Laser — urządzenie i zasada działania

Normalne zachowanie światła podczas przechodzenia przez ośrodek

Zwykle, gdy światło przechodzi przez ośrodek, jego intensywność maleje. Liczbową wartość tego tłumienia można znaleźć z prawa Bouguera:

W tym równaniu, oprócz natężenia światła I wchodzącego i wychodzącego z ośrodka, istnieje również czynnik zwany liniowym współczynnikiem pochłaniania światła przez ośrodek. W tradycyjnej optyce współczynnik ten jest zawsze dodatni.

Negatywne pochłanianie światła

Co jeśli z jakiegoś powodu współczynnik absorpcji jest ujemny? Co wtedy? Nastąpi wzmocnienie światła przechodzącego przez ośrodek; w rzeczywistości podłoże będzie wykazywać ujemną absorpcję.

Warunki do obserwacji takiego obrazu można stworzyć sztucznie. Koncepcję teoretyczną dotyczącą sposobu realizacji proponowanego zjawiska sformułował w 1939 roku radziecki fizyk Walentin Aleksandrowicz Fabrikant.

W trakcie analizowania przechodzącego przez nie hipotetycznego ośrodka wzmacniającego światło, Fabrikant zaproponował zasadę wzmocnienia światła. A w 1955 rradzieccy fizycy Nikołaj Genadievich Basow i Aleksander Michajłowicz Prochorow zastosowali ten pomysł Fabrikanta do obszaru częstotliwości radiowych widma elektromagnetycznego.

Rozważmy fizyczną stronę możliwości absorpcji ujemnej. W wyidealizowanej formie poziomy energii atomów można przedstawić jako linie — tak jakby atomy w każdym stanie miały tylko ściśle określone energie E1 i E2. Oznacza to, że przechodząc ze stanu do stanu, atom albo emituje, albo pochłania wyłącznie światło monochromatyczne o ściśle określonej długości fali.

Ale rzeczywistość jest daleka od ideału iw rzeczywistości poziomy energetyczne atomów mają pewną skończoną szerokość, to znaczy nie są liniami o dokładnych wartościach. Dlatego podczas przejść między poziomami będzie również występował pewien zakres emitowanych lub pochłanianych częstotliwości dv, który zależy od szerokości poziomów energetycznych, pomiędzy którymi następuje przejście. Wartości E1 i E2 można wykorzystać do oznaczenia tylko środkowych poziomów energetycznych atomu.

Skoro więc założyliśmy, że E1 i E2 są punktami środkowymi poziomów energetycznych, możemy rozważyć atom w tych dwóch stanach. Niech E2>E1. Atom może absorbować lub emitować promieniowanie elektromagnetyczne, gdy przechodzi między tymi poziomami. Załóżmy, że będąc w stanie podstawowym E1 atom pochłonął promieniowanie zewnętrzne o energii E2-E1 i przeszedł w stan wzbudzony E2 (prawdopodobieństwo takiego przejścia jest proporcjonalne do współczynnika Einsteina B12).

Będąc w stanie wzbudzonym E2, atom pod działaniem promieniowania zewnętrznego o energii E2-E1 emituje kwant o energii E2-E1 i jest zmuszony do przejścia do stanu podstawowego z energią E1 (prawdopodobieństwo takiego przejścia jest proporcjonalne do współczynnik Einsteina B21).

Jeżeli równoległa wiązka promieniowania monochromatycznego o objętościowej gęstości widmowej w (v) przejdzie przez substancję, której warstwa ma pole przekroju poprzecznego i grubość dx, to jej intensywność zmieni się o wartość:

Tutaj n1 to stężenie atomów w stanach E1, n2 to stężenie atomów w stanach E2.

Podstawiając warunki po prawej stronie równania, zakładając, że B21 = B12, a następnie podstawiając za B21 wyrażenie, otrzymujemy równanie zmiany natężenia światła przy wąskich poziomach energii:

W praktyce, jak wspomniano powyżej, poziomy energii nie są nieskończenie wąskie, dlatego należy wziąć pod uwagę ich szerokość. Aby nie zaśmiecać artykułu opisem przekształceń i garścią wzorów, po prostu zauważmy, że wprowadzając zakres częstotliwości, a następnie całkując po x, otrzymamy wzór na znalezienie rzeczywistego współczynnika absorpcji średniej:

Ponieważ jest oczywiste, że w warunkach równowagi termodynamicznej stężenie n1 atomów w niższym stanie energetycznym E1 jest zawsze większe niż stężenie n2 atomów w wyższym stanie E2, to w normalnych warunkach absorpcja ujemna jest niemożliwa, więc nie można amplifikować światło po prostu przechodząc przez rzeczywiste środowisko bez podejmowania żadnych dodatkowych środków ...

Aby absorpcja ujemna stała się możliwa, konieczne jest stworzenie warunków, w których koncentracja atomów w stanie wzbudzonym E2 w ośrodku będzie większa niż koncentracja atomów w stanie podstawowym E1, czyli konieczne jest zorganizowanie odwrotny rozkład atomów w ośrodku zgodnie z ich stanami energetycznymi.

Potrzeba pompowania energii środowiska

Do zorganizowania odwróconej populacji poziomów energii (w celu uzyskania ośrodka aktywnego) stosuje się pompowanie (np. optyczne lub elektryczne). Pompowanie optyczne polega na absorpcji skierowanego na nie promieniowania przez atomy, dzięki czemu atomy te przechodzą w stan wzbudzony.

Pompowanie elektryczne w ośrodku gazowym polega na wzbudzaniu atomów przez nieelastyczne zderzenia z elektronami w wyładowaniu gazowym. Według Fabrikanta niektóre niskoenergetyczne stany atomów muszą być eliminowane za pomocą zanieczyszczeń molekularnych.

Praktycznie niemożliwe jest uzyskanie ośrodka aktywnego za pomocą pompowania optycznego w ośrodku dwupoziomowym, ponieważ ilościowo przejścia atomów na jednostkę czasu ze stanu E1 do stanu E2 i odwrotnie (!) w tym przypadku będą równoważne, co oznacza, że konieczne jest odwołanie się do co najmniej trójstopniowego systemu.

Rozważ trójstopniowy system pompowania. Niech zewnętrzne promieniowanie o energii fotonu E3-E1 działa na ośrodek, podczas gdy atomy w ośrodku przechodzą ze stanu o energii E1 do stanu o energii E3. Ze stanu energetycznego E3 możliwe są spontaniczne przejścia do stanu E2 i do E1. Aby uzyskać odwróconą populację (gdy w danym ośrodku jest więcej atomów o poziomie E2), konieczne jest, aby poziom E2 był trwalszy niż E3. W tym celu ważne jest spełnienie następujących warunków:

Spełnienie tych warunków będzie oznaczać, że atomy w stanie E2 pozostaną dłużej, to znaczy prawdopodobieństwo samorzutnych przejść z E3 do E1 iz E3 do E2 jest większe niż prawdopodobieństwo samorzutnych przejść z E2 do E1. Wtedy poziom E2 okaże się trwalszy, a taki stan na poziomie E2 można nazwać metastabilnym. Dlatego, gdy światło o częstotliwości v = (E3 — E1) / h przechodzi przez taki aktywny ośrodek, światło to zostanie wzmocnione. Podobnie można zastosować system czteropoziomowy, wtedy poziom E3 będzie metastabilny.

Urządzenie laserowe

Tak więc laser składa się z trzech głównych elementów: ośrodka aktywnego (w którym powstaje inwersja obsadzeń poziomów energetycznych atomów), układu pompującego (urządzenie do uzyskiwania inwersji obsadzeń) oraz rezonatora optycznego (wzmacniającego promieniowanie wielokrotnie i tworzy skierowaną wiązkę wyjściową). Ośrodkiem aktywnym może być ciało stałe, ciecz, gaz lub plazma.

Pompowanie odbywa się w sposób ciągły lub pulsacyjny. Przy ciągłym pompowaniu dopływ medium jest ograniczony przez przegrzanie medium i konsekwencje tego przegrzania. W pompowaniu pulsacyjnym użyteczna energia wprowadzana fragmentarycznie do medium jest uzyskiwana bardziej dzięki dużej mocy każdego pojedynczego impulsu.

Różne lasery — różne pompowanie

Lasery na ciele stałym są pompowane przez napromieniowanie czynnika roboczego silnymi błyskami wyładowczymi, skupionym światłem słonecznym lub innym laserem.To zawsze jest pompowanie pulsacyjne, ponieważ moc jest tak duża, że ​​pręt roboczy zapada się przy ciągłym działaniu.

Lasery cieczowe i gazowe są pompowane za pomocą wyładowania elektrycznego.Lasery chemiczne zakładają zachodzenie reakcji chemicznych w ich ośrodku aktywnym, w wyniku których otrzymuje się odwróconą populację atomów albo z produktów reakcji, albo ze specjalnych zanieczyszczeń o odpowiedniej strukturze poziomej.

Lasery półprzewodnikowe są pompowane prądem przewodzącym przez złącze pn lub wiązką elektronów. Ponadto istnieją takie metody pompowania, jak fotodysocjacja lub metoda gazodynamiczna (gwałtowne schładzanie ogrzanych gazów).

Rezonator optyczny — serce lasera

Rezonator optyczny to układ pary zwierciadeł, w najprostszym przypadku dwóch zwierciadeł (wklęsłych lub równoległych) ustawionych naprzeciw siebie, a pomiędzy nimi wzdłuż wspólnej osi optycznej znajduje się ośrodek aktywny w postaci kryształu lub kuweta z gazem. Fotony przechodzące pod kątem przez ośrodek opuszczają go z boku, a te poruszające się wzdłuż osi, wielokrotnie odbijane, są wzmacniane i wychodzą przez półprzezroczyste lustro.

Powoduje to wytwarzanie promieniowania laserowego — wiązki spójnych fotonów — ściśle ukierunkowanej wiązki. Podczas jednego przejścia światła między zwierciadłami wielkość wzmocnienia musi przekroczyć pewien próg — wielkość strat promieniowania przez drugie zwierciadło (im lepsza przepuszczalność zwierciadła, tym wyższy musi być ten próg).

Aby wzmocnienie światła odbywało się skutecznie, konieczne jest nie tylko zwiększenie drogi światła wewnątrz ośrodka aktywnego, ale także zapewnienie, aby fale wychodzące z rezonatora były w fazie ze sobą, wtedy fale interferujące dadzą maksymalna możliwa amplituda.

Aby osiągnąć ten cel, konieczne jest, aby każda z fal w rezonatorze powracająca do punktu na zwierciadle źródłowym i ogólnie w dowolnym punkcie ośrodka aktywnego była w fazie z falą pierwotną po dowolnej liczbie doskonałych odbić . Jest to możliwe, gdy droga optyczna przebyta przez falę między dwoma powrotami spełnia warunek:

gdzie m jest liczbą całkowitą, w tym przypadku różnica faz będzie wielokrotnością 2P:

Teraz, ponieważ każda z fal różni się fazą od poprzedniej o 2 pi, oznacza to, że wszystkie fale wychodzące z rezonatora będą w tej samej fazie, co daje maksymalną interferencję amplitudy. Rezonator będzie miał na wyjściu prawie monochromatyczne promieniowanie równoległe.

Działanie luster wewnątrz rezonatora zapewni wzmocnienie modów odpowiadających falom stojącym wewnątrz rezonatora; inne tryby (wynikające ze specyfiki rzeczywistych warunków) ulegną osłabieniu.

Laser rubinowy — pierwszy na ciele stałym

Pierwsze urządzenie półprzewodnikowe zostało zbudowane w 1960 roku przez amerykańskiego fizyka Theodore'a Maimana. Był to laser rubinowy (rubin — Al2O3, gdzie niektóre miejsca sieci — w granicach 0,5% — są zastąpione potrójnie zjonizowanym chromem; im więcej chromu, tym ciemniejszy kolor kryształu rubinu).

Pierwszy pomyślnie działający laser zaprojektowany przez dr Teda Maymana w 1960 roku.

Rubinowy walec wykonany z najbardziej jednorodnego kryształu, o średnicy od 4 do 20 mm i długości od 30 do 200 mm, umieszczony jest pomiędzy dwoma lustrami wykonanymi w postaci warstw srebra nałożonych na starannie wypolerowane końce tego cylinder. Spiralna lampa wyładowcza otacza cylinder na całej swojej długości i jest zasilana wysokim napięciem przez kondensator.

Gdy lampa jest włączona rubin jest intensywnie naświetlany, podczas gdy atomy chromu przechodzą z poziomu 1 na poziom 3 (w tym stanie wzbudzenia znajdują się mniej niż 10-7 sekund), to właśnie tam najbardziej prawdopodobne jest przejście do poziom 2 są realizowane — do poziomu metastabilnego. Nadmiar energii jest przekazywany do rubinowej sieci krystalicznej. Spontaniczne przejścia z poziomu 3 na poziom 1 są nieistotne.

Przejście z poziomu 2 na poziom 1 jest zabronione przez zasady selekcji, więc czas trwania tego poziomu wynosi około 10-3 sekund, czyli 10 000 razy dłużej niż na poziomie 3, w wyniku czego atomy gromadzą się w rubinie z poziomem 2 — to jest odwrotna populacja poziomu 2.

Spontanicznie powstające podczas spontanicznych przejść fotony mogą powodować wymuszone przejścia z poziomu 2 na poziom 1 i wywołać lawinę fotonów wtórnych, ale te spontaniczne przejścia są przypadkowe, a ich fotony rozchodzą się chaotycznie, przeważnie opuszczając rezonator przez jego ścianę boczną.

Ale te z fotonów, które trafiły w oś, podlegają wielokrotnym odbiciom od luster, jednocześnie powodując wymuszoną emisję fotonów wtórnych, które ponownie wywołują emisję wymuszoną i tak dalej. Fotony te będą poruszały się w kierunku zbliżonym do pierwotnych, a strumień wzdłuż osi kryształu będzie wzrastał jak lawina.

Zwielokrotniony strumień fotonów wyjdzie przez boczne półprzezroczyste zwierciadło rezonatora w postaci ściśle kierunkowej wiązki światła o kolosalnym natężeniu. Laser rubinowy działa na długości fali 694,3 nm, podczas gdy moc impulsu może dochodzić do 109 W

Laser neonowy z helem

Laser helowo-neonowy (hel / neon = 10/1) to jeden z najpopularniejszych laserów gazowych. Ciśnienie w mieszaninie gazów wynosi około 100 Pa.Neon służy jako gaz aktywny, wytwarza fotony o długości fali 632,8 nm w trybie ciągłym. Funkcją helu jest stworzenie odwrotnej populacji z jednego z wyższych poziomów energetycznych neonu. Szerokość widma takiego lasera wynosi około 5*10-3 Hz Długość koherencji 6*1011 m, czas koherencji 2*103°C.

Podczas pompowania lasera helowo-neonowego wyładowanie elektryczne o wysokim napięciu indukuje przejście atomów helu do metastabilnego stanu wzbudzonego na poziomie E2. Te atomy helu zderzają się nieelastycznie z atomami neonu w stanie podstawowym E1, przenosząc swoją energię. Energia poziomu E4 neonu jest wyższa niż poziomu E2 helu o 0,05 eV. Brak energii jest kompensowany energią kinetyczną zderzeń atomowych. W rezultacie na poziomie E4 neonu uzyskuje się odwróconą populację w stosunku do poziomu E3.

Rodzaje nowoczesnych laserów

Ze względu na stan ośrodka aktywnego lasery dzielą się na: stałe, cieczowe, gazowe, półprzewodnikowe, a także kryształowe. Zgodnie z metodą pompowania mogą to być: optyczne, chemiczne, wyładowania gazowe. Ze względu na generację lasery dzielą się na: ciągłe i impulsowe. Lasery tego typu emitują promieniowanie w widzialnym zakresie widma elektromagnetycznego.

Lasery optyczne pojawiły się później niż inne. Są w stanie generować promieniowanie w zakresie bliskiej podczerwieni, takie promieniowanie (o długości fali do 8 mikronów) jest bardzo odpowiednie do komunikacji optycznej. Lasery optyczne zawierają włókno, do którego rdzenia wprowadzono kilka jonów odpowiednich pierwiastków ziem rzadkich.

Światłowód, podobnie jak w przypadku innych typów laserów, jest zainstalowany między parą luster.W celu pompowania do włókna wprowadza się promieniowanie laserowe o wymaganej długości fali, tak że pod jego działaniem jony pierwiastków ziem rzadkich przechodzą w stan wzbudzony. Powracając do stanu o niższej energii, jony te emitują fotony o większej długości fali niż laser inicjujący.

W ten sposób włókno działa jako źródło światła laserowego. Jego częstotliwość zależy od rodzaju dodanych pierwiastków ziem rzadkich. Samo włókno wykonane jest z fluorku metali ciężkich, co skutkuje wydajną generacją promieniowania laserowego o częstotliwości z zakresu podczerwieni.

Lasery rentgenowskie zajmują przeciwną stronę widma — między ultrafioletem a gamma — są to rzędy wielkości o długościach fal od 10-7 do 10-12 m. Lasery tego typu mają najwyższą jasność impulsu ze wszystkich typów laserów.

Pierwszy laser rentgenowski został zbudowany w 1985 roku w USA, w Livermore Laboratory. Lawrence'a. Laser generowany jest na jonach selenu, zakres długości fal wynosi od 18,2 do 26,3 nm, a największa jasność przypada na linię długości fali 20,63 nm. Obecnie promieniowanie laserowe o długości fali 4,6 nm uzyskuje się za pomocą jonów glinu.

Laser rentgenowski jest generowany przez impulsy o czasie trwania od 100 ps do 10 ns, co zależy od czasu trwania formowania się plazmy.

Faktem jest, że ośrodkiem aktywnym lasera rentgenowskiego jest wysoce zjonizowana plazma, którą uzyskuje się na przykład, gdy cienką warstwę itru i selenu naświetla się laserem dużej mocy w zakresie widzialnym lub podczerwonym.

Energia lasera rentgenowskiego w impulsie sięga 10 mJ, natomiast rozbieżność kątowa w wiązce wynosi około 10 miliradianów. Stosunek mocy pompy do promieniowania bezpośredniego wynosi około 0,00001.