Laseri esimest põhimõtet, mille füüsika põhines Plancki kiirgusseadusel, põhjendas teoreetiliselt Einstein 1917. aastal. Ta kirjeldas neeldumist, spontaanset ja stimuleeritud elektromagnetkiirgust tõenäosuskoefitsientide (Einsteini koefitsientide) abil.
Pioneerid
Theodor Meiman demonstreeris esimesena sünteetilise rubiini optilisel pumpamisel välklambiga rubiinlaseri tööpõhimõtet, mis tekitas koherentset impulsskiirgust lainepikkusega 694 nm.
1960. aastal lõid Iraani teadlased Javan ja Bennett esimese gaasikvantgeneraatori, kasutades He ja Ne gaaside segu vahekorras 1:10.
1962. aastal demonstreeris RN Hall esimest galliumarseniidi (GaAs) dioodlaserit, mis kiirgas lainepikkusel 850 nm. Hiljem samal aastal töötas Nick Golonyak välja esimese pooljuhtide nähtava valguse kvantgeneraatori.
Laserite disain ja tööpõhimõte
Iga lasersüsteem koosneb paigutatud aktiivsest kandjastpaari optiliselt paralleelse ja väga peegeldava peegli vahel, millest üks on poolläbipaistev, ja selle pumpamiseks mõeldud energiaallika vahel. Võimenduskeskkond võib olla tahke, vedel või gaas, millel on omadus võimendada seda läbiva valguslaine amplituudi stimuleeritud emissiooniga elektrilise või optilise pumpamisega. Aine asetatakse peeglipaari vahele nii, et neis peegelduv valgus läbib seda iga kord ja saavutades märkimisväärse võimenduse, tungib läbi poolläbipaistva peegli.
Kahetasandilised keskkonnad
Vaatleme laseri tööpõhimõtet aktiivse keskkonnaga, mille aatomitel on ainult kaks energiataset: ergastatud E2 ja põhiline E1 . Kui aatomid ergastatakse mis tahes pumpamismehhanismiga (optiline, elektrilahendus, voolu ülekanne või elektronpommitamine) olekusse E2, siis mõne nanosekundi pärast naasevad nad footoneid kiirgades põhiasendisse. energiast hν=E 2 - E1. Einsteini teooria kohaselt tekib emissioon kahel erineval viisil: kas selle indutseerib footon või toimub see spontaanselt. Esimesel juhul toimub stimuleeritud emissioon ja teisel juhul spontaanne emissioon. Termilise tasakaalu korral on stimuleeritud kiirguse tõenäosus palju väiksem kui spontaanse emissiooni korral (1:1033), seega on enamik tavapäraseid valgusallikaid ebaühtlased ja lasergenereerimine on võimalik ka muudes tingimustes kui termilised tasakaal.
Isegi väga tugevagapumpamisel saab kahetasandiliste süsteemide populatsiooni muuta ainult võrdseks. Seetõttu on optiliste või muude pumpamismeetodite abil populatsiooni inversiooni saavutamiseks vaja kolme- või neljatasandilisi süsteeme.
Mitmetasandilised süsteemid
Mis on kolmetasandilise laseri põhimõte? Kiiritus intensiivse valgusega sagedusega ν02 pumpab suure hulga aatomeid madalaim alt energiatasemelt E0 kõrgeimale energiatasemele E 2. Aatomite mittekiirguslik üleminek E2-lt E1 loob populatsiooni inversiooni E1 ja E vahel. 0 , mis praktikas on võimalik ainult siis, kui aatomid on pikka aega metastabiilses olekus E1, ja üleminek E2kuni E 1 läheb kiiresti. Kolmetasandilise laseri tööpõhimõte on nende tingimuste täitmine, mille tõttu E0 ja E1 vahel saavutatakse populatsiooni inversioon ja footonid võimenduvad energia E 1-E0 indutseeritud emissioon. Laiem E2 võib tõhusamaks pumpamiseks suurendada lainepikkuse neeldumisvahemikku, mille tulemuseks on stimuleeritud emissiooni suurenemine.
Kolmetasandiline süsteem nõuab väga suurt pumbavõimsust, kuna genereerimisega seotud madalam tase on põhitase. Sel juhul tuleb populatsiooni inversiooni toimumiseks pumbata üle poole aatomite koguarvust olekusse E1. Seda tehes raisatakse energiat. Pumpamisvõimsus võib olla märkimisväärnevähendada, kui madalam põlvkonna tase ei ole baastase, mis nõuab vähem alt neljatasemelist süsteemi.
Sõltuv alt toimeaine olemusest jaotatakse laserid kolme põhikategooriasse, nimelt tahked, vedelad ja gaasilised. Alates 1958. aastast, mil laserit esimest korda rubiinkristallides täheldati, on teadlased ja teadlased uurinud igas kategoorias mitmesuguseid materjale.
Tahkelaser
Tööpõhimõte põhineb aktiivse keskkonna kasutamisel, mis moodustub siirderühma metalli lisamisel isoleerivale kristallvõrele (Ti+3, Cr +3, V+2, С+2, Ni+2, Fe +2 jne), haruldaste muldmetallide ioonid (Ce+3, Pr+3, Nd +3, Pm+3, Sm+2, Eu +2, +3 , Tb+3, Dy+3, Ho+3 , Er +3, Yb+3 jne) ja aktiniidid nagu U+3. Ioonide energiatase vastutab ainult genereerimise eest. Alusmaterjali füüsikalised omadused, nagu soojusjuhtivus ja soojuspaisumine, on laseri tõhusaks tööks hädavajalikud. Võre aatomite paigutus legeeritud iooni ümber muudab selle energiataset. Erinevate materjalide sama iooniga legeerimisel saavutatakse aktiivses keskkonnas genereerimise erinevad lainepikkused.
Holmium laser
Tahkefaasilaseri näide on kvantgeneraator, milles holmium asendab kristallvõre põhiaine aatomi. Ho:YAG on üks parimaid põlvkonna materjale. Holmiumlaseri tööpõhimõte seisneb selles, et ütriumalumiiniumgranaat on legeeritud holmiumioonidega, pumbatakse optiliselt välklambiga ja kiirgab IR-vahemikus lainepikkusel 2097 nm, mis imendub hästi kudedesse. Seda laserit kasutatakse liigeste operatsioonideks, hammaste raviks, vähirakkude, neerude ja sapikivide aurustamiseks.
Pooljuhtide kvantgeneraator
Kvantkaevude laserid on odavad, masstootmisvõimelised ja kergesti skaleeritavad. Pooljuhtlaseri tööpõhimõte põhineb p-n-siirdedioodi kasutamisel, mis toodab kandja rekombinatsiooni teel positiivse nihkega teatud lainepikkusega valgust sarnaselt LED-idele. LED kiirgab spontaanselt ja laserdioodid - sunnitud. Populatsiooni inversiooni tingimuse täitmiseks peab töövool ületama läviväärtust. Pooljuhtdioodi aktiivne keskkond on kahe kahemõõtmelise kihi ühenduspiirkonna kuju.
Seda tüüpi laserite tööpõhimõte on selline, et võnkumiste säilitamiseks pole vaja välist peeglit. Kihtide murdumisnäitaja ja aktiivse keskkonna sisepeegelduse tekitatud peegeldusvõime on selleks piisav. Dioodide otsapinnad on killustatud, mis tagab peegeldavate pindade paralleelsuse.
Sama tüüpi pooljuhtmaterjalidest moodustatud ühendust nimetatakse homoliitmiks ja ühendust, mis tekib kahe erineva ühendusegaheteroristmik.
P- ja n-tüüpi pooljuhid, millel on suur kande tihedus, moodustavad p-n-siirde väga õhukese (≈1 µm) tühjenduskihiga.
Gaasilaser
Seda tüüpi laseri tööpõhimõte ja kasutamine võimaldab teil luua peaaegu igasuguse võimsusega (millivatist megavatini) ja lainepikkusega (UV-st infrapunani) seadmeid ning võimaldab töötada impulss- ja pidevrežiimis. Sõltuv alt aktiivse keskkonna olemusest on olemas kolme tüüpi gaasikvantgeneraatoreid, nimelt aatom-, ioon- ja molekulaargeneraatoreid.
Enamik gaasilasereid pumbatakse elektrilahendusega. Lahendustorus olevaid elektrone kiirendab elektroodidevaheline elektriväli. Nad põrkuvad aktiivse keskkonna aatomite, ioonide või molekulidega ja kutsuvad esile ülemineku kõrgemale energiatasemele, et saavutada populatsiooni inversiooni ja stimuleeritud emissiooni olek.
Molekulaarlaser
Laseri tööpõhimõte põhineb asjaolul, et erinev alt isoleeritud aatomitest ja ioonidest on aatomi- ja ioonkvantgeneraatorite molekulidel laiad diskreetse energiatasemega energiaribad. Lisaks on igal elektroonilisel energiatasemel suur hulk vibratsioonitasemeid ja neil omakorda mitu pöörlemistasandit.
Elektrooniliste energiatasemete vaheline energia on spektri UV- ja nähtavates piirkondades, vibratsiooni-pöörlemistasandite vahel aga kaugemas ja lähis-IR-salad. Seega töötab enamik molekulaarkvantgeneraatoreid infrapuna kaugemas või lähipiirkonnas.
Eksimerlaserid
Eksimeerid on molekulid nagu ArF, KrF, XeCl, millel on eraldatud põhiolek ja mis on esimesel tasemel stabiilsed. Laseri tööpõhimõte on järgmine. Reeglina on põhiolekus molekulide arv väike, seega pole põhiolekust otsene pumpamine võimalik. Molekulid tekivad esimeses ergastatud elektroonilises olekus suure energiaga halogeniidide kombineerimisel inertgaasidega. Inversiooni populatsioon on kergesti saavutatav, kuna molekulide arv baastasemel on ergastatud molekuliga võrreldes liiga väike. Lühid alt öeldes on laseri tööpõhimõte üleminek seotud ergastatud elektroonilisest olekust dissotsiatiivsesse põhiolekusse. Põhiseisundi populatsioon jääb alati madalale tasemele, kuna molekulid dissotsieeruvad selles punktis aatomiteks.
Laserite seade ja tööpõhimõte seisneb selles, et väljalasketoru täidetakse halogeniidi (F2) ja haruldaste muldmetallide (Ar) seguga. Selles olevad elektronid dissotsieerivad ja ioniseerivad halogeniidmolekule ning loovad negatiivselt laetud ioone. Positiivsed ioonid Ar+ ja negatiivsed F- reageerivad ja toodavad ArF-molekule esimeses ergastatud seotud olekus koos järgneva üleminekuga tõrjuvasse baasolekusse ja koherentne kiirgus. Pumpamiseks saab kasutada eksimeerlaserit, mille tööpõhimõtet ja rakendust me praegu kaalumeaktiivne sööde värvainetel.
Vedellaser
Tahke ainetega võrreldes on vedelikud homogeensemad ja aktiivsete aatomite tihedusega suurem kui gaasidel. Lisaks sellele on neid lihtne valmistada, need võimaldavad kergesti soojust hajutada ja neid on lihtne asendada. Laseri tööpõhimõte on kasutada aktiivse keskkonnana orgaanilisi värvaineid, nagu DCM (4-ditsüanometüleen-2-metüül-6-p-dimetüülaminostürüül-4H-püraan), rodamiin, stürüül, LDS, kumariin, stilbeen jne… lahustatud sobivas lahustis. Värvimolekulide lahus ergastatakse kiirgusega, mille lainepikkusel on hea neeldumistegur. Lühid alt laseri tööpõhimõte on genereerida pikemal lainepikkusel, mida nimetatakse fluorestsentsiks. Erinevus neeldunud energia ja emiteeritud footonite vahel kasutatakse ära mittekiirguse energia üleminekutes ja see soojendab süsteemi.
Vedelkvantgeneraatorite laiemal fluorestsentsiribal on ainulaadne omadus – lainepikkuse häälestamine. Seda tüüpi laseri tööpõhimõte ja kasutamine häälestatava ja koherentse valgusallikana muutub spektroskoopias, holograafias ja biomeditsiinilistes rakendustes üha olulisemaks.
Hiljuti on isotoopide eraldamiseks kasutatud värvikvantgeneraatoreid. Sel juhul ergastab laser selektiivselt ühte neist, ajendades neid keemilisse reaktsiooni.
