Laser — apparaat en werkingsprincipe

Normaal gedrag van licht bij het passeren van een medium

Normaal gesproken neemt de intensiteit af wanneer licht door een medium gaat. De numerieke waarde van deze verzwakking is te vinden in de wet van Bouguer:

In deze vergelijking is er naast de lichtintensiteiten I die het medium binnenkomen en verlaten, ook een factor die de lineaire lichtabsorptiecoëfficiënt van het medium wordt genoemd. In traditionele optica is deze coëfficiënt altijd positief.

Negatieve lichtabsorptie

Wat als om de een of andere reden de absorptiecoëfficiënt negatief is? Wat dan? Er zal versterking zijn van het licht als het door het medium gaat; in feite zal het medium een ​​negatieve absorptie vertonen.

De voorwaarden voor het observeren van zo'n foto kunnen kunstmatig worden gecreëerd. Het theoretische concept met betrekking tot de weg naar de implementatie van het voorgestelde fenomeen werd in 1939 geformuleerd door de Sovjet-natuurkundige Valentin Alexandrovich Fabrikant.

Tijdens het analyseren van een hypothetisch lichtversterkend medium dat er doorheen gaat, stelde Fabrikant het principe van lichtversterking voor. En in 1955de Sovjetfysici Nikolai Genadievich Basov en Alexander Mikhailovich Prokhorov pasten dit Fabrikant-idee toe op het radiofrequentiegebied van het elektromagnetische spectrum.

Overweeg de fysieke kant van de mogelijkheid van negatieve absorptie. In een geïdealiseerde vorm kunnen de energieniveaus van atomen worden weergegeven als lijnen - alsof de atomen in elke toestand alleen strikt gedefinieerde energieën E1 en E2 hebben. Dit betekent dat bij de overgang van toestand naar toestand een atoom uitsluitend monochromatisch licht van een nauwkeurig gedefinieerde golflengte uitzendt of absorbeert.

Maar de werkelijkheid is verre van ideaal, en in feite hebben de energieniveaus van atomen een bepaalde eindige breedte, dat wil zeggen, het zijn geen lijnen met exacte waarden. Daarom zal er tijdens overgangen tussen niveaus ook een bepaald bereik van uitgezonden of geabsorbeerde frequenties dv zijn, die afhangt van de breedte van de energieniveaus waartussen de overgang plaatsvindt. De waarden van E1 en E2 kunnen worden gebruikt om alleen de middelste energieniveaus van het atoom aan te duiden.

Dus, aangezien we hebben aangenomen dat E1 en E2 de middelpunten van de energieniveaus zijn, kunnen we een atoom in deze twee toestanden beschouwen. Laat E2>E1. Een atoom kan elektromagnetische straling absorberen of uitzenden wanneer het tussen deze niveaus passeert. Stel dat, in de grondtoestand E1, een atoom externe straling absorbeert met energie E2-E1 en overgaat in een aangeslagen toestand E2 (de waarschijnlijkheid van een dergelijke overgang is evenredig met de Einstein-coëfficiënt B12).

Omdat het zich in een aangeslagen toestand E2 bevindt, zendt het atoom onder invloed van externe straling met energie E2-E1 een kwantum uit met energie E2-E1 en wordt het gedwongen om over te gaan naar de grondtoestand met energie E1 (de waarschijnlijkheid van een dergelijke overgang is evenredig met de Einsteincoëfficiënt B21).

Als een parallelle bundel monochromatische straling met volume spectrale dichtheid w (v) door een stof gaat waarvan de laag een eenheid van dwarsdoorsnede en dikte dx heeft, dan zal de intensiteit ervan veranderen met de waarde:

Hier is n1 de concentratie van atomen in de E1-toestanden, n2 is de concentratie van atomen in de E2-toestanden.

Door de voorwaarden aan de rechterkant van de vergelijking te vervangen, ervan uitgaande dat B21 = B12, en vervolgens de uitdrukking voor B21 te vervangen, verkrijgen we de vergelijking voor de verandering in lichtintensiteit bij smalle energieniveaus:

Zoals hierboven vermeld, zijn de energieniveaus in de praktijk niet oneindig smal, dus er moet rekening worden gehouden met hun breedte. Om het artikel niet te vervuilen met een beschrijving van transformaties en een heleboel formules, merken we gewoon op dat we door een frequentiebereik in te voeren en vervolgens over x te integreren, een formule krijgen voor het vinden van de werkelijke absorptiecoëfficiënt van een gemiddelde:

Aangezien het duidelijk is dat onder omstandigheden van thermodynamisch evenwicht de concentratie n1 van atomen in de lagere energietoestand E1 altijd groter is dan de concentratie n2 van atomen in de hogere toestand E2, is negatieve absorptie onder normale omstandigheden onmogelijk, het is onmogelijk om te versterken licht door gewoon door een echte omgeving te gaan zonder extra maatregelen te nemen...

Om negatieve absorptie mogelijk te maken, is het noodzakelijk om omstandigheden te creëren waarin de concentratie van atomen in een aangeslagen toestand E2 in het medium groter zal zijn dan de concentratie van atomen in de grondtoestand E1, dat wil zeggen, het is noodzakelijk om te organiseren een omgekeerde verdeling van atomen in het medium volgens hun energietoestanden.

De behoefte aan energie pompen van de omgeving

Om een ​​omgekeerde populatie van energieniveaus te organiseren (om een ​​actief medium te verkrijgen) wordt gebruik gemaakt van pompen (bv. optisch of elektrisch). Optisch pompen omvat de absorptie van straling die door atomen op hen wordt gericht, waardoor deze atomen in een aangeslagen toestand gaan.

Elektrisch pompen in een gasmedium omvat de excitatie van atomen door inelastische botsingen met elektronen in de gasontlading. Volgens Fabrikant moeten sommige van de lage-energietoestanden van atomen worden geëlimineerd door middel van moleculaire onzuiverheden.

Het is praktisch onmogelijk om een ​​actief medium te verkrijgen met behulp van optisch pompen in een medium met twee niveaus, aangezien kwantitatief de overgangen van atomen per tijdseenheid van toestand E1 naar toestand E2 en vice versa (!) in dit geval equivalent zullen zijn, wat betekent dat het is noodzakelijk om toevlucht te nemen tot ten minste een systeem met drie niveaus.

Overweeg een drietraps pompsysteem. Laat de externe straling met de fotonenenergie E3-E1 inwerken op het medium terwijl de atomen in het medium overgaan van de toestand met de energie E1 naar de toestand met de energie E3. Van de energietoestand E3 zijn spontane overgangen naar de toestand E2 en naar E1 mogelijk. Om een ​​omgekeerde populatie te verkrijgen (wanneer er meer atomen zijn met het E2-niveau in een bepaald medium), is het noodzakelijk om het E2-niveau langer te laten leven dan het E3. Hiervoor is het belangrijk om aan de volgende voorwaarden te voldoen:

Naleving van deze voorwaarden betekent dat atomen in de E2-toestand langer blijven, dat wil zeggen dat de kans op spontane overgangen van E3 naar E1 en van E3 naar E2 groter is dan de kans op spontane overgangen van E2 naar E1. Dan blijkt het E2-niveau langer aan te houden, en zo'n toestand op het E2-niveau is metastabiel te noemen. Daarom, wanneer licht met frequentie v = (E3 — E1) / h door zo'n actief medium gaat, zal dit licht worden versterkt. Evenzo kan een systeem met vier niveaus worden gebruikt, dan is het E3-niveau metastabiel.

Laser apparaat

De laser bevat dus drie hoofdcomponenten: een actief medium (waarin de populatie-inversie van de energieniveaus van de atomen wordt gecreëerd), een pompsysteem (een apparaat om de populatie-inversie te verkrijgen) en een optische resonator (die de straling versterkt vele malen en vormt een gerichte straal van de uitvoer). Het actieve medium kan vast, vloeibaar, gasvormig of plasma zijn.

Het pompen gebeurt continu of gepulseerd. Bij continu pompen wordt de toevoer van het medium beperkt door de oververhitting van het medium en de gevolgen van deze oververhitting. Bij gepulseerd pompen wordt de nuttige energie die stukje bij beetje in het medium wordt geïntroduceerd meer verkregen vanwege het grote vermogen van elke individuele puls.

Verschillende lasers - verschillende pompen

Vastestoflasers worden gepompt door het werkmedium te bestralen met krachtige gasontladingsflitsen, gefocusseerd zonlicht of een andere laser.Dit is altijd gepulseerd pompen omdat het vermogen zo hoog is dat de werkstaaf onder voortdurende actie zal bezwijken.

Vloeistof- en gaslasers worden gepompt met een elektrische ontlading.Chemische lasers gaan uit van het optreden van chemische reacties in hun actieve medium, waardoor de omgekeerde populatie van atomen wordt verkregen uit de producten van de reactie of uit speciale onzuiverheden met een geschikte niveaustructuur.

Halfgeleiderlasers worden gepompt door voorwaartse stroom door een pn-overgang of door een elektronenbundel. Daarnaast zijn er pompmethoden zoals fotodissociatie of gasdynamische methode (abrupte afkoeling van verwarmde gassen).

Optische resonator — het hart van de laser

De optische resonator is een systeem van een paar spiegels, in het eenvoudigste geval twee spiegels (concaaf of parallel) die tegenover elkaar zijn bevestigd, en daartussen langs een gemeenschappelijke optische as bevindt zich een actief medium in de vorm van een kristal of een cuvet met gas. Fotonen die onder een hoek door het medium gaan, laten het aan de zijkant achter, en degenen die langs de as bewegen en meerdere keren worden gereflecteerd, worden versterkt en verlaten door een doorschijnende spiegel.

Dit produceert laserstraling - een bundel coherente fotonen - een strikt gerichte bundel. Tijdens één doorgang van licht tussen de spiegels moet de grootte van de versterking een bepaalde drempel overschrijden - de hoeveelheid stralingsverlies door de tweede spiegel (hoe beter de spiegel doorlaat, hoe hoger deze drempel moet zijn).

Om lichtversterking effectief uit te voeren, is het niet alleen nodig om het lichtpad in het actieve medium te vergroten, maar ook om ervoor te zorgen dat de golven die de resonator verlaten in fase met elkaar zijn, dan zullen de interfererende golven geven de maximaal mogelijke amplitude.

Om dit doel te bereiken, is het noodzakelijk dat elk van de golven in de resonator terugkeert naar een punt op de bronspiegel en in het algemeen op elk punt in het actieve medium in fase is met de primaire golf na een willekeurig aantal perfecte reflecties. . Dit is mogelijk wanneer het optische pad dat de golf tussen twee retouren aflegt, voldoet aan de voorwaarde:

waarbij m een ​​geheel getal is, in dit geval is het faseverschil een veelvoud van 2P:

Aangezien elk van de golven in fase verschilt van de vorige met 2pi, betekent dit dat alle golven die de resonator verlaten in fase met elkaar zullen zijn, wat een maximale amplitude-interferentie oplevert. De resonator heeft bijna monochromatische parallelle straling aan de uitgang.

De werking van de spiegels in de resonator zorgt voor versterking van de modi die overeenkomen met de staande golven in de resonator; andere modi (ontstaan ​​als gevolg van de eigenaardigheden van reële omstandigheden) zullen worden verzwakt.

Ruby-laser - de eerste vaste stof

Het eerste solid-state apparaat werd in 1960 gebouwd door de Amerikaanse natuurkundige Theodore Maiman. Het was een robijnlaser (robijn - Al2O3, waarbij sommige roosterplaatsen - binnen 0,5% - zijn vervangen door drievoudig geïoniseerd chroom; hoe meer chroom, hoe donkerder de kleur van het robijnkristal).

De eerste succesvolle werkende laser ontworpen door Dr. Ted Mayman in 1960.

Een robijnrode cilinder gemaakt van het meest homogene kristal, met een diameter van 4 tot 20 mm en een lengte van 30 tot 200 mm, wordt geplaatst tussen twee spiegels gemaakt in de vorm van zilverlagen aangebracht op de zorgvuldig gepolijste uiteinden van deze cilinder. Een spiraalvormige gasontladingslamp omringt over de gehele lengte een cilinder en wordt via een condensator van hoogspanning voorzien.

Wanneer de lamp wordt aangezet, wordt de robijn intens bestraald, terwijl de chroomatomen van niveau 1 naar niveau 3 gaan (ze bevinden zich minder dan 10-7 seconden in deze aangeslagen toestand), dit is waar de meest waarschijnlijke overgangen naar niveau 2 worden gerealiseerd - tot een metastabiel niveau. Overtollige energie wordt overgebracht naar het robijnrode kristalrooster. Spontane overgangen van niveau 3 naar niveau 1 zijn niet significant.

De overgang van niveau 2 naar niveau 1 is verboden door de selectieregels, dus de duur van dit niveau is ongeveer 10-3 seconden, wat 10.000 keer langer is dan op niveau 3, met als resultaat dat atomen zich ophopen in robijn met niveau 2 — dit is de omgekeerde populatie van niveau 2.

Fotonen die spontaan ontstaan ​​tijdens spontane overgangen, kunnen geforceerde overgangen van niveau 2 naar niveau 1 veroorzaken en een lawine van secundaire fotonen veroorzaken, maar deze spontane overgangen zijn willekeurig en hun fotonen planten zich chaotisch voort, waarbij ze de resonator meestal via de zijwand verlaten.

Maar die van de fotonen die de as raken, ondergaan meerdere reflecties van de spiegels, waardoor tegelijkertijd de geforceerde emissie van secundaire fotonen wordt veroorzaakt, die weer de gestimuleerde emissie veroorzaken, enzovoort. Deze fotonen zullen in een richting bewegen die vergelijkbaar is met de primaire en de flux langs de as van het kristal zal toenemen als een lawine.

De vermenigvuldigde stroom fotonen zal door de doorzichtige zijspiegel van de resonator naar buiten gaan in de vorm van een strikt gerichte lichtstraal van kolossale intensiteit. De robijnlaser werkt op een golflengte van 694,3 nm, terwijl het pulsvermogen kan oplopen tot 109 W

Neonlaser met helium

De helium-neon (helium/neon = 10/1) laser is een van de meest populaire gaslasers. De druk in het gasmengsel is ongeveer 100 Pa.Neon dient als een actief gas, het produceert fotonen met een golflengte van 632,8 nm in continue modus. De functie van helium is om een ​​omgekeerde populatie te creëren uit een van de bovenste energieniveaus van neon. De spectrumbreedte van zo'n laser is ongeveer 5 * 10-3 Hz Coherentielengte 6 * 1011 m, coherentietijd 2 * 103°C.

Wanneer een helium-neonlaser wordt gepompt, veroorzaakt een elektrische ontlading met hoog voltage de overgang van heliumatomen naar een metastabiele aangeslagen toestand van het E2-niveau. Deze heliumatomen botsen onelastisch met neonatomen in de E1-grondtoestand, waarbij hun energie wordt overgedragen. De energie van het E4-niveau van neon is 0,05 eV hoger dan het E2-niveau van helium. Het gebrek aan energie wordt gecompenseerd door de kinetische energie van atomaire botsingen. Als resultaat wordt op het E4-niveau van de neon een omgekeerde populatie verkregen met betrekking tot het E3-niveau.

Soorten moderne lasers

Volgens de toestand van het actieve medium zijn lasers onderverdeeld in: vast, vloeibaar, gas, halfgeleider en ook kristal. Volgens de pompmethode kunnen ze zijn: optisch, chemisch, gasontlading. Door de aard van de generatie zijn lasers onderverdeeld in: continu en gepulseerd. Dit soort lasers zenden straling uit in het zichtbare bereik van het elektromagnetische spectrum.

Optische lasers verschenen later dan andere. Ze zijn in staat om straling op te wekken in het nabij-infraroodgebied, dergelijke straling (met een golflengte tot 8 micron) is zeer geschikt voor optische communicatie. Optische lasers bevatten een vezel in de kern waarin verschillende ionen van geschikte zeldzame aardmetalen zijn geïntroduceerd.

De lichtgeleider wordt, net als bij andere soorten lasers, tussen een paar spiegels geïnstalleerd.Voor het pompen wordt laserstraling met de vereiste golflengte in de vezel gevoerd, zodat de ionen van de zeldzame aardmetalen onder zijn werking in een aangeslagen toestand overgaan. Terugkerend naar een lagere energietoestand, zenden deze ionen fotonen uit met een langere golflengte dan die van de initiërende laser.

Op deze manier fungeert de vezel als een bron van laserlicht. De frequentie hangt af van het type zeldzame aardelementen dat is toegevoegd. De vezel zelf is gemaakt van zwaar metaalfluoride, wat resulteert in de efficiënte opwekking van laserstraling met de frequentie van het infrarode bereik.

Röntgenlasers bezetten de tegenovergestelde kant van het spectrum - tussen ultraviolet en gamma - dit zijn ordes van grootte met golflengten van 10-7 tot 10-12 m. Lasers van dit type hebben de hoogste pulshelderheid van alle soorten lasers.

De eerste röntgenlaser werd in 1985 gebouwd in de VS, in het Livermore Laboratory. Laurentius. De laser gegenereerd op seleniumionen, het golflengtebereik is van 18,2 tot 26,3 nm en de hoogste helderheid valt op de golflengtelijn van 20,63 nm. Tegenwoordig is laserstraling met een golflengte van 4,6 nm bereikt met aluminiumionen.

De röntgenlaser wordt gegenereerd door pulsen met een duur van 100 ps tot 10 ns, afhankelijk van de levensduur van de plasmavorming.

Het actieve medium van een röntgenlaser is namelijk een sterk geïoniseerd plasma, dat bijvoorbeeld wordt verkregen wanneer een dunne film van yttrium en selenium wordt bestraald met een krachtige laser in het zichtbare of infrarode spectrum.

De energie van de röntgenlaser in een puls bereikt 10 mJ, terwijl de hoekafwijking in de bundel ongeveer 10 milliradiaal is. De verhouding tussen pompvermogen en directe straling is ongeveer 0,00001.