Laser - dispozitiv și principiu de funcționare

Comportamentul normal al luminii la trecerea printr-un mediu

În mod normal, atunci când lumina trece printr-un mediu, intensitatea acestuia scade. Valoarea numerică a acestei atenuări poate fi găsită din legea lui Bouguer:

În această ecuație, pe lângă intensitățile luminii I care intră și ies din mediu, există și un factor numit coeficientul liniar de absorbție a luminii a mediului. În optica tradițională, acest coeficient este întotdeauna pozitiv.

Absorbție negativă a luminii

Ce se întâmplă dacă dintr-un motiv oarecare coeficientul de absorbție este negativ? Ce atunci? Va exista o amplificare a luminii pe măsură ce trece prin mediu; de fapt, mediul va prezenta o absorbție negativă.

Condițiile pentru observarea unei astfel de imagini pot fi create artificial. Conceptul teoretic privind modalitatea de implementare a fenomenului propus a fost formulat în 1939 de către fizicianul sovietic Valentin Alexandrovich Fabrikant.

În cursul analizei unui mediu ipotetic de amplificare a luminii care trece prin acesta, Fabrikant a propus principiul amplificării luminii. Și în 1955fizicienii sovietici Nikolai Genadievich Basov și Alexander Mikhailovici Prohorov au aplicat această idee Fabrikant în regiunea frecvenței radio a spectrului electromagnetic.

Luați în considerare latura fizică a posibilității de absorbție negativă. Într-o formă idealizată, nivelurile de energie ale atomilor pot fi reprezentate ca linii - ca și cum atomii din fiecare stare ar avea doar energii strict definite E1 și E2. Aceasta înseamnă că atunci când trece de la stare la stare, un atom fie emite, fie absoarbe exclusiv lumină monocromatică cu o lungime de undă precis definită.

Dar realitatea este departe de a fi ideală și, de fapt, nivelurile de energie ale atomilor au o anumită lățime finită, adică nu sunt linii de valori exacte. Prin urmare, în timpul tranzițiilor între niveluri, va exista și o anumită gamă de frecvențe emise sau absorbite dv, care depinde de lățimea nivelurilor de energie între care are loc tranziția. Valorile lui E1 și E2 pot fi folosite pentru a desemna doar nivelurile de energie mijlocie ale atomului.

Deci, deoarece am presupus că E1 și E2 sunt punctele medii ale nivelurilor de energie, putem considera un atom în aceste două stări. Fie E2>E1. Un atom poate absorbi sau emite radiații electromagnetice atunci când trece între aceste niveluri. Să presupunem că, fiind în starea fundamentală E1, un atom a absorbit radiația externă cu energia E2-E1 și a trecut într-o stare excitată E2 (probabilitatea unei astfel de tranziții este proporțională cu coeficientul Einstein B12).

Fiind în stare excitată E2, atomul aflat sub acțiunea radiației externe cu energia E2-E1 emite o cuantă cu energia E2-E1 și este forțat să treacă la starea fundamentală cu energia E1 (probabilitatea unei astfel de tranziții este proporțională cu coeficientul Einstein B21).

Dacă un fascicul paralel de radiație monocromatică cu densitate spectrală volumică w (v) trece printr-o substanță al cărei strat are o secțiune transversală unitară și o grosime dx, atunci intensitatea sa se va modifica cu valoarea:

Aici n1 este concentrația de atomi în stările E1, n2 este concentrația de atomi în stările E2.

Înlocuind condițiile din partea dreaptă a ecuației, presupunând că B21 = B12, și apoi înlocuind expresia pentru B21, obținem ecuația pentru modificarea intensității luminii la niveluri de energie înguste:

În practică, așa cum am menționat mai sus, nivelurile de energie nu sunt infinit de înguste, așa că lățimea lor trebuie luată în considerare. Pentru a nu aglomera articolul cu o descriere a transformărilor și o grămadă de formule, pur și simplu observăm că introducând un interval de frecvență și apoi integrând peste x, vom ajunge cu o formulă pentru găsirea coeficientului real de absorbție al unei medii:

Deoarece este evident că în condiții de echilibru termodinamic, concentrația n1 a atomilor în starea energetică inferioară E1 este întotdeauna mai mare decât concentrația n2 a atomilor în starea superioară E2, absorbția negativă este imposibilă în condiții normale, este imposibil de amplificat. lumina doar trecând printr-un mediu real fără a lua măsuri suplimentare...

Pentru ca absorbția negativă să devină posibilă, este necesar să se creeze condiții când concentrația atomilor în stare excitată E2 în mediu va fi mai mare decât concentrația atomilor în starea fundamentală E1, adică este necesar să se organizeze o distribuție inversă a atomilor în mediu în funcție de stările lor energetice.

Nevoia de pompare energetică a mediului

Pentru a organiza o populație inversată de niveluri energetice (pentru a obține un mediu activ) se folosește pomparea (de exemplu, optică sau electrică). Pomparea optică implică absorbția radiațiilor direcționate către ei de către atomi, datorită căreia acești atomi intră într-o stare excitată.

Pomparea electrică într-un mediu gazos implică excitarea atomilor prin ciocniri neelastice cu electronii din descărcarea gazoasă. Potrivit lui Fabrikant, unele dintre stările de energie scăzută ale atomilor trebuie eliminate prin intermediul impurităților moleculare.

Este practic imposibil să se obțină un mediu activ folosind pomparea optică într-un mediu cu două niveluri, deoarece din punct de vedere cantitativ tranzițiile atomilor pe unitatea de timp de la starea E1 la starea E2 și invers (!) în acest caz vor fi echivalente, ceea ce înseamnă că este necesar să se recurgă la cel puțin un sistem pe trei niveluri.

Luați în considerare un sistem de pompare în trei etape. Lăsați radiația externă cu energia fotonică E3-E1 să acționeze asupra mediului în timp ce atomii din mediu trec din starea cu energia E1 în starea cu energia E3. Din starea de energie E3, sunt posibile tranziții spontane la starea E2 și la E1. Pentru a obține o populație inversată (când există mai mulți atomi cu nivelul E2 într-un mediu dat), este necesar ca nivelul E2 să dureze mai mult decât E3. Pentru aceasta, este important să respectați următoarele condiții:

Respectarea acestor condiții va însemna că atomii în starea E2 rămân mai mult timp, adică probabilitatea tranzițiilor spontane de la E3 la E1 și de la E3 la E2 depășește probabilitatea tranzițiilor spontane de la E2 la E1. Apoi nivelul E2 se va dovedi a fi mai durabil, iar o astfel de stare la nivelul E2 poate fi numită metastabilă. Prin urmare, atunci când lumina cu frecvența v = (E3 — E1) / h trece printr-un astfel de mediu activ, această lumină va fi amplificată. În mod similar, poate fi utilizat un sistem cu patru niveluri, apoi nivelul E3 va fi metastabil.

Dispozitiv cu laser

Astfel, laserul include trei componente principale: un mediu activ (în care se creează inversarea populației a nivelurilor de energie ale atomilor), un sistem de pompare (un dispozitiv pentru obținerea inversării populației) și un rezonator optic (care amplifică radiația). de multe ori și formează un fascicul direcționat al ieșirii). Mediul activ poate fi solid, lichid, gaz sau plasmă.

Pomparea se face continuu sau pulsat. Cu pomparea continuă, alimentarea cu mediu este limitată de supraîncălzirea mediului și de consecințele acestei supraîncălziri. În pomparea în impulsuri, energia utilă introdusă fragmentar în mediu se obține mai mult datorită puterii mari a fiecărui impuls individual.

Diferite lasere - diferite pompare

Laserele cu stare solidă sunt pompate prin iradierea mediului de lucru cu flash-uri puternice de descărcare de gaz, lumina focalizată a soarelui sau alt laser.Acesta este întotdeauna pompare în impulsuri, deoarece puterea este atât de mare încât tija de lucru se va prăbuși sub acțiune continuă.

Laserele cu lichid și gaz sunt pompate cu o descărcare electrică.Laserele chimice presupun apariția unor reacții chimice în mediul lor activ, în urma cărora populația inversată de atomi se obține fie din produsele reacției, fie din impurități speciale cu o structură de nivel adecvată.

Laserele semiconductoare sunt pompate prin curent direct printr-o joncțiune pn sau printr-un fascicul de electroni. În plus, există metode de pompare precum fotodisociarea sau metoda dinamică a gazelor (răcirea bruscă a gazelor încălzite).

Rezonator optic - inima laserului

Rezonatorul optic este un sistem al unei perechi de oglinzi, în cel mai simplu caz, două oglinzi (concave sau paralele) fixate una față de cealaltă, iar între ele de-a lungul unei axe optice comune există un mediu activ sub forma unui cristal sau a unui cuvă cu gaz. Fotonii care trec în unghi prin mediu îl lasă în lateral, iar cei care se deplasează de-a lungul axei, fiind reflectați de mai multe ori, sunt amplificați și ies printr-o oglindă translucidă.

Acest lucru produce radiație laser - un fascicul de fotoni coerenți - un fascicul strict direcționat. În timpul unei treceri de lumină între oglinzi, mărimea câștigului trebuie să depășească un anumit prag - cantitatea de pierdere de radiație prin a doua oglindă (cu cât oglinda transmite mai bine, cu atât acest prag trebuie să fie mai mare).

Pentru ca amplificarea luminii să fie efectuată în mod eficient, este necesar nu numai să se mărească calea luminii în interiorul mediului activ, ci și să se asigure că undele care părăsesc rezonatorul sunt în fază unele cu altele, atunci undele interferente vor da amplitudinea maximă posibilă.

Pentru a atinge acest scop, este necesar ca fiecare dintre undele din rezonator revenind intr-un punct de pe oglinda sursa si in general, in orice punct al mediului activ, sa fie in faza cu unda primara dupa un numar arbitrar de reflexii perfecte. . Acest lucru este posibil atunci când calea optică parcursă de val între două întoarceri satisface condiția:

unde m este un număr întreg, în acest caz diferența de fază va fi un multiplu de 2P:

Acum, deoarece fiecare dintre unde diferă ca fază de cea anterioară cu 2pi, aceasta înseamnă că toate undele care părăsesc rezonatorul vor fi în fază unele cu altele, dând interferență de amplitudine maximă. Rezonatorul va avea radiații paralele aproape monocromatice la ieșire.

Funcționarea oglinzilor din interiorul rezonatorului va asigura amplificarea modurilor corespunzătoare undelor staționare din interiorul rezonatorului; alte moduri (care apar din cauza particularităților condițiilor reale) vor fi slăbite.

Laser rubin - prima stare solidă

Primul dispozitiv cu stare solidă a fost construit în 1960 de către fizicianul american Theodore Maiman. Era un laser rubin (rubin - Al2O3, unde unele dintre site-urile rețelei - în limita a 0,5% - sunt înlocuite cu crom triplu ionizat; cu cât mai mult crom, cu atât culoarea cristalului de rubin este mai închisă).

Primul laser de succes proiectat de Dr. Ted Mayman în 1960.

Un cilindru de rubin realizat din cel mai omogen cristal, cu un diametru de 4 până la 20 mm și o lungime de 30 până la 200 mm, este așezat între două oglinzi realizate sub formă de straturi de argint aplicate la capetele lustruite cu grijă ale acestuia. cilindru. O lampă cu descărcare în gaz în formă de spirală înconjoară un cilindru pe toată lungimea sa și este alimentată cu tensiune înaltă printr-un condensator.

Când lampa este aprinsă, rubinul este intens iradiat, în timp ce atomii de crom se deplasează de la nivelul 1 la nivelul 3 (se află în această stare excitată pentru mai puțin de 10-7 secunde), aici este cel mai probabil tranziția către nivelul 2 sunt realizate — la un nivel metastabil. Excesul de energie este transferat în rețeaua cristalină de rubin. Tranzițiile spontane de la nivelul 3 la nivelul 1 sunt nesemnificative.

Trecerea de la nivelul 2 la nivelul 1 este interzisă de regulile de selecție, astfel încât durata acestui nivel este de aproximativ 10-3 secunde, care este de 10.000 de ori mai mare decât la nivelul 3, ca urmare, atomii se acumulează în rubin cu nivelul 2 — aceasta este populația inversă a nivelului 2.

Apărând spontan în timpul tranzițiilor spontane, fotonii pot provoca tranziții forțate de la nivelul 2 la nivelul 1 și pot provoca o avalanșă de fotoni secundari, dar aceste tranziții spontane sunt aleatorii și fotonii lor se propagă haotic, lăsând în mare parte rezonatorul prin peretele său lateral.

Dar cei dintre fotonii care lovesc axa suferă reflexii multiple din oglinzi, provocând simultan emisia forțată de fotoni secundari, care provoacă din nou emisia stimulată, etc. Acești fotoni se vor deplasa într-o direcție similară cu cei primari și fluxul de-a lungul axei cristalului va crește ca o avalanșă.

Fluxul multiplicat de fotoni va ieși prin oglinda laterală translucidă a rezonatorului sub forma unui fascicul de lumină strict direcțional de intensitate colosală. Laserul rubin funcționează la o lungime de undă de 694,3 nm, în timp ce puterea impulsului poate fi de până la 109 W

Laser neon cu heliu

Laserul cu heliu-neon (heliu / neon = 10/1) este unul dintre cele mai populare lasere cu gaz. Presiunea din amestecul de gaze este de aproximativ 100 Pa.Neonul servește ca gaz activ, produce fotoni cu o lungime de undă de 632,8 nm în modul continuu. Funcția heliului este de a crea o populație inversă de la unul dintre nivelurile superioare de energie ale neonului. Lățimea spectrului unui astfel de laser este de aproximativ 5 * 10-3 Hz Lungimea coerenței 6 * 1011 m, timpul de coerență 2 * 103 ° C.

Când un laser cu heliu-neon este pompat, o descărcare electrică de înaltă tensiune induce tranziția atomilor de heliu la o stare excitată metastabilă a nivelului E2. Acești atomi de heliu se ciocnesc inelastic cu atomii de neon în starea fundamentală E1, transferându-și energia. Energia nivelului E4 al neonului este mai mare decât nivelul E2 al heliului cu 0,05 eV. Lipsa de energie este compensată de energia cinetică a ciocnirilor atomice. Ca urmare, la nivelul E4 al neonului se obține o populație inversată față de nivelul E3.

Tipuri de lasere moderne

În funcție de starea mediului activ, laserele sunt împărțite în: solid, lichid, gaz, semiconductor și, de asemenea, cristal. După metoda de pompare, acestea pot fi: optice, chimice, descărcare gazoasă. După natura generației, laserele sunt împărțite în: continue și pulsate. Aceste tipuri de lasere emit radiații în domeniul vizibil al spectrului electromagnetic.

Laserele optice au apărut mai târziu decât altele. Sunt capabili să genereze radiații în domeniul infraroșu apropiat, astfel de radiații (la o lungime de undă de până la 8 microni) sunt foarte potrivite pentru comunicațiile optice. Laserele optice conțin o fibră în miezul căreia au fost introduși mai mulți ioni de elemente de pământuri rare adecvate.

Ghidul de lumină, ca și în cazul altor tipuri de lasere, este instalat între o pereche de oglinzi.Pentru pompare, radiația laser cu lungimea de undă necesară este alimentată în fibră, astfel încât ionii elementelor pământurilor rare trec într-o stare excitată sub acțiunea sa. Revenind la o stare de energie mai scăzută, acești ioni emit fotoni cu o lungime de undă mai mare decât cea a laserului inițiator.

În acest fel, fibra acționează ca o sursă de lumină laser. Frecvența sa depinde de tipul de elemente de pământ rare adăugate. Fibra în sine este realizată din fluorură de metale grele, ceea ce are ca rezultat generarea eficientă a radiației laser la frecvența intervalului infraroșu.

Laserele cu raze X ocupă partea opusă a spectrului - între ultraviolete și gamma - acestea sunt ordine de mărime cu lungimi de undă de la 10-7 la 10-12 m. Laserele de acest tip au cea mai mare luminozitate a impulsului dintre toate tipurile de lasere.

Primul laser cu raze X a fost construit în 1985 în SUA, la Laboratorul Livermore. Lawrence. Laserul generat pe ionii de seleniu, intervalul de lungimi de undă este de la 18,2 la 26,3 nm, iar cea mai mare luminozitate cade pe linia lungimii de undă de 20,63 nm. Astăzi, radiația laser cu o lungime de undă de 4,6 nm a fost realizată cu ioni de aluminiu.

Laserul cu raze X este generat de impulsuri cu o durată de la 100 ps la 10 ns, care depinde de durata de viață a formării plasmei.

Faptul este că mediul activ al unui laser cu raze X este o plasmă puternic ionizată, care se obține, de exemplu, atunci când o peliculă subțire de ytriu și seleniu este iradiată cu un laser de mare putere în spectrul vizibil sau infraroșu.

Energia laserului cu raze X într-un impuls ajunge la 10 mJ, în timp ce divergența unghiulară în fascicul este de aproximativ 10 miliradiani. Raportul dintre puterea pompei și radiația directă este de aproximativ 0,00001.