Laser — peranti dan prinsip operasi

Tingkah laku normal cahaya apabila melalui medium

Biasanya, apabila cahaya melalui medium, keamatannya berkurangan. Nilai berangka pengecilan ini boleh didapati daripada undang-undang Bouguer:

Dalam persamaan ini, sebagai tambahan kepada keamatan cahaya yang saya masuk dan keluar dari medium, terdapat juga faktor yang dipanggil pekali penyerapan cahaya linear medium. Dalam optik tradisional, pekali ini sentiasa positif.

Penyerapan cahaya negatif

Bagaimana jika atas sebab tertentu pekali penyerapan adalah negatif? Selepas itu, apa? Akan ada penguatan cahaya semasa ia melalui medium; sebenarnya medium tersebut akan menunjukkan serapan negatif.

Syarat untuk memerhati gambar sedemikian boleh dibuat secara buatan. Konsep teori mengenai cara untuk melaksanakan fenomena yang dicadangkan telah dirumuskan pada tahun 1939 oleh ahli fizik Soviet Valentin Alexandrovich Fabrikant.

Semasa menganalisis medium penguat cahaya hipotesis yang melaluinya, Fabrikant mencadangkan prinsip penguatan cahaya. Dan pada tahun 1955ahli fizik Soviet Nikolai Genadievich Basov dan Alexander Mikhailovich Prokhorov menggunakan idea Fabrikant ini ke kawasan frekuensi radio spektrum elektromagnet.

Pertimbangkan sisi fizikal kemungkinan penyerapan negatif. Dalam bentuk yang ideal, tahap tenaga atom boleh diwakili sebagai garis — seolah-olah atom dalam setiap keadaan hanya mempunyai tenaga yang ditetapkan dengan ketat E1 dan E2. Ini bermakna apabila beralih dari keadaan ke keadaan, atom sama ada memancarkan atau menyerap cahaya monokromatik secara eksklusif dengan panjang gelombang yang ditentukan dengan tepat.

Tetapi realiti adalah jauh dari ideal, dan sebenarnya tahap tenaga atom mempunyai lebar terhingga tertentu, iaitu, ia bukan garisan nilai yang tepat. Oleh itu, semasa peralihan antara tahap, terdapat juga julat tertentu bagi dv frekuensi yang dipancarkan atau diserap, yang bergantung pada lebar tahap tenaga antara yang peralihan berlaku. Nilai E1 dan E2 boleh digunakan untuk menunjukkan hanya tahap tenaga pertengahan atom.

Oleh itu, kerana kita telah mengandaikan bahawa E1 dan E2 ialah titik tengah tahap tenaga, kita boleh mempertimbangkan atom dalam kedua-dua keadaan ini. Biarkan E2>E1. Atom boleh sama ada menyerap atau memancarkan sinaran elektromagnet apabila ia melepasi antara tahap ini. Katakan bahawa, berada dalam keadaan dasar E1, atom menyerap sinaran luar dengan tenaga E2-E1 dan dihantar ke keadaan teruja E2 (kebarangkalian peralihan sedemikian adalah berkadar dengan pekali Einstein B12).

Berada dalam keadaan teruja E2, atom di bawah tindakan sinaran luar dengan tenaga E2-E1 memancarkan kuantum dengan tenaga E2-E1 dan dipaksa untuk beralih ke keadaan dasar dengan tenaga E1 (kebarangkalian peralihan sedemikian adalah berkadar dengan pekali Einstein B21).

Jika sinaran monokromatik selari dengan ketumpatan spektrum isipadu w (v) melalui bahan yang lapisannya mempunyai luas keratan rentas unit dan ketebalan dx, maka keamatannya akan berubah mengikut nilai:

Di sini n1 ialah kepekatan atom dalam keadaan E1, n2 ialah kepekatan atom dalam keadaan E2.

Menggantikan keadaan di sebelah kanan persamaan, dengan mengandaikan bahawa B21 = B12, dan kemudian menggantikan ungkapan untuk B21, kita memperoleh persamaan untuk perubahan dalam keamatan cahaya pada tahap tenaga sempit:

Dalam amalan, seperti yang dinyatakan di atas, tahap tenaga tidak terhingga sempit, jadi lebarnya mesti diambil kira. Untuk tidak mengacaukan artikel dengan penerangan tentang transformasi dan sekumpulan formula, kami hanya ambil perhatian bahawa dengan memasukkan julat frekuensi dan kemudian menyepadukan ke atas x, kami akan mendapat formula untuk mencari pekali penyerapan sebenar bagi purata:

Oleh kerana jelas bahawa di bawah keadaan keseimbangan termodinamik, kepekatan n1 atom dalam keadaan tenaga yang lebih rendah E1 sentiasa lebih besar daripada kepekatan n2 atom dalam keadaan yang lebih tinggi E2, penyerapan negatif adalah mustahil dalam keadaan normal, adalah mustahil untuk menguatkan. ringan hanya dengan melalui persekitaran sebenar tanpa mengambil sebarang langkah tambahan...

Agar penyerapan negatif menjadi mungkin, adalah perlu untuk mewujudkan keadaan apabila kepekatan atom dalam keadaan teruja E2 dalam medium akan lebih besar daripada kepekatan atom dalam keadaan dasar E1, iaitu, perlu untuk mengatur taburan terbalik atom dalam medium mengikut keadaan tenaganya.

Keperluan untuk mengepam tenaga alam sekitar

Untuk menyusun populasi songsang tahap tenaga (untuk mendapatkan medium aktif) mengepam (cth optik atau elektrik) digunakan. Pengepam optik melibatkan penyerapan sinaran yang diarahkan kepada mereka oleh atom, yang menyebabkan atom-atom ini masuk ke dalam keadaan teruja.

Pengepaman elektrik dalam medium gas melibatkan pengujaan atom oleh perlanggaran tak anjal dengan elektron dalam nyahcas gas. Menurut Fabrikant, beberapa keadaan atom tenaga rendah mesti disingkirkan melalui kekotoran molekul.

Secara praktikal mustahil untuk mendapatkan medium aktif menggunakan pengepaman optik dalam medium dua peringkat, kerana secara kuantitatif peralihan atom per unit masa dari keadaan E1 ke keadaan E2 dan sebaliknya (!) dalam kes ini akan menjadi setara, yang bermaksud bahawa adalah perlu untuk menggunakan sekurang-kurangnya sistem tiga peringkat.

Pertimbangkan sistem pengepaman tiga peringkat. Biarkan sinaran luar dengan tenaga foton E3-E1 bertindak ke atas medium manakala atom dalam medium melepasi keadaan dengan tenaga E1 ke keadaan dengan tenaga E3. Dari keadaan tenaga E3, peralihan spontan ke keadaan E2 dan ke E1 adalah mungkin. Untuk mendapatkan populasi songsang (apabila terdapat lebih banyak atom dengan tahap E2 dalam medium tertentu), adalah perlu untuk menjadikan tahap E2 lebih lama daripada E3. Untuk ini, adalah penting untuk mematuhi syarat-syarat berikut:

Pematuhan dengan syarat ini bermakna atom dalam keadaan E2 kekal lebih lama, iaitu kebarangkalian peralihan spontan dari E3 ke E1 dan dari E3 ke E2 melebihi kebarangkalian peralihan spontan dari E2 ke E1. Kemudian tahap E2 akan berubah menjadi lebih tahan lama, dan keadaan sedemikian pada tahap E2 boleh dipanggil metastabil. Oleh itu, apabila cahaya dengan frekuensi v = (E3 — E1) / h melalui medium aktif sedemikian, cahaya ini akan dikuatkan. Begitu juga, sistem empat peringkat boleh digunakan, maka tahap E3 akan menjadi metastabil.

Peranti laser

Oleh itu, laser merangkumi tiga komponen utama: medium aktif (di mana penyongsangan populasi tahap tenaga atom dicipta), sistem pengepaman (peranti untuk mendapatkan penyongsangan populasi) dan resonator optik (yang menguatkan sinaran). berkali-kali dan membentuk rasuk terarah keluaran). Media aktif boleh menjadi pepejal, cecair, gas atau plasma.

Pengepaman dilakukan secara berterusan atau berdenyut. Dengan pengepaman berterusan, bekalan medium dihadkan oleh terlalu panas medium dan akibat daripada terlalu panas ini. Dalam pengepaman berdenyut, tenaga berguna yang dimasukkan sedikit demi sedikit ke dalam medium diperolehi lebih banyak disebabkan oleh kuasa besar setiap nadi individu.

Laser yang berbeza - pengepam yang berbeza

Laser keadaan pepejal dipam dengan menyinari medium kerja dengan kilat pelepasan gas yang kuat, cahaya matahari terfokus atau laser lain. Ini sentiasa mengepam berdenyut kerana kuasa sangat tinggi sehingga rod kerja akan runtuh di bawah tindakan berterusan.

Laser cecair dan gas dipam dengan nyahcas elektrik.Laser kimia menganggap berlakunya tindak balas kimia dalam medium aktifnya, akibatnya populasi atom terbalik diperoleh sama ada daripada hasil tindak balas atau daripada kekotoran khas dengan struktur tahap yang sesuai.

Laser semikonduktor dipam oleh arus hadapan melalui persimpangan pn atau oleh pancaran elektron. Di samping itu, terdapat kaedah pengepaman seperti pemisahan foto atau kaedah dinamik gas (penyejukan mendadak gas yang dipanaskan).

Resonator optik — jantung laser

Resonator optik adalah sistem sepasang cermin, dalam kes paling mudah, dua cermin (cekung atau selari) dipasang bertentangan antara satu sama lain, dan di antara mereka sepanjang paksi optik biasa terdapat medium aktif dalam bentuk kristal atau kuvet dengan gas. Foton yang melalui sudut melalui medium meninggalkannya di sisi, dan mereka yang bergerak di sepanjang paksi, dipantulkan beberapa kali, dikuatkan dan keluar melalui cermin lut sinar.

Ini menghasilkan sinaran laser - pancaran foton koheren - pancaran yang diarahkan dengan ketat. Semasa satu laluan cahaya antara cermin, magnitud keuntungan mesti melebihi ambang tertentu - jumlah kehilangan sinaran melalui cermin kedua (semakin baik cermin memancar, lebih tinggi ambang ini mesti).

Agar penguatan cahaya dapat dijalankan dengan berkesan, bukan sahaja perlu meningkatkan laluan cahaya di dalam medium aktif, tetapi juga untuk memastikan bahawa gelombang yang meninggalkan resonator berada dalam fasa antara satu sama lain, maka gelombang yang mengganggu akan memberi amplitud maksimum yang mungkin.

Untuk mencapai matlamat ini, adalah perlu bahawa setiap gelombang dalam resonator kembali ke titik pada cermin sumber dan secara umum, pada mana-mana titik dalam medium aktif, berada dalam fasa dengan gelombang primer selepas bilangan pantulan sempurna yang sewenang-wenangnya. . Ini mungkin apabila laluan optik yang dilalui oleh gelombang antara dua pulangan memenuhi syarat:

di mana m ialah integer, dalam kes ini perbezaan fasa akan menjadi gandaan 2P:

Sekarang, kerana setiap gelombang berbeza dalam fasa daripada yang sebelumnya sebanyak 2pi, ini bermakna semua gelombang yang meninggalkan resonator akan berada dalam fasa antara satu sama lain, memberikan gangguan amplitud maksimum. Resonator akan mempunyai sinaran selari hampir monokromatik pada output.

Operasi cermin di dalam resonator akan memberikan penguatan mod yang sepadan dengan gelombang berdiri di dalam resonator; mod lain (timbul disebabkan oleh keanehan keadaan sebenar) akan menjadi lemah.

Laser ruby ​​— keadaan pepejal pertama

Peranti keadaan pepejal pertama dibina pada tahun 1960 oleh ahli fizik Amerika Theodore Maiman. Ia adalah laser delima (delima - Al2O3, di mana beberapa tapak kekisi - dalam 0.5% - digantikan dengan kromium terion tiga kali ganda; lebih banyak kromium, lebih gelap warna kristal delima).

Laser berfungsi pertama yang berjaya direka oleh Dr. Ted Mayman pada tahun 1960.

Silinder delima yang diperbuat daripada kristal paling homogen, dengan diameter 4 hingga 20 mm dan panjang 30 hingga 200 mm, diletakkan di antara dua cermin yang dibuat dalam bentuk lapisan perak yang digunakan pada hujung yang digilap dengan teliti ini. silinder. Lampu nyahcas gas berbentuk lingkaran mengelilingi silinder sepanjang keseluruhannya dan dibekalkan dengan voltan tinggi melalui kapasitor.

Apabila lampu dihidupkan, delima disinari dengan kuat, manakala atom kromium bergerak dari tahap 1 ke tahap 3 (mereka berada dalam keadaan teruja ini kurang daripada 10-7 saat), di sinilah kemungkinan besar peralihan ke tahap 2 direalisasikan — ke tahap metastabil. Tenaga yang berlebihan dipindahkan ke dalam kekisi kristal delima. Peralihan spontan dari tahap 3 ke tahap 1 adalah tidak penting.

Peralihan dari tahap 2 ke tahap 1 dilarang oleh peraturan pemilihan, jadi tempoh tahap ini adalah kira-kira 10-3 saat, iaitu 10,000 kali lebih lama daripada tahap 3, akibatnya, atom terkumpul dalam delima dengan tahap 2 — ini ialah populasi terbalik tahap 2.

Timbul secara spontan semasa peralihan spontan, foton boleh menyebabkan peralihan paksa dari tahap 2 ke tahap 1 dan mencetuskan longsoran foton sekunder, tetapi peralihan spontan ini adalah rawak dan fotonnya merambat secara huru-hara, kebanyakannya meninggalkan resonator melalui dinding sisinya.

Tetapi foton yang mengenai paksi mengalami beberapa pantulan dari cermin, secara serentak menyebabkan pancaran paksa foton sekunder, yang sekali lagi mencetuskan pelepasan yang dirangsang, dan sebagainya. Foton ini akan bergerak ke arah yang serupa dengan yang primer dan fluks di sepanjang paksi kristal akan meningkat seperti runtuhan salji.

Aliran foton berganda akan keluar melalui cermin lut sinar sisi resonator dalam bentuk pancaran cahaya berarah ketat dengan intensiti yang sangat besar. Laser delima beroperasi pada panjang gelombang 694.3 nm, manakala kuasa nadi boleh sehingga 109 W

Laser neon dengan helium

Laser helium-neon (helium / neon = 10/1) adalah salah satu laser gas yang paling popular. Tekanan dalam campuran gas adalah kira-kira 100 Pa.Neon berfungsi sebagai gas aktif, ia menghasilkan foton dengan panjang gelombang 632.8 nm dalam mod berterusan. Fungsi helium adalah untuk mencipta populasi songsang daripada salah satu tahap tenaga atas neon. Lebar spektrum laser sedemikian adalah kira-kira 5 * 10-3 Hz Panjang koheren 6 * 1011 m, masa koheren 2 * 103 ° C.

Apabila laser helium-neon dipam, nyahcas elektrik voltan tinggi mendorong peralihan atom helium kepada keadaan teruja metastabil paras E2. Atom helium ini berlanggar secara tidak kenyal dengan atom neon dalam keadaan dasar E1, memindahkan tenaganya. Tenaga tahap E4 neon adalah lebih tinggi daripada tahap E2 helium sebanyak 0.05 eV. Kekurangan tenaga dikompensasikan oleh tenaga kinetik perlanggaran atom. Akibatnya, pada tahap E4 neon, populasi songsang berkenaan dengan tahap E3 diperolehi.

Jenis-jenis laser moden

Mengikut keadaan medium aktif, laser dibahagikan kepada: pepejal, cecair, gas, semikonduktor, dan juga kristal. Mengikut kaedah mengepam, mereka boleh: optik, kimia, pelepasan gas. Mengikut sifat penjanaan, laser dibahagikan kepada: berterusan dan berdenyut. Jenis laser ini memancarkan sinaran dalam julat spektrum elektromagnet yang boleh dilihat.

Laser optik muncul lebih lewat daripada yang lain. Mereka mampu menghasilkan sinaran dalam julat inframerah dekat, sinaran tersebut (pada panjang gelombang sehingga 8 mikron) sangat sesuai untuk komunikasi optik. Laser optik mengandungi gentian dalam teras yang mana beberapa ion unsur nadir bumi yang sesuai telah diperkenalkan.

Panduan cahaya, seperti jenis laser lain, dipasang di antara sepasang cermin.Untuk mengepam, sinaran laser dengan panjang gelombang yang diperlukan dimasukkan ke dalam gentian, supaya ion unsur nadir bumi masuk ke dalam keadaan teruja di bawah tindakannya. Kembali ke keadaan tenaga yang lebih rendah, ion-ion ini memancarkan foton dengan panjang gelombang yang lebih panjang daripada laser permulaan.

Dengan cara ini, gentian bertindak sebagai sumber cahaya laser. Kekerapannya bergantung pada jenis unsur nadir bumi yang ditambahkan. Gentian itu sendiri diperbuat daripada fluorida logam berat, yang menghasilkan penjanaan sinaran laser yang cekap pada frekuensi julat inframerah.

Laser sinar-X menduduki bahagian bertentangan spektrum — antara ultraungu dan gamma — ini adalah susunan magnitud dengan panjang gelombang dari 10-7 hingga 10-12 m. Laser jenis ini mempunyai kecerahan nadi tertinggi bagi semua jenis laser.

Laser X-ray pertama dibina pada tahun 1985 di Amerika Syarikat, di Makmal Livermore. Lawrence. Laser yang dihasilkan pada ion selenium, julat panjang gelombang adalah dari 18.2 hingga 26.3 nm, dan kecerahan tertinggi jatuh pada garis panjang gelombang 20.63 nm. Hari ini, sinaran laser dengan panjang gelombang 4.6 nm telah dicapai dengan ion aluminium.

Laser sinar-X dijana oleh denyutan dengan tempoh 100 ps hingga 10 ns, yang bergantung pada jangka hayat pembentukan plasma.

Hakikatnya ialah medium aktif laser sinar-X ialah plasma terion yang tinggi, yang diperolehi, sebagai contoh, apabila filem nipis yttrium dan selenium disinari dengan laser berkuasa tinggi dalam spektrum yang boleh dilihat atau inframerah.

Tenaga laser sinar-X dalam nadi mencapai 10 mJ, manakala perbezaan sudut dalam pancaran adalah kira-kira 10 miliradian. Nisbah kuasa pam kepada sinaran langsung adalah kira-kira 0.00001.