido at gas na laser ay ibinobomba gamit ang isang paglabas ng kuryente.Ipinapalagay ng mga kemikal na laser ang paglitaw ng mga reaksiyong kemikal sa kanilang aktibong daluyan, bilang isang resulta kung saan ang baligtad na populasyon ng mga atom ay nakuha alinman sa mga produkto ng reaksyon o mula sa mga espesyal na impurities na may naaangkop na antas ng istraktura.

Ang mga semiconductor laser ay binomba ng pasulong na kasalukuyang sa pamamagitan ng isang pn junction o ng isang electron beam. Bilang karagdagan, mayroong mga pamamaraan ng pumping tulad ng photodissociation o gas dynamic na pamamaraan (biglang paglamig ng mga pinainit na gas).

Optical resonator - ang puso ng laser

Ang optical resonator ay isang sistema ng isang pares ng mga salamin, sa pinakasimpleng kaso, dalawang salamin (malukong o parallel) na naayos sa tapat ng bawat isa, at sa pagitan ng mga ito kasama ang isang karaniwang optical axis mayroong isang aktibong daluyan sa anyo ng isang kristal o isang cuvette na may gas. Ang mga photon na dumadaan sa isang anggulo sa pamamagitan ng medium ay iniiwan ito sa gilid, at ang mga gumagalaw sa kahabaan ng axis, na ipinapakita nang maraming beses, ay pinalakas at lumabas sa pamamagitan ng isang translucent na salamin.

Gumagawa ito ng laser radiation — isang sinag ng magkakaugnay na mga photon — isang mahigpit na nakadirekta na sinag. Sa isang pagpasa ng liwanag sa pagitan ng mga salamin, ang magnitude ng pakinabang ay dapat lumampas sa isang tiyak na threshold - ang halaga ng pagkawala ng radiation sa pamamagitan ng pangalawang salamin (mas mahusay ang pagpapadala ng salamin, mas mataas ang threshold na ito).

Upang epektibong maisakatuparan ang light amplification, kinakailangan hindi lamang upang madagdagan ang landas ng liwanag sa loob ng aktibong daluyan, kundi pati na rin upang matiyak na ang mga alon na umaalis sa resonator ay nasa yugto sa isa't isa, kung gayon ang mga nakakasagabal na alon ay magbibigay. ang maximum na posibleng amplitude.

Upang makamit ang layuning ito, kinakailangan na ang bawat isa sa mga alon sa resonator na bumabalik sa isang punto sa pinagmulang salamin at sa pangkalahatan, sa anumang punto sa aktibong daluyan, ay nasa bahagi ng pangunahing alon pagkatapos ng isang arbitrary na bilang ng mga perpektong pagmuni-muni. . Posible ito kapag ang optical path na nilakbay ng wave sa pagitan ng dalawang pagbabalik ay nakakatugon sa kundisyon:

kung saan ang m ay isang integer, sa kasong ito ang pagkakaiba ng bahagi ay magiging isang maramihang ng 2P:

Ngayon, dahil ang bawat isa sa mga alon ay naiiba sa yugto mula sa naunang isa sa pamamagitan ng 2pi, nangangahulugan ito na ang lahat ng mga alon na umaalis sa resonator ay magkakasabay sa isa't isa, na nagbibigay ng pinakamataas na amplitude na interference. Ang resonator ay magkakaroon ng halos monochromatic parallel radiation sa output.

Ang pagpapatakbo ng mga salamin sa loob ng resonator ay magbibigay ng amplification ng mga mode na naaayon sa mga nakatayong alon sa loob ng resonator; ang iba pang mga mode (na nagmumula dahil sa mga kakaiba ng mga tunay na kondisyon) ay hihina.

Ruby laser — ang unang solid state

Ang unang solid-state na device ay itinayo noong 1960 ng American physicist na si Theodore Maiman. Isa itong ruby ​​​​laser (ruby - Al2O3, kung saan ang ilan sa mga lattice site - sa loob ng 0.5% - ay pinalitan ng triply ionized chromium; mas maraming chromium, mas madilim ang kulay ng ruby ​​​​crystal).

Ang unang matagumpay na gumaganang laser na idinisenyo ni Dr. Ted Mayman noong 1960.

Ang isang ruby ​​​​cylinder na gawa sa pinaka homogenous na kristal, na may diameter na 4 hanggang 20 mm at haba na 30 hanggang 200 mm, ay inilalagay sa pagitan ng dalawang salamin na ginawa sa anyo ng mga layer ng pilak na inilapat sa maingat na pinakintab na mga dulo nito. silindro. Ang isang spiral-shaped na gas discharge lamp ay pumapalibot sa isang silindro sa buong haba nito at binibigyan ng mataas na boltahe sa pamamagitan ng isang kapasitor.

Kapag ang lampara ay naka-on, ang ruby ​​​​ay matinding irradiated, habang ang chromium atoms ay lumilipat mula sa antas 1 hanggang sa antas 3 (sila ay nasa ganitong estado na nasasabik nang wala pang 10-7 segundo), dito ang pinaka-malamang na paglipat sa antas 2 ay natanto — sa isang metatable na antas. Ang sobrang enerhiya ay inililipat sa ruby ​​​​crystal lattice. Ang mga kusang paglipat mula sa antas 3 hanggang sa antas 1 ay hindi gaanong mahalaga.

Ang paglipat mula sa antas 2 hanggang sa antas 1 ay ipinagbabawal ng mga panuntunan sa pagpili, kaya ang tagal ng antas na ito ay humigit-kumulang 10-3 segundo, na 10,000 beses na mas mahaba kaysa sa antas 3, bilang isang resulta, ang mga atomo ay naipon sa ruby ​​na may antas 2 — ito ang baligtad na populasyon ng antas 2.

Kusang umusbong sa panahon ng mga kusang paglipat, ang mga photon ay maaaring magdulot ng sapilitang paglipat mula sa antas 2 hanggang sa antas 1 at magdulot ng pag-avalanche ng mga pangalawang photon, ngunit ang mga kusang paglipat na ito ay random at ang kanilang mga photon ay dumadami nang magulo, kadalasang iniiwan ang resonator sa sidewall nito.

Ngunit ang mga photon na tumama sa axis ay sumasailalim sa maramihang mga pagmuni-muni mula sa mga salamin, nang sabay-sabay na nagiging sanhi ng sapilitang paglabas ng mga pangalawang photon, na muling pumukaw sa stimulated emission, at iba pa. Ang mga photon na ito ay lilipat sa isang direksyon na katulad ng mga pangunahing at ang pagkilos ng bagay sa kahabaan ng axis ng kristal ay tataas tulad ng isang avalanche.

Ang dumami na daloy ng mga photon ay lalabas sa gilid na translucent na salamin ng resonator sa anyo ng isang mahigpit na direksyon na sinag ng liwanag na napakalaki ng intensity. Ang ruby ​​​​laser ay nagpapatakbo sa isang wavelength na 694.3 nm, habang ang lakas ng pulso ay maaaring hanggang sa 109 W

Neon laser na may helium

Ang helium-neon (helium / neon = 10/1) laser ay isa sa pinakasikat na gas laser. Ang presyon sa pinaghalong gas ay halos 100 Pa.Ang neon ay nagsisilbing aktibong gas, gumagawa ito ng mga photon na may wavelength na 632.8 nm sa tuloy-tuloy na mode. Ang function ng helium ay upang lumikha ng isang baligtad na populasyon mula sa isa sa mas mataas na antas ng enerhiya ng neon. Ang lapad ng spectrum ng naturang laser ay tungkol sa 5 * 10-3 Hz Haba ng pagkakaugnay-ugnay 6 * 1011 m, oras ng pagkakaugnay-ugnay 2 * 103 ° C.

Kapag ang isang helium-neon laser ay pumped, ang isang mataas na boltahe na electrical discharge ay nag-uudyok sa paglipat ng helium atoms sa isang metastable na excited na estado ng antas ng E2. Ang mga helium na atomo na ito ay hindi elastis na nagbabanggaan sa mga neon atoms sa E1 ground state, na naglilipat ng kanilang enerhiya. Ang enerhiya ng antas ng E4 ng neon ay mas mataas kaysa sa antas ng E2 ng helium ng 0.05 eV. Ang kakulangan ng enerhiya ay binabayaran ng kinetic energy ng atomic collisions. Bilang resulta, sa antas ng E4 ng neon, nakuha ang isang baligtad na populasyon na may paggalang sa antas ng E3.

Mga uri ng modernong laser

Ayon sa estado ng aktibong daluyan, ang mga laser ay nahahati sa: solid, likido, gas, semiconductor, at kristal din. Ayon sa paraan ng pumping, maaari silang maging: optical, chemical, gas discharge. Sa pamamagitan ng likas na katangian ng henerasyon, ang mga laser ay nahahati sa: tuloy-tuloy at pulsed. Ang mga uri ng laser na ito ay naglalabas ng radiation sa nakikitang hanay ng electromagnetic spectrum.

Ang mga optical laser ay lumitaw sa ibang pagkakataon kaysa sa iba. Ang mga ito ay may kakayahang bumuo ng radiation sa malapit-infrared na hanay, tulad ng radiation (sa isang wavelength ng hanggang sa 8 microns) ay napaka-angkop para sa optical komunikasyon. Ang mga optical laser ay naglalaman ng isang hibla sa core kung saan ang ilang mga ions ng angkop na mga elemento ng bihirang lupa ay ipinakilala.

Ang light guide, tulad ng iba pang mga uri ng laser, ay naka-install sa pagitan ng isang pares ng salamin.Para sa pumping, ang laser radiation na may kinakailangang haba ng daluyong ay pinapakain sa hibla, upang ang mga ions ng mga bihirang elemento ng lupa ay pumasa sa isang nasasabik na estado sa ilalim ng pagkilos nito. Bumabalik sa mas mababang estado ng enerhiya, ang mga ion na ito ay naglalabas ng mga photon na may mas mahabang wavelength kaysa sa nagpasimulang laser.

Sa ganitong paraan, ang hibla ay gumaganap bilang isang pinagmumulan ng ilaw ng laser. Ang dalas nito ay depende sa uri ng mga elemento ng rare earth na idinagdag. Ang fiber mismo ay gawa sa heavy metal fluoride, na nagreresulta sa mahusay na henerasyon ng laser radiation sa dalas ng infrared range.

Sinasakop ng mga X-ray laser ang kabaligtaran ng spectrum — sa pagitan ng ultraviolet at gamma — ito ay mga order ng magnitude na may mga wavelength mula 10-7 hanggang 10-12 m. Ang mga laser ng ganitong uri ay may pinakamataas na liwanag ng pulso sa lahat ng uri ng laser.

Ang unang X-ray laser ay itinayo noong 1985 sa USA, sa Livermore Laboratory. Lawrence. Ang laser na nabuo sa selenium ions, ang wavelength range ay mula 18.2 hanggang 26.3 nm, at ang pinakamataas na ningning ay bumaba sa wavelength line na 20.63 nm. Ngayon, ang laser radiation na may wavelength na 4.6 nm ay nakamit gamit ang mga aluminum ions.

Ang X-ray laser ay nabuo sa pamamagitan ng mga pulso na may tagal na 100 ps hanggang 10 ns, na nakasalalay sa buhay ng pagbuo ng plasma.

Ang katotohanan ay ang aktibong daluyan ng isang X-ray laser ay isang mataas na ionized na plasma, na nakukuha, halimbawa, kapag ang isang manipis na pelikula ng yttrium at selenium ay na-irradiated ng isang high-power laser sa nakikita o infrared spectrum.

Ang enerhiya ng X-ray laser sa isang pulso ay umabot sa 10 mJ, habang ang angular divergence sa sinag ay humigit-kumulang 10 milliradians. Ang ratio ng pump power sa direktang radiation ay humigit-kumulang 0.00001.