Lézer — készülék és működési elv
A fény normál viselkedése közegen áthaladva
Normális esetben, amikor a fény áthalad egy közegen, annak intenzitása csökken. Ennek a csillapításnak a számértéke megtalálható a Bouguer-törvényből:
Ebben az egyenletben a közegbe belépő és onnan kilépő I fényintenzitáson kívül szerepel még egy tényező, amelyet a közeg lineáris fényelnyelési együtthatójának neveznek. A hagyományos optikában ez az együttható mindig pozitív.
Negatív fényelnyelés
Mi van, ha valamilyen okból az abszorpciós együttható negatív? Akkor mit? A fény erősödni fog, ahogy áthalad a közegen; valójában a közeg negatív abszorpciót fog mutatni.
Az ilyen kép megfigyelésének feltételeit mesterségesen lehet megteremteni. A javasolt jelenség megvalósításának útjára vonatkozó elméleti koncepciót Valentin Alekszandrovics Fabrikant szovjet fizikus fogalmazta meg 1939-ben.
A rajta áthaladó hipotetikus fényerősítő közeg elemzése során Fabrikant a fényerősítés elvét javasolta. És 1955-benNyikolaj Genadijevics Basov és Alekszandr Mihajlovics Prohorov szovjet fizikusok ezt a Fabrikant-ötletet alkalmazták az elektromágneses spektrum rádiófrekvenciás tartományára.
Tekintsük a negatív abszorpció lehetőségének fizikai oldalát. Idealizált formában az atomok energiaszintjei vonalakként ábrázolhatók – mintha az egyes állapotú atomoknak csak szigorúan meghatározott E1 és E2 energiájuk lenne. Ez azt jelenti, hogy állapotból állapotba való átmenet során egy atom vagy kizárólag pontosan meghatározott hullámhosszú monokromatikus fényt bocsát ki vagy nyel el.
De a valóság távol áll az ideálistól, sőt az atomok energiaszintjei bizonyos véges szélességgel rendelkeznek, vagyis nem pontos értékek sorai. Ezért a szintek közötti átmenetek során a kibocsátott vagy elnyelt frekvenciák egy bizonyos tartománya is lesz dv, amely az energiaszintek szélességétől függ, amelyek között az átmenet megtörténik. Az E1 és E2 értékei csak az atom középső energiaszintjeinek jelölésére használhatók.
Tehát, mivel feltételeztük, hogy E1 és E2 az energiaszintek felezőpontja, tekinthetünk egy atomot ebben a két állapotban. Legyen E2>E1. Egy atom elnyelheti vagy kibocsáthatja az elektromágneses sugárzást, amikor e szintek között halad át. Tegyük fel, hogy az E1 alapállapotban egy atom E2-E1 energiájú külső sugárzást nyel el, és E2 gerjesztett állapotba ment (az ilyen átmenet valószínűsége arányos a B12 Einstein-együtthatóval).
E2 gerjesztett állapotban az E2-E1 energiájú külső sugárzás hatására az atom E2-E1 energiájú kvantumot bocsát ki, és E1 energiájú alapállapotba kényszerül (az átmenet valószínűsége arányos az Einstein-együttható B21).
Ha egy párhuzamos, w (v) térfogat-spektrális sűrűségű monokromatikus sugárzás áthalad egy olyan anyagon, amelynek rétegének keresztmetszete egységnyi és vastagsága dx, akkor intenzitása a következő értékkel változik:
Itt n1 az atomok koncentrációja az E1 állapotokban, n2 az atomok koncentrációja az E2 állapotokban.
Az egyenlet jobb oldalán lévő feltételeket behelyettesítve, feltételezve, hogy B21 = B12, majd a kifejezést B21-re behelyettesítve megkapjuk a fényintenzitás változásának egyenletét szűk energiaszinteken:
A gyakorlatban, ahogy fentebb említettük, az energiaszintek nem végtelenül szűkek, ezért a szélességüket is figyelembe kell venni. Annak érdekében, hogy ne zsúfoljuk el a cikket az átalakítások leírásával és egy csomó képlettel, egyszerűen megjegyezzük, hogy egy frekvenciatartomány megadásával, majd az x-en keresztüli integrációval egy képlethez jutunk az átlag valós abszorpciós együtthatójának meghatározásához:
Mivel nyilvánvaló, hogy termodinamikai egyensúlyi körülmények között az alacsonyabb energiaállapotú E1 atomok n1 koncentrációja mindig nagyobb, mint a magasabb E2 állapotú atomok n2 koncentrációja, a negatív abszorpció normál körülmények között lehetetlen, nem erősíthető. fényt csak úgy, hogy egy valós környezeten megy keresztül anélkül, hogy bármilyen extra intézkedést tenne...
Ahhoz, hogy a negatív abszorpció lehetővé váljon, olyan feltételeket kell teremteni, amikor az E2 gerjesztett állapotban lévő atomok koncentrációja a közegben nagyobb lesz, mint az E1 alapállapotú atomok koncentrációja, vagyis meg kell szervezni az atomok fordított eloszlása a közegben energiaállapotuk szerint.
A környezet energiaszivattyúzásának szükségessége
Az energiaszintek fordított populációjának megszervezéséhez (aktív közeg előállításához) szivattyúzást (pl. optikai vagy elektromos) használnak. Az optikai pumpálás magában foglalja az atomok által rájuk irányuló sugárzás elnyelését, aminek következtében ezek az atomok gerjesztett állapotba kerülnek.
Az elektromos szivattyúzás gázközegben magában foglalja az atomok gerjesztését a gázkisülésben lévő elektronokkal való rugalmatlan ütközések révén. Fabrikant szerint az atomok alacsony energiájú állapotainak egy részét molekuláris szennyeződések segítségével kell megszüntetni.
Gyakorlatilag lehetetlen aktív közeget előállítani optikai pumpálással kétszintű közegben, mivel mennyiségileg az atomok egységnyi idő alatti átmenetei az E1 állapotból az E2 állapotba és fordítva (!) ebben az esetben egyenértékűek lesznek, ami azt jelenti, hogy legalább háromszintű rendszerhez kell folyamodni.
Vegyünk egy háromlépcsős szivattyúrendszert. Hagyja, hogy az E3-E1 fotonenergiájú külső sugárzás a közegre hat, miközben a közegben lévő atomok az E1 energiájú állapotból az E3 energiájú állapotba mennek. Az E3 energiaállapotból spontán átmenet lehetséges az E2 állapotba és az E1 állapotba. Az inverz populáció eléréséhez (amikor több E2 szintű atom van egy adott közegben), az E2 szintet hosszabb élettartamúvá kell tenni, mint az E3. Ehhez fontos a következő feltételek betartása:
Ezeknek a feltételeknek való megfelelés azt jelenti, hogy az E2 állapotú atomok tovább maradnak, vagyis az E3-ból E1-be és E3-ból E2-be spontán átmenetek valószínűsége meghaladja az E2-ből E1-be való spontán átmenetek valószínűségét. Ekkor az E2 szint tartósabbnak bizonyul, és az ilyen E2 szintű állapot metastabilnak nevezhető. Ezért amikor a v = (E3 - E1) / h frekvenciájú fény áthalad egy ilyen aktív közegen, ez a fény felerősödik. Hasonlóan négyszintű rendszer is használható, ekkor az E3 szint lesz metastabil.
Lézeres készülék
Így a lézer három fő komponensből áll: egy aktív közeget (amelyben az atomok energiaszintjének populációs inverziója jön létre), egy szivattyúrendszert (a populáció inverziójának elérésére szolgáló eszközt) és egy optikai rezonátort (amely felerősíti a sugárzást). sokszor és a kimenet irányított nyalábját alkotja). Az aktív közeg lehet szilárd, folyékony, gáz vagy plazma.
A szivattyúzás folyamatos vagy impulzusos. Folyamatos szivattyúzásnál a közeg betáplálását a közeg túlmelegedése és ennek következményei korlátozzák. Az impulzusos szivattyúzásnál az egyes impulzusok nagy teljesítménye miatt a közegbe részenként bevitt hasznos energia többet nyer.
Különböző lézerek – különböző szivattyúzás
A szilárdtestlézereket úgy pumpálják, hogy a munkaközeget erőteljes gázkisüléses villanással, fókuszált napfénnyel vagy más lézerrel sugározzák be.Ez mindig impulzusszivattyúzás, mert a teljesítmény olyan nagy, hogy a munkarúd folyamatos működés közben összeesik.
A folyadék- és gázlézereket elektromos kisüléssel szivattyúzzák.A kémiai lézerek kémiai reakciók lezajlását feltételezik aktív közegükben, melynek eredményeként vagy a reakció termékeiből, vagy megfelelő szintszerkezetű speciális szennyeződésekből nyerik az atomok fordított populációját.
A félvezető lézereket előremenő árammal, pn átmeneten keresztül vagy elektronsugárral pumpálják. Ezenkívül léteznek olyan szivattyúzási módszerek, mint a fotodisszociáció vagy a gázdinamikus módszer (a felmelegített gázok hirtelen lehűtése).
Optikai rezonátor – a lézer szíve
Az optikai rezonátor egy tükörpárból álló rendszer, a legegyszerűbb esetben két egymással szemben rögzített (homorú vagy párhuzamos) tükör, amelyek között egy közös optikai tengely mentén aktív közeg található kristály vagy tükör formájában. küvetta gázzal. A közegen szögben áthaladó fotonok oldalt hagyják el, a tengely mentén mozgó fotonok pedig többszörösen visszaverődnek, felerősödnek és egy áttetsző tükörön keresztül távoznak.
Ez lézersugárzást – koherens fotonokból álló sugarat – állít elő, szigorúan irányított sugarat. A tükrök közötti egy fényáteresztés során az erősítés nagyságának meg kell haladnia egy bizonyos küszöböt – a második tükörön keresztüli sugárzási veszteséget (minél jobban átereszt a tükör, annál magasabbnak kell lennie ennek a küszöbnek).
A fényerősítés hatékony végrehajtásához nem csak a fény útját kell növelni az aktív közegben, hanem azt is biztosítani kell, hogy a rezonátorból kilépő hullámok fázisban legyenek egymással, akkor a zavaró hullámok a lehető legnagyobb amplitúdó.
E cél eléréséhez szükséges, hogy a rezonátorban a forrástükör egy pontjára visszatérő hullámok, és általában az aktív közeg bármely pontján, tetszőleges számú tökéletes visszaverődés után fázisban legyenek az elsődleges hullámmal. . Ez akkor lehetséges, ha a hullám által két visszatérés között megtett optikai út megfelel a feltételnek:
ahol m egy egész szám, ebben az esetben a fáziskülönbség 2P többszöröse lesz:
Nos, mivel mindegyik hullám fázisában 2pi-vel különbözik az előzőtől, ez azt jelenti, hogy a rezonátort elhagyó összes hullám fázisban lesz egymással, ami maximális amplitúdójú interferenciát okoz. A rezonátor kimenetén szinte monokromatikus párhuzamos sugárzás lesz.
A rezonátor belsejében lévő tükrök működése biztosítja a rezonátoron belüli állóhullámoknak megfelelő üzemmódok erősítését; más módok (a valós körülmények sajátosságai miatt) gyengülnek.
Rubinlézer – az első szilárd halmazállapotú
Az első szilárdtest-eszközt Theodore Maiman amerikai fizikus építette 1960-ban. Rubinlézer volt (rubin – Al2O3, ahol a rácshelyek egy részét – 0,5%-on belül – háromszorosan ionizált króm helyettesíti; minél több a króm, annál sötétebb a rubinkristály színe).
Az első sikeres működő lézer, amelyet Dr. Ted Mayman tervezett 1960-ban.
A leghomogénebb kristályból készült, 4-20 mm átmérőjű és 30-200 mm hosszúságú rubinhengert két ezüstrétegből készült tükör közé helyezzük, amelyeket ennek gondosan polírozott végeire viszünk fel. henger. A spirál alakú gázkisülési lámpa teljes hosszában körülvesz egy hengert, és egy kondenzátoron keresztül kapja a nagyfeszültséget.
A lámpa bekapcsolásakor a rubint intenzíven besugározzák, míg a króm atomok az 1-es szintről a 3-as szintre (kevesebb, mint 10-7 másodpercig vannak ebben a gerjesztett állapotban), itt a legvalószínűbb az átmenet 2. szint valósul meg – egy metastabil szintre. A felesleges energia a rubin kristályrácsba kerül. A spontán átmenetek a 3. szintről az 1. szintre jelentéktelenek.
A 2-es szintről az 1-es szintre való átmenetet tiltják a kiválasztási szabályok, így ennek a szintnek az időtartama körülbelül 10-3 másodperc, ami 10 000-szer hosszabb, mint a 3-as szinten, ennek következtében a 2-es szintű rubinban atomok halmozódnak fel — ez a 2. szint fordított sokasága.
A spontán átmenetek során spontán keletkező fotonok kényszerű átmeneteket idézhetnek elő a 2. szintről az 1. szintre, és másodlagos fotonok lavináját válthatják ki, de ezek a spontán átmenetek véletlenszerűek, és fotonjaik kaotikusan terjednek, többnyire az oldalfalán keresztül hagyják el a rezonátort.
A tengelyt eltaláló fotonok azonban többszörös visszaverődésen mennek keresztül a tükrökről, ezzel egyidejűleg másodlagos fotonok kényszeremisszióját okozva, amelyek ismét kiváltják a stimulált emissziót, és így tovább. Ezek a fotonok az elsődleges fotonokhoz hasonló irányba fognak mozogni, és a kristály tengelye mentén a fluxus lavinaszerűen nő.
A megsokszorozott fotonáram a rezonátor oldalsó áttetsző tükrén keresztül, szigorúan irányított, kolosszális intenzitású fénysugár formájában lép ki. A rubinlézer 694,3 nm hullámhosszon működik, az impulzusteljesítmény pedig akár 109 W is lehet
Neonlézer héliummal
A hélium-neon (hélium / neon = 10/1) lézer az egyik legnépszerűbb gázlézer. A gázelegy nyomása körülbelül 100 Pa.A neon aktív gázként szolgál, folyamatos üzemmódban 632,8 nm hullámhosszú fotonokat állít elő. A hélium feladata, hogy a neon egyik felső energiaszintjéből fordított populációt hozzon létre. Egy ilyen lézer spektrumszélessége körülbelül 5 * 10-3 Hz Koherencia hossza 6 * 1011 m, koherencia ideje 2 * 103 ° C.
Hélium-neon lézer szivattyúzásakor egy nagyfeszültségű elektromos kisülés indukálja a hélium atomok átalakulását az E2 szint metastabil gerjesztett állapotába. Ezek a hélium atomok rugalmatlanul ütköznek az E1 alapállapotú neonatomokkal, átadva energiájukat. A neon E4 szintjének energiája 0,05 eV-tal magasabb a hélium E2 szintjénél. Az energiahiányt az atomi ütközések mozgási energiája kompenzálja. Ennek eredményeként a neon E4 szintjén az E3 szinthez képest fordított populációt kapunk.
A modern lézerek típusai
Az aktív közeg állapota szerint a lézereket szilárdra, folyékonyra, gázra, félvezetőre és kristályra osztják. A szivattyúzási módszer szerint lehetnek: optikai, kémiai, gázkisülések. A generálás jellege szerint a lézereket folyamatos és impulzusos lézerekre osztják. Az ilyen típusú lézerek az elektromágneses spektrum látható tartományában bocsátanak ki sugárzást.
Az optikai lézerek később jelentek meg, mint mások. Képesek közeli infravörös tartományban sugárzást generálni, az ilyen sugárzás (akár 8 mikron hullámhosszon) optikai kommunikációra nagyon alkalmas. Az optikai lézerek olyan szálat tartalmaznak, amelynek magjába számos alkalmas ritkaföldfém elem ionját vezették be.
A fényvezető más típusú lézerekhez hasonlóan egy pár tükör közé van felszerelve.A szivattyúzáshoz a szükséges hullámhosszú lézersugárzást táplálják be a szálba, így a ritkaföldfémek ionjai gerjesztett állapotba kerülnek működése során. Visszatérve egy alacsonyabb energiájú állapotba, ezek az ionok hosszabb hullámhosszú fotonokat bocsátanak ki, mint az indító lézeré.
Ily módon a szál a lézerfény forrásaként működik. Gyakorisága a hozzáadott ritkaföldfém elemek típusától függ. Maga a szál nehézfém-fluoridból készül, ami az infravörös tartomány frekvenciáján hatékony lézersugárzást eredményez.
A röntgenlézerek a spektrum ellenkező oldalát foglalják el - az ultraibolya és a gamma között -, ezek nagyságrendek 10-7 és 10-12 m közötti hullámhosszúsággal. Az ilyen típusú lézerek a legmagasabb impulzusfényességgel rendelkeznek az összes lézertípus közül.
Az első röntgenlézert 1985-ben építették az USA-ban, a Livermore Laboratory-ban. Lawrence. A szelénionokon generált lézer hullámhossz-tartománya 18,2-26,3 nm, a legnagyobb fényerő a 20,63 nm-es hullámhossz-vonalra esik. Ma már 4,6 nm hullámhosszú lézersugárzást sikerült elérni alumíniumionokkal.
A röntgenlézert 100 ps és 10 ns közötti időtartamú impulzusok állítják elő, ami a plazmaképződés élettartamától függ.
A tény az, hogy a röntgenlézer aktív közege egy erősen ionizált plazma, amelyet például akkor kapnak, ha egy vékony ittrium- és szelénfilmet nagy teljesítményű lézerrel besugároznak a látható vagy infravörös spektrumban.
A röntgenlézer energiája egy impulzusban eléri a 10 mJ-t, míg a sugár szögdivergencia körülbelül 10 milliradián. A szivattyú teljesítményének a közvetlen sugárzáshoz viszonyított aránya körülbelül 0,00001.