Lazer — cihaz ve çalışma prensibi

Bir ortamdan geçerken ışığın normal davranışı

Normalde ışık bir ortamdan geçerken şiddeti azalır. Bu zayıflamanın sayısal değeri Bouguer yasasından bulunabilir:

Bu denklemde ortama giren ve çıkan ışık şiddetlerine ek olarak ortamın lineer ışık soğurma katsayısı denen bir faktör daha vardır. Geleneksel optikte bu katsayı her zaman pozitiftir.

Negatif ışık emilimi

Ya herhangi bir nedenle absorpsiyon katsayısı negatifse? Sonra ne? Ortamdan geçerken ışığın amplifikasyonu olacaktır; aslında, ortam negatif absorpsiyon gösterecektir.

Böyle bir resmi gözlemleme koşulları yapay olarak oluşturulabilir. Önerilen fenomenin uygulanmasına ilişkin teorik konsept, 1939'da Sovyet fizikçi Valentin Alexandrovich Fabrikant tarafından formüle edildi.

İçinden geçen varsayımsal bir ışık yükseltici ortamı analiz ederken, Fabrikant ışık yükseltme ilkesini önerdi. Ve 1955'teSovyet fizikçileri Nikolai Genadievich Basov ve Alexander Mihayloviç Prokhorov, bu Fabrikant fikrini elektromanyetik spektrumun radyo frekansı bölgesine uyguladılar.

Negatif absorpsiyon olasılığının fiziksel tarafını düşünün. İdealleştirilmiş bir formda, atomların enerji seviyeleri çizgilerle temsil edilebilir - sanki her durumdaki atomlar yalnızca kesin olarak tanımlanmış enerjiler E1 ve E2'ye sahipmiş gibi. Bu, bir durumdan duruma geçerken, bir atomun kesin olarak tanımlanmış bir dalga boyuna sahip tek renkli ışığı ya yaydığı ya da soğurduğu anlamına gelir.

Ancak gerçeklik ideal olmaktan uzaktır ve aslında atomların enerji seviyeleri belirli bir sonlu genişliğe sahiptir, yani bunlar kesin değer çizgileri değildir. Bu nedenle, seviyeler arasındaki geçişler sırasında, geçişin gerçekleştiği enerji seviyelerinin genişliğine bağlı olarak, yayılan veya emilen frekansların (dv) belirli bir aralığı da olacaktır. E1 ve E2 değerleri, atomun yalnızca orta enerji seviyelerini belirtmek için kullanılabilir.

Yani, E1 ve E2'nin enerji düzeylerinin orta noktaları olduğunu varsaydığımız için, bir atomu bu iki durumda düşünebiliriz. E2>E1 olsun. Bir atom, bu seviyeler arasında geçerken elektromanyetik radyasyonu emebilir veya yayabilir. Temel durumda E1 olan bir atomun E2-E1 enerjisiyle dış radyasyonu emdiğini ve uyarılmış bir E2 durumuna geçtiğini varsayalım (böyle bir geçişin olasılığı Einstein katsayısı B12 ile orantılıdır).

Uyarılmış bir E2 durumunda olan atom, E2-E1 enerjisi ile dış radyasyonun etkisi altında, E2-E1 enerjisi ile bir kuantum yayar ve E1 enerjisi ile temel duruma geçmeye zorlanır (böyle bir geçiş olasılığı orantılıdır) Einstein katsayısı B21).

Hacim spektral yoğunluğu w (v) olan paralel bir monokromatik radyasyon ışını, tabakası birim enine kesit alanına ve dx kalınlığına sahip bir maddeden geçerse, yoğunluğu şu değere göre değişecektir:

Burada n1, E1 hallerindeki atomların konsantrasyonudur, n2, E2 hallerindeki atomların konsantrasyonudur.

Denklemin sağ tarafındaki koşulları yerine koyarsak, B21 = B12 olduğunu varsayarsak ve sonra ifadeyi B21 yerine koyarsak, dar enerji seviyelerinde ışık yoğunluğundaki değişim için denklemi elde ederiz:

Uygulamada, yukarıda bahsedildiği gibi, enerji seviyeleri sonsuz derecede dar değildir, dolayısıyla genişlikleri hesaba katılmalıdır. Makaleyi dönüşümlerin bir açıklaması ve bir dizi formülle karıştırmamak için, bir frekans aralığı girip ardından x üzerinden integral alarak, bir ortalamanın gerçek soğurma katsayısını bulmak için bir formül bulacağımızı not ediyoruz:

Termodinamik denge koşulları altında, düşük enerji durumu E1'deki atomların konsantrasyonu n1'in her zaman daha yüksek durum E2'deki atomların konsantrasyonu n2'den daha büyük olduğu açık olduğundan, normal koşullar altında negatif absorpsiyon imkansızdır, yükseltmek imkansızdır herhangi bir ekstra önlem almadan sadece gerçek bir ortamdan geçerek ışık...

Negatif absorpsiyonun mümkün olabilmesi için, ortamdaki E2 uyarılmış durumundaki atomların konsantrasyonunun E1 temel durumundaki atomların konsantrasyonundan daha büyük olacağı koşulların yaratılması, yani organize edilmesi gerekir. ortamdaki atomların enerji durumlarına göre ters dağılımı.

Çevrenin enerji pompalama ihtiyacı

Tersine çevrilmiş bir enerji seviyeleri popülasyonu düzenlemek için (aktif bir ortam elde etmek için) pompalama (örn. optik veya elektrik) kullanılır. Optik pompalama, bu atomların uyarılmış bir duruma geçmesi nedeniyle kendilerine yöneltilen radyasyonun atomlar tarafından emilmesini içerir.

Bir gaz ortamında elektriksel pompalama, gaz deşarjındaki elektronlarla elastik olmayan çarpışmalarla atomların uyarılmasını içerir. Fabrikant'a göre, atomların bazı düşük enerjili halleri moleküler safsızlıklar yoluyla ortadan kaldırılmalıdır.

İki seviyeli bir ortamda optik pompalama kullanarak aktif bir ortam elde etmek pratik olarak imkansızdır, çünkü birim zamanda atomların E1 durumundan E2 durumuna ve tersi (!) geçişleri nicel olarak bu durumda eşdeğer olacaktır, bu da şu anlama gelir: en az üç katmanlı bir sisteme başvurmak gerekir.

Üç aşamalı bir pompalama sistemi düşünün. Ortamdaki atomlar E1 enerjili halden E3 enerjili hale geçerken, foton enerjisi E3-E1 olan dış radyasyon ortama etki etsin. E3 enerji durumundan E2 durumuna ve E1'e kendiliğinden geçişler mümkündür. Tersine çevrilmiş bir popülasyon elde etmek için (belirli bir ortamda E2 seviyesine sahip daha fazla atom olduğunda), E2 seviyesini E3'ten daha uzun ömürlü yapmak gerekir. Bunun için aşağıdaki şartlara uyulması önemlidir:

Bu koşullara uygunluk, E2 durumundaki atomların daha uzun süre kaldığı anlamına gelir, yani E3'ten E1'e ve E3'ten E2'ye kendiliğinden geçiş olasılığı, E2'den E1'e kendiliğinden geçiş olasılığını aşar. O zaman E2 seviyesi daha uzun sürecek ve E2 seviyesindeki böyle bir duruma yarı kararlı denilebilir. Bu nedenle v = (E3 — E1) / h frekanslı ışık böyle aktif bir ortamdan geçtiğinde bu ışık güçlenecektir. Benzer şekilde, dört seviyeli bir sistem kullanılabilir, o zaman E3 seviyesi yarı kararlı olacaktır.

Lazer cihazı

Bu nedenle, lazer üç ana bileşen içerir: aktif bir ortam (atomların enerji seviyelerinin popülasyonun tersine çevrilmesinin yaratıldığı), bir pompalama sistemi (popülasyonun ters çevrilmesini elde etmek için bir cihaz) ve bir optik rezonatör (radyasyonu yükseltir) birçok kez ve çıktının yönlendirilmiş bir ışınını oluşturur). Aktif ortam katı, sıvı, gaz veya plazma olabilir.

Pompalama sürekli veya darbeli olarak yapılır. Sürekli pompalamada, ortamın arzı, ortamın aşırı ısınması ve bu aşırı ısınmanın sonuçları ile sınırlıdır. Darbeli pompalamada, ortama parça parça verilen faydalı enerji, her bir darbenin büyük gücü nedeniyle daha fazla elde edilir.

Farklı lazerler — farklı pompalama

Katı hal lazerleri, çalışma ortamını güçlü gaz deşarj flaşları, odaklanmış güneş ışığı veya başka bir lazerle ışınlayarak pompalanır.Bu her zaman darbeli pompalamadır çünkü güç o kadar yüksektir ki çalışma çubuğu sürekli hareket altında çökecektir.

Sıvı ve gaz lazerler elektrik boşalmasıyla pompalanır.Kimyasal lazerler, aktif ortamlarında kimyasal reaksiyonların meydana geldiğini varsayar; bunun sonucunda ters atom popülasyonu, reaksiyon ürünlerinden veya uygun seviye yapısına sahip özel safsızlıklardan elde edilir.

Yarı iletken lazerler, bir pn bağlantısı veya bir elektron ışını yoluyla ileri akımla pompalanır. Ek olarak, foto ayrışma veya gaz dinamiği yöntemi (ısıtılmış gazların ani soğutulması) gibi pompalama yöntemleri de vardır.

Optik rezonatör — lazerin kalbi

Optik rezonatör, bir çift ayna sistemidir, en basit durumda, birbirine zıt sabitlenmiş iki ayna (içbükey veya paralel) ve aralarında ortak bir optik eksen boyunca kristal veya kristal şeklinde aktif bir ortam vardır. gazlı küvet. Ortamdan belirli bir açıyla geçen fotonlar onu kenarda bırakır ve eksen boyunca hareket edenler birçok kez yansıtılarak yükseltilir ve yarı saydam bir aynadan dışarı çıkar.

Bu, kesin olarak yönlendirilmiş bir ışın olan lazer radyasyonu - tutarlı bir foton ışını - üretir. Işığın aynalar arasından bir geçişi sırasında, kazancın büyüklüğü belirli bir eşiği aşmalıdır - ikinci aynadan geçen radyasyon kaybı miktarı (ayna ne kadar iyi iletirse, bu eşik o kadar yüksek olmalıdır).

Işık amplifikasyonunun etkili bir şekilde gerçekleştirilebilmesi için, sadece aktif ortam içindeki ışığın yolunu artırmak değil, aynı zamanda rezonatörden çıkan dalgaların birbiriyle aynı fazda olmasını sağlamak gerekir, o zaman girişim yapan dalgalar verir. mümkün olan maksimum genlik.

Bu amaca ulaşmak için, rezonatördeki dalgaların her birinin kaynak aynadaki bir noktaya ve genel olarak aktif ortamdaki herhangi bir noktaya geri dönmesi, rastgele sayıda mükemmel yansımadan sonra birincil dalga ile aynı fazda olması gerekir. . Bu, iki dönüş arasında dalga tarafından kat edilen optik yol koşulu karşıladığında mümkündür:

burada m bir tamsayıdır, bu durumda faz farkı 2P'nin katı olacaktır:

Şimdi, dalgaların her birinin fazı bir öncekinden 2pi farklı olduğundan, bu, rezonatörden ayrılan tüm dalgaların birbirleriyle aynı fazda olacağı ve maksimum genlik girişimi vereceği anlamına gelir. Rezonatörün çıkışında neredeyse tek renkli paralel radyasyon olacaktır.

Rezonatörün içindeki aynaların çalışması, rezonatörün içindeki duran dalgalara karşılık gelen modların yükseltilmesini sağlayacaktır; (gerçek koşulların özelliklerinden kaynaklanan) diğer modlar zayıflayacaktır.

Yakut lazer — ilk katı hal

İlk katı hal cihazı, 1960 yılında Amerikalı fizikçi Theodore Maiman tarafından yapıldı. Bu bir yakut lazerdi (yakut - Al2O3, burada bazı kafes bölgelerinin -% 0,5 içinde - üçlü iyonize krom ile değiştirildiği; krom ne kadar fazlaysa, yakut kristalinin rengi o kadar koyu olur).

1960 yılında Dr. Ted Mayman tarafından tasarlanan ilk başarılı çalışan lazer.

En homojen kristalden yapılmış, çapı 4 ila 20 mm ve uzunluğu 30 ila 200 mm olan bir yakut silindir, bunun özenle parlatılmış uçlarına uygulanan gümüş katmanları şeklinde yapılmış iki ayna arasına yerleştirilir. silindir. Spiral şekilli bir gaz deşarj lambası, bir silindiri tüm uzunluğu boyunca çevreler ve bir kondansatör aracılığıyla yüksek voltajla beslenir.

Lamba yandığında yakut yoğun bir şekilde ışınlanırken, krom atomları 1. seviyeden 3. seviyeye hareket ederken (10-7 saniyeden daha az bir süre bu heyecanlı durumda bulunurlar), burası en muhtemel geçişlerin olduğu yerdir. seviye 2 gerçekleştirilir - yarı kararlı bir seviyeye. Fazla enerji yakut kristal kafese aktarılır. 3. seviyeden 1. seviyeye kendiliğinden geçişler önemsizdir.

2. seviyeden 1. seviyeye geçiş seçim kuralları tarafından yasaklanmıştır, bu nedenle bu seviyenin süresi yaklaşık 10-3 saniyedir, bu da 3. seviyeden 10.000 kat daha uzundur, sonuç olarak 2. seviyedeki yakutta atomlar birikir — bu, 2. seviyenin ters popülasyonudur.

Kendiliğinden geçişler sırasında kendiliğinden ortaya çıkan fotonlar, 2. seviyeden 1. seviyeye zorunlu geçişlere neden olabilir ve bir ikincil foton çığına neden olabilir, ancak bu kendiliğinden geçişler rastgeledir ve fotonları kaotik bir şekilde yayılır ve çoğunlukla rezonatörü yan duvarından terk eder.

Ancak eksene çarpan fotonlar, aynalardan çoklu yansımalara maruz kalır ve aynı anda ikincil fotonların zorunlu emisyonuna neden olur, bu da yine uyarılmış emisyonu tetikler ve bu böyle devam eder. Bu fotonlar birincil olanlara benzer bir yönde hareket edecek ve kristalin ekseni boyunca akı çığ gibi artacaktır.

Fotonların çoğalan akışı, rezonatörün yan saydam aynasından muazzam yoğunlukta kesin olarak yönlendirilmiş bir ışık huzmesi şeklinde çıkacaktır. Yakut lazer 694,3 nm dalga boyunda çalışırken, darbe gücü 109 W'a kadar çıkabilir.

Helyumlu neon lazer

Helyum-neon (helyum / neon = 10/1) lazer, en popüler gaz lazerlerinden biridir. Gaz karışımındaki basınç yaklaşık 100 Pa'dır.Neon aktif bir gaz görevi görür, sürekli modda 632.8 nm dalga boyuna sahip fotonlar üretir. Helyumun işlevi, neonun üst enerji seviyelerinden birinden ters bir popülasyon yaratmaktır. Böyle bir lazerin spektrum genişliği yaklaşık 5 * 10-3 Hz Tutarlılık uzunluğu 6 * 1011 m, tutarlılık süresi 2 * 103 ° C'dir.

Bir helyum-neon lazeri pompalandığında, yüksek voltajlı bir elektrik boşalması, helyum atomlarının E2 seviyesinin yarı kararlı uyarılmış durumuna geçişini indükler. Bu helyum atomları, E1 temel durumundaki neon atomları ile elastik olmayan bir şekilde çarpışır ve enerjilerini aktarır. E4 neon seviyesinin enerjisi, helyumun E2 seviyesinden 0,05 eV daha yüksektir. Enerji eksikliği, atomik çarpışmaların kinetik enerjisi ile telafi edilir. Sonuç olarak neonun E4 seviyesinde E3 seviyesine göre ters bir popülasyon elde edilir.

Modern lazer türleri

Aktif ortamın durumuna göre, lazerler katı, sıvı, gaz, yarı iletken ve ayrıca kristal olarak ayrılır. Pompalama yöntemine göre bunlar şunlar olabilir: optik, kimyasal, gaz tahliyesi. Üretimin doğası gereği, lazerler ikiye ayrılır: sürekli ve darbeli. Bu tür lazerler, elektromanyetik spektrumun görünür aralığında radyasyon yayar.

Optik lazerler diğerlerinden daha sonra ortaya çıktı. Yakın kızılötesi aralığında radyasyon üretebilirler, bu tür radyasyon (8 mikrona kadar dalga boyunda) optik iletişim için çok uygundur. Optik lazerler, çekirdeğinde birkaç uygun nadir toprak elementi iyonunun eklendiği bir fiber içerir.

Işık kılavuzu, diğer lazer türlerinde olduğu gibi, bir çift ayna arasına yerleştirilmiştir.Pompalama için, gerekli dalga boyuna sahip lazer radyasyonu fibere beslenir, böylece nadir toprak elementlerinin iyonları onun etkisi altında uyarılmış bir duruma geçer. Daha düşük bir enerji durumuna geri dönen bu iyonlar, başlatıcı lazerinkinden daha uzun dalga boyuna sahip fotonlar yayar.

Bu şekilde, fiber bir lazer ışığı kaynağı görevi görür. Frekansı, eklenen nadir toprak elementlerinin türüne bağlıdır. Fiberin kendisi, kızılötesi aralığın frekansında verimli lazer radyasyonu üretimiyle sonuçlanan ağır metal florürden yapılmıştır.

X-ışını lazerleri, spektrumun karşı tarafını işgal eder - ultraviyole ve gama arasında - bunlar 10-7 ila 10-12 m dalga boylarına sahip büyüklük sıralarıdır.Bu tür lazerler, tüm lazer türleri arasında en yüksek darbe parlaklığına sahiptir.

İlk X-ışını lazeri 1985 yılında ABD'de Livermore Laboratuvarı'nda yapıldı. Lawrence. Selenyum iyonları üzerinde üretilen lazer, dalga boyu aralığı 18.2 ile 26.3 nm arasında olup, en yüksek parlaklık 20.63 nm dalga boyu çizgisinde düşmektedir. Günümüzde alüminyum iyonları ile 4.6 nm dalga boyuna sahip lazer radyasyonu elde edilmiştir.

X-ışını lazeri, plazma oluşumunun ömrüne bağlı olarak 100 ps ila 10 ns süreli darbelerle üretilir.

Gerçek şu ki, bir X-ışını lazerinin aktif ortamı, örneğin ince bir itriyum ve selenyum filmi, görünür veya kızılötesi spektrumda yüksek güçlü bir lazerle ışınlandığında elde edilen yüksek oranda iyonize bir plazmadır.

X-ışını lazerinin bir darbedeki enerjisi 10 mJ'ye ulaşırken, ışındaki açısal sapma yaklaşık 10 miliradyandır. Pompa gücünün doğrudan radyasyona oranı yaklaşık 0,00001'dir.