Ilana ti laser: awọn ẹya ara ẹrọ ti itọsi laser

Ilana ti akọkọ ti iṣẹ laser, ti iṣe ti fisiksi ti o da lori ofin Ìtọjú Ìtọjú, ti a ti ṣe atilẹyin nipasẹ Einstein ni ọdun 1917. O ṣàpèjúwe gbigba, lẹẹkọkan ati ki o mu iṣan-itanna ti itanna pẹlu iranlọwọ ti awọn ibaraẹnisọrọ iṣeeṣe (awọn coefficients Einstein).

Pioneers

Teodor Meyman wà ni akọkọ lati fi awọn opo ti igbese ti a Ruby lesa, da lori awọn opitika fun lilo a filasi fitila sintetiki Ruby, gbogbo awọn soro Ìtọjú pẹlu kan wefulenti ti 694 nm.

Ni ọdun 1960, awọn onimo ijinlẹ Iran Iran Javan ati Bennett ṣẹda akọkọ akojopo ina mọnamọna gas pẹlu lilo adalu O ati Awọn gas ni ipin 1:10.

Ni 1962, R. N. Hall mu ki a akọkọ ẹrọ ẹlẹnu meji lesa ṣe ti gallium arsenide (GaAs), emitting ni a wefulenti ti 850 nm. Nigbamii ni ọdun yẹn Nick Golonyak ni idagbasoke ni akọkọ monomono onigun mẹta ti imọlẹ ti o han.

Ẹrọ ati opo ti isẹ ti awọn laser

Eto oriṣiriṣi kọọkan jẹ išẹ alabọde ti a gbe laarin awọn meji ti awọn awoṣe ti o ni afihan ati ti o ga julọ, ọkan ninu eyiti jẹ iyipada, ati orisun agbara fun fifa rẹ. Alabọde iṣelọpọ le jẹ okun to lagbara, omi tabi gaasi ti o ni ohun ini ti titobi titobi ti igbi ina ti o kọja nipasẹ rẹ nipasẹ fifun ifasilẹ pẹlu itanna tabi gbigbọn opitika. A gbe nkan naa si laarin awọn digi meji ni iru ọna ti imọlẹ ti o tan ninu wọn kọja nipasẹ rẹ nigbakugba ati, ti o ni ere ti o pọju, wọ inu ilokuran translucent.

Awọn alabọde ipele meji-ipele

Ro awọn opo ti lesa igbese pẹlu ohun ti nṣiṣe lọwọ alabọde ti awọn ọta ni nikan meji agbara awọn ipele: E yiya E ₂ ati mimọ _1. Ti o ba ti awọn ọta nipasẹ eyikeyi fun siseto (opitika, ina isun lọwọlọwọ tabi transmittance itanna bombardment) ni o wa yiya lati kan ipinle E _2, ni kan diẹ nanoseconds nwọn pada si awọn ipilẹ ipo, radiating agbara photons hν = E ₂ - E _1. Gẹgẹbi ilana Einstein, a ti yọjade kuro ni ọna meji: boya o jẹ pe photon ni idaduro, tabi o ṣẹlẹ laiparuwo. Ni akọkọ idi, o mu ifasilẹjade waye, ati ninu ọran keji - iyasọtọ ti a sọtọ. Ni gbona-wonsi, awọn iṣeeṣe ti ji to njade lara jẹ Elo kekere ju awọn lẹẹkọkan (1:10 ^33), ki julọ mora incoherent ina awọn orisun, ati lasing jẹ ṣee ṣe ni awọn ipo miiran ju gbona-wonsi.

Paapaa pẹlu fifa lagbara, awọn eniyan ti awọn ipele ọna-meji le ṣee ṣe deede. Nitorina, lati le ṣe aṣeyọri awọn olugbe ti a ti npa nipasẹ iṣọkan tabi fifa miiran, a nilo awọn ọna ẹrọ mẹta tabi mẹrin.

Awọn ilana Multilevel

Kini ilana ti iṣẹ ti laser ipele mẹta? Awọn itanna ti intense ina ti igbohunsafẹfẹ ν ₀₂ bẹtiroli soke kan ti o tobi nọmba ti awọn ọta lati awọn ni asuwon ti agbara ipele E ₀ ati E ₂ ti oke. Radiationless orilede pẹlu awọn ọta E ₂ to E ₁ kale a olugbe ayida laarin E ₁ ati E _0, eyi ti o ni asa jẹ ṣee ṣe nikan nigbati awọn ọta wa ni a igba pipẹ ni a metastable ipinle E _1, ati awọn orilede lati E ₁ to E ₂ waye nyara. Awọn ọna opo ti a mẹta-ipele lesa jẹ ninu awọn ipo, ki laarin E ₀ ati E _1, awọn olugbe ayida ti waye si ti wa ni ariwo fotonu agbara E ₁ -E ₀ ji to njade lara. Anfani ipele E ₂ le mu awọn gbigba wefulenti ibiti o to daradara siwaju sii fifa, Abajade ni idagba ti awọn ji to njade lara.

Eto ipele mẹta fẹ agbara agbara ti o ga julọ, niwon ipele kekere ti o ni ipa ninu iran jẹ ipilẹ. Ni idi eyi, ni ibere lati olugbe ayida lodo to ipinle E ₁ lati wa ni ti fa diẹ ẹ sii ju idaji ninu awọn lapapọ nọmba ti awọn ọta. Bayi agbara ti wa ni sisonu. Agbara agbara fifa le dinku ti o ba ti ipele kekere ti iran kii ṣe ipilẹ, eyi ti o nilo ni o kere eto eto mẹrin.

Ti o da lori iru ohun elo ti nṣiṣe lọwọ, a ti pin awọn ina si awọn ẹka akọkọ, eyun, ti o lagbara, omi ati gaasi. Niwon ọdun 1958, nigbati a ṣe akiyesi iran akọkọ ni okuta crystal, awọn onimo ijinlẹ sayensi ati awọn awadi ti ṣe iwadi awọn ohun elo ti o yatọ ni ẹka kọọkan.

Laser-ipinle ipinle

Ni isẹ wa ni da lori awọn lilo ti ohun ti nṣiṣe lọwọ alabọde eyi ti o ti ni akoso nipa fifi ohun insulating gara latissi orilede irin (Ti ^+3, Kr ^+3, V ^+2, Co ^+2, Ni ^+2, Fe ^+2, ati bẹ lori. D.) , toje aiye ions (Ce ^+3, PR ^+3, nd ^+3, Pm ^+3, SM ^+2, Eu ^{+ 2, + 3,} jẹdọjẹdọ ^+3, Dy ^+3, Ho ^+3, Eri ^+3, Yb ⁺³ , et al.), ati awọn actinides bi U ^+3. Ni agbara ipele ti awọn ions lodidi nikan fun awọn iran. Ara-ini ti awọn mimọ awọn ohun elo ti, gẹgẹ bi awọn gbona iba ina elekitiriki ati gbona imugboroosi ni o wa pataki lati awọn daradara isẹ ti awọn lesa. Eto ti awọn ọpa atisẹ ni ayika ipara ti o dipo ti pa awọn ipele agbara rẹ pada. Awọn igbiyanju oniruru awọn iran ti awọn iran ni alabọde ti nṣiṣe lọwọ ni a ṣe nipasẹ doping awọn ohun elo ọtọtọ pẹlu iwọn kanna.

Ofin lasẹmu

Apeere kan ti lasẹdi-aladidi-agbara jẹ monomono monomono ninu eyiti holmium rọpo atọmu ti awọn ohun elo ipilẹ ti lattice crystal. Ho: YAG jẹ ọkan ninu awọn ohun elo ti o dara julọ. Awọn opo ti laser holmium ni pe a ti fi idọn aluminiomu-yttrium ti doped pẹlu awọn ions holmium, ti o ti ni gbigbọn ni kikun nipasẹ fitila atupa ati awọn gbigbe ni igbẹ igbiyanju 2097 nm ninu ẹgbẹ IR, eyiti o jẹ ki awọn tisusilẹ dara julọ. A lo lasita yii fun awọn iṣẹ lori awọn isẹpo, ni itọju awọn eyin, fun evaporation ti awọn ẹyin ti iṣan, awọn ọmọ aisan ati awọn gallstones.

Oludari ẹrọ itọnisọna-ẹrọ

Lasers ni awọn apo-omi titobi jẹ iye owo alailowaya, wọn gba ṣiṣe iṣelọpọ ati pe o rọrun ni iwọn. Awọn ọna opo ti awọn semikondokito lesa da lori awọn lilo ti PN-ẹrọ ẹlẹnu meji junction, eyi ti o fun wa imọlẹ kan awọn wefulenti nipasẹ awọn ikojọpọ tuntun ti awọn ti ngbe ni a rere irẹjẹ, bi LED. LED n jade laipẹkan, ati diodes laser - fi agbara mu. Lati mu ipo iṣiro olugbe, ipo ti nṣiṣe lọwọ gbọdọ kọja iye alawọ. Alabọde ti nṣiṣe lọwọ ninu diode semikondokita ni oriṣi agbegbe ti o ni asopọ ti awọn ipele fẹlẹfẹlẹ meji.

Ilana ti išišẹ laser iru yii jẹ iru bẹ pe ko si digi ita ti o nilo lati ṣetọju awọn gbigbọn. The reflective agbara, da nitori si awọn refractive Ìwé fẹlẹfẹlẹ ati awọn ti abẹnu otito ti awọn ti nṣiṣe lọwọ alabọde, to fun idi eyi. Awọn igbẹhin opin ti awọn diodes ti wa ni pipin, eyi ti o ṣe idaniloju pe irufẹ ti awọn oriṣiriṣi imọlẹ.

Apọju ti o ṣelọpọ nipasẹ awọn ohun elo semikondokita ti irufẹ bẹẹ ni a npe ni iṣiro kan, o si ṣẹda nipasẹ apapo ti awọn oriṣiriṣi meji - ẹda-ọrọ kan.

Awọn akọọmọ ti p ati n pẹlu iwọn iwo giga ti o ni ọna ti o n ṣe idapọ pn pẹlu awọ kekere ti o nipọn (≈1 μm).

Gaasi ina

Ilana ti išišẹ ati lilo ti iru inaṣe yi ṣe o ṣee ṣe lati ṣẹda awọn ẹrọ ti fere eyikeyi agbara (lati milliwatts si megawatts) ati awọn igbiyanju (lati UV si IR) ati ki o fun laaye lati ṣiṣẹ ni awọn ọna ti o ti nlọ ati ṣiwaju. Da lori iru media ti nṣiṣe lọwọ, awọn oriṣiriṣi awọn oniruuru kemikali isamisi, eyini, atomiki, ionic, ati molikula.

Ọpọlọpọ awọn ina mọnamọna gaasi ti wa ni agbara pẹlu idaduro ina. Awọn ohun itanna ni apo idaduro ti wa ni itọju nipasẹ aaye ina kan laarin awọn itanna. Wọn nkopọ pẹlu awọn ọta, awọn ions tabi awọn ohun elo ti alabọde ti nṣiṣe lọwọ ati ki o mu ki awọn iyipada si awọn ipele agbara ti o ga julọ lati ṣe aṣeyọri ti ipinle ti inversion ati ki o ṣe atilẹyin iṣeduro.

Imọ oṣuwọn iṣan

Ilana ti laser wa da lori otitọ pe, laisi awọn aami atokọ ati awọn ions, ni atomiki ati awọn oniṣan titobi titobi aluminiomu, awọn ohun elo ni awọn iwọn agbara agbara ti awọn ipele agbara ti o mọ. Ni idi eyi, ipele agbara agbara ina ni nọmba to pọju ti awọn ipele gbigbọn, ati pe, ni iyọ, ni irọrun sẹhin.

Agbara laarin awọn ipele agbara ina mọnamọna wa ni awọn agbegbe ti UV ati awọn ti o han ti spekitiriumu, lakoko ti o wa laarin awọn ipele lilọ kiri-ni awọn agbegbe ti o wa nitosi IR. Bayi, ọpọlọpọ awọn monomono kemikali iṣiromu nṣiṣẹ ni awọn agbegbe ẹrẹ-ilu tabi sunmọ-IR.

Awọn ọpa iyatọ

Awọn iyatọ jẹ awọn ohun elo ti o wa gẹgẹbi ArF, KrF, XeCl, ti o ni ipinlẹ ti ilẹ ati ti o ni idurosinsin ni ipele akọkọ. Ilana ti laser jẹ bi atẹle. Gẹgẹbi ofin, nọmba awọn ohun ti o wa ninu ilẹ ti jẹ kekere, bẹ taara fifa lati ilẹ ilẹ ko ṣee ṣe. A ti ṣe agbekalẹ awọn eegun ni akọkọ ipo itanna ni igbadun nipasẹ apapọ awọn alakoso agbara-agbara pẹlu awọn ikun ti nmi. Awọn olugbe ti inversion ti wa ni ni rọọrun waye, niwon awọn nọmba ti awọn ohun elo ti wa ni ipele ipilẹ jẹ kere ju, ni ibamu pẹlu awọn ariwo. Awọn opo ti igbese laser, ni ṣoki, jẹ ninu iyipada lati isunmọ itanna ẹrọ si ipinle dissociative ilẹ. Awọn olugbe ti o wa ni ilẹ nigbagbogbo maa wa ni ipo kekere, nitori awọn aami ti o wa ni aaye yii ṣasopọ si awọn ẹmu.

Awọn ohun elo ati awọn ẹrọ iyipada opo oriširiši ni wipe awọn isun tube wa ni kún pẹlu kan adalu ti halide (F ₂₎ ati toje gaasi (Ar). Awọn elemọluiti ti o wa ninu rẹ ṣapapọ ati ki o ṣe iṣiro awọn ohun ti o wa ni halide ati ṣẹda awọn idiyele ti a ko ni agbara. Rere ions Ar ⁺ àti odi F ^- fesi ki o si gbe ArF ohun ni akọkọ yiya ipinle ni nkan ṣe pẹlu awọn tetele orilede si mimọ ipinle repelling ati iran ti soro Ìtọjú. Awọn laser excimer, ilana ti išišẹ ati ohun elo ti a nro ni bayi, le ṣee lo lati fa fifa alabọde alabọde lori awọn awọ.

Aṣayan Liquid

Ti a ṣewe si awọn ipilẹ olomi, awọn olomi ni o dara julọ, ati pe o ni iwuwo ti o ga julọ ti awọn ọmu ti nṣiṣe lọwọ, akawe si awọn ikun. Ni afikun si eyi, wọn ko nira lati ṣe, nwọn gba laaye lati yọ ooru kuro ati pe o le rọpo rọpo. Ilana ti laser ni lati lo awọn ijẹ-ara ti awọn awọ bi DCM (4-dicyanomethylene-2-methyl-6-p-dimethylaminostyryl-4H-pyran), rhodamine, styryl, LDS, coumarin, stilbene, etc., ., Ti tuka ni epo ti o yẹ. Aṣayan ti awọn ohun elo ti nmi jẹ igbadun nipasẹ ifarahan ti igbẹkẹle n ni okunpo ti o dara to pọ. Ilana ti laser, ni kukuru, ni lati ṣe igun-gun gigun gun, ti a npe ni fluorescence. Iyatọ laarin agbara ti a gba ati awọn photon ti a ti jade ni a lo nipa awọn iyipada agbara agbara ti kii ṣe iyatọ ti o si npa eto naa.

Iwọn titobi pupọ julọ ti awọn oniṣan ọja titobi omi jẹ ẹya ara-ara - wiwa igbiyanju. Ilana ti išišẹ ati lilo ti iru lasẹdi yii bi orisun ina ti o ni iyọda ti o niyemọ ti n di diẹ pataki ni irisi-awọ, iwe-ẹlẹfẹ, ati ninu awọn ohun elo ohun elo.

Laipẹrẹ, awọn oniṣayan ti a da lori ipilẹ iye ti a ti lo lati ya awọn isotopes. Ni idi eyi, ina le yan ọkan ninu wọn lọ, o nfa lati tẹ sinu kemikali kemikali.