Le principe d'action laser: caractéristiques du rayonnement laser

Le premier principe d'action du laser, qui est basé sur la physique de la loi de rayonnement de Planck, en théorie, Einstein en 1917 était justifiée. Il a décrit l'absorption, spontanée et stimulée par un rayonnement électromagnétique en utilisant des coefficients de probabilité (coefficients Einstein).

éclaireurs

Teodor Meyman a été la première à démontrer le principe de l' action d'un laser à rubis, basé sur le pompage optique à l' aide d' une lampe flash rubis synthétique, produit le rayonnement cohérent à une longueur d' onde de 694 nm.

En 1960, les scientifiques iraniens Javan et Bennett ont créé les premiers lasers à gaz en utilisant des mélanges de gaz He et Ne dans un rapport de 1:10.

En 1962, R. N. Hall effectue un premier laser à diode en arséniure de gallium (GaAs), émettant à une longueur d'onde de 850 nm. Plus tard cette même année, Nick Golonyak a développé le premier générateur quantique de semi-conducteurs de la lumière visible.

Le dispositif et le principe de lasers

Chaque système de laser comprend un milieu actif optiquement placé entre une paire de miroirs parallèles et fortement réfléchissantes, dont l'une est translucide, et une source de puissance pour pomper. Comme le milieu de gain peut agir comme un solide, un liquide ou un gaz, qui ont la capacité d'amplifier l'amplitude de l'onde lumineuse qui le traverse intérieurement d'un rayonnement de pompage électrique ou optique. La substance est placée entre une paire de miroirs de telle sorte que la lumière réfléchie à chaque fois les traverse et, après avoir atteint une augmentation significative, pénètre dans le demi-miroir.

environnement duplex

Considérons le principe de l' action laser avec un milieu actif dont les atomes d' avoir seulement deux niveaux d'énergie: E excité E ₂ et de la base _1. Si les atomes via un mécanisme de pompage (courant de décharge optique, électrique ou transmittance bombardement d'électrons) sont excités à un état E _2, dans quelques nanosecondes , ils reviennent à la position de base, irradiant de photons d'énergie hv = E ₂ – E _1. Selon la théorie d'Einstein, l'émission est produite de deux façons différentes: soit il est induit par un photon, ou il se produit spontanément. Dans le premier cas, l'émission stimulée se produit et la seconde – spontanée. A l' équilibre thermique, la probabilité d' une émission stimulée est beaucoup plus faible que le spontané (1:10 ^33), de sorte que la plupart des sources de lumière incohérente classiques, et l' effet laser est possible dans les conditions autres que l' équilibre thermique.

Même avec un système de niveau de la population de pompage très fortes ne peuvent être les mêmes. Par conséquent, pour obtenir l'inversion de population ou une autre méthode de pompage optique nécessite un système à trois ou à quatre niveaux.

système multi-niveaux

Quel est le principe du laser à trois niveaux? L'irradiation de la lumière intense de fréquence ν ₀₂ pompes jusqu'à un grand nombre d'atomes par rapport au niveau d'énergie le plus bas E ₀ et E ₂ de la tige. transition radiative avec les atomes E ₂ à E ₁ établit une inversion de population entre E ₁ et E _0, ce qui en pratique est seulement possible lorsque les atomes sont depuis longtemps dans un état métastable E _1, et la transition de E ₁ à E ₂ se produit rapidement. Le principe de fonctionnement d'un laser à trois niveaux est dans ces conditions, de sorte qu'entre E ₀ et E _1, l'inversion de population est obtenue et est amplifié l' énergie des photons E ₁ -E ₀ émission stimulée. Élargie niveau E ₂ pourrait augmenter la plage de longueur d'onde d'absorption à la pompe de manière plus efficace, ce qui entraîne la croissance de l'émission stimulée.

système à trois niveaux nécessite une puissance de pompage très élevé depuis le niveau inférieur, sont impliqués dans la production, il est une base. Dans ce cas, en vue de l' inversion de population est produite à l'état E ₁ à pomper plus de la moitié du nombre total d'atomes. Dans ce cas, l'énergie est gaspillée. La puissance de la pompe peut être considérablement réduite si le niveau est inférieur lasing pas la base, ce qui nécessite au moins un système à quatre niveaux.

En fonction de la nature de la substance active, les lasers sont classés en trois catégories de base, à savoir solide, liquide et gaz. Depuis 1958, date de la première génération a été observée dans un cristal de rubis, les scientifiques et les chercheurs ont étudié une large gamme de matériaux dans chaque catégorie.

laser à l'état solide

Le fonctionnement est basé sur l'utilisation d'un milieu actif qui est formé par addition d' un métal de transition du réseau cristallin isolant (Ti ^+3, Cr ^+3, V ^2, Co ^+2, Ni ^+2, Fe ^+2, et ainsi de suite. D.) , des ions de terres rares (Ce ^+3, Pr ^+3, Nd ^+3, Pm ^+3, Sm ^+2, Eu ^{+ 2, + 3,} Tb ^+3, Dy ^+3, Ho ^+3, Er ^+3, Yb ⁺³ , et al.), et les actinides tels que U ^3. Les niveaux d'énergie des ions responsables seulement pour la génération. Propriétés physiques du matériau de base, telles que la conductivité thermique et la dilatation thermique sont importants pour le bon fonctionnement du laser. Emplacement réseau d'atomes autour d'un ion change dopé ses niveaux d'énergie. Différentes longueurs de génération d'onde dans le milieu actif sont obtenues par dopage différents matériaux dans le même ion.

holmium laser

Un exemple d'un laser à semi-conducteur est un générateur quantique, dans lequel un atome d'holmium remplace le matériau de base du réseau cristallin. Ho: YAG est l'un des meilleurs matériaux lasers. Le principe de fonctionnement du laser à holmium est que le grenat d'yttrium-aluminium dopé avec des ions d'holmium, optiquement pompés par lampe flash et émet à une longueur d'onde de 2097 nm dans le domaine de l'infrarouge est bien absorbé par les tissus. Utilisez ce laser pour les opérations sur les articulations, les soins dentaires, pour vaporiser les cellules cancéreuses, les reins et les calculs biliaires.

Un générateur quantique de semi-conducteur

lasers à puits quantiques sont peu coûteux, permettent la production de masse et sont facilement évolutives. Le principe de fonctionnement du laser à semi – conducteur basé sur l'utilisation de la jonction pn-diode, ce qui produit de la lumière d'une certaine longueur d' onde par la recombinaison de la porteuse à un biais positif, comme les LED. LED émettent spontanément et diodes laser – compulsivement. Pour répondre à l'inversion de la population de l'état, le courant de fonctionnement doit dépasser un seuil. Le milieu actif dans une diode à semi-conducteur a une vue de la zone de raccordement de couches bidimensionnelles.

Le principe de fonctionnement de ce type de laser est que, pour maintenir des oscillations est nécessaire sans miroir externe. La capacité de réflexion, créé en raison de l'indice de réfraction des couches et la réflexion interne du milieu actif, suffit à cet effet. Les surfaces d'extrémité clivent diodes qui fournit des surfaces parallèles réfléchissantes.

Le composé formé par le matériau semiconducteur du même type est appelé une homojonction, tel que défini par la connexion de deux différents – hétérojonction.

Semi-conducteurs de type p et n avec une densité élevée de porteurs forment une jonction p-n-jonction avec une très mince (≈1 mm) couche appauvrie.

Laser à gaz

Le principe de fonctionnement et l'utilisation de ce type de laser, il est possible de créer des dispositifs de pratiquement toutes les capacités (de milliwatts à mégawatts) et des longueurs d'onde (de l'ultraviolet à l'infrarouge) et peut fonctionner dans les modes pulsé et continu. Sur la base de la nature des médias actifs, il existe trois types de lasers à gaz, à savoir atomiques, ioniques et moléculaires.

La plupart des lasers à gaz pompé par décharge électrique. Les électrons dans le tube à décharge sont accélérés par le champ électrique entre les électrodes. Ils entrent en collision avec des atomes, des ions ou des molécules d'un milieu actif et induisent une transition à des niveaux d'énergie plus élevés pour atteindre un état d'inversion de population et de l'émission stimulée.

laser moléculaire

Le principe de l'action du laser est basée sur le fait que, à la différence des atomes isolés et les ions dans les lasers atomiques et ioniques molécules possèdent de larges bandes d'énergie des niveaux d'énergie discrets. De plus, chaque niveau d'énergie d'électrons a un grand nombre de niveaux vibratoires, et ceux qui, à son tour – quelques rotation.

L'énergie entre les niveaux d'énergie d'électrons se trouve dans les régions UV et visible du spectre, tandis que entre les niveaux de vibration-rotation – dans les régions infrarouges proches et lointains. Ainsi, la plupart des lasers moléculaires de travail dans une des régions éloignées ou proche infrarouge.

lasers Excimer

Excimères sont telles que molécule ArF, KrF, XeCl, qui sont divisés état fondamental stable et le premier niveau. Le principe de fonctionnement du laser suivant. En règle générale, le numéro dans l'état fondamental des molécules est faible, de sorte que le pompage direct de l'état du sol est impossible. Les molécules formées dans le premier état électronique excité par un composé ayant une halogénures d'énergie élevée avec des gaz inertes. L'inversion de la population est atteint facilement puisque le nombre de molécules à un niveau de base est trop faible, par rapport à l'excitation. Le principe de l'action du laser, en bref, est de passer d'un état électronique excité lié à une dissociation de l'état fondamental. La population de l'état du sol est toujours à un niveau bas, parce qu'à ce stade, la molécule se dissocie en atomes.

Le principe de l' appareil et des lasers consiste en ce que le tube de décharge est rempli d'un mélange d'halogénure (F ₂₎ et un gaz rare (Ar). Les électrons il se dissocient et ioniser les molécules d'halogénure et de créer des ions négatifs. Les ions positifs et négatifs Ar ⁺ F ^– réagir et produire des molécules ArF dans le premier état excité associé à la transition ultérieure à l'état de base répulsion et la génération d' un rayonnement cohérent. laser Excimer, le principe d'action et l'utilisation que nous envisageons maintenant, pourrait être utilisée pour le pompage du milieu actif du colorant.

laser liquide

Par rapport aux matières solides, les liquides sont plus homogènes et ont une plus grande densité d'atomes actifs, en comparaison avec des gaz. En plus de cela, ils ne sont pas difficiles à produire, permettre la dissipation de la chaleur facile et peut être facilement remplacé. Le principe de l'action du laser est utilisé comme un milieu de gain de colorant organique, tel que le DCM (4-dicyanométhylène-2-méthyl-6-p- diméthylaminostyryl-4H-pyrane), la rhodamine, styryle, LDS, coumarine, stilbène, et analogues. D ., dissous dans un solvant approprié. Une solution des molécules de colorant est excité par un rayonnement dont la longueur d'onde présente un bon coefficient d'absorption. Le principe d'action laser, en bref, est de générer à une longueur d'onde plus longue, appelée fluorescence. La différence entre l'énergie absorbée et les photons émis utilisé transitions d'énergie non radiative et chauffe le système.

Plus large lasers liquides de fluorescence de la bande a une caractéristique unique – réglage de la longueur d'onde. Le principe de fonctionnement et l'utilisation de ce type comme un laser accordable et la source lumineuse cohérente, est de plus en plus importante en spectroscopie, holographie, et dans des applications biomédicales.

Récemment, les lasers ont été utilisés pour la teinture pour la séparation des isotopes. Dans ce cas, le laser excitent sélectivement l'un d'eux, ce qui incite commencer une réaction chimique.