Il principio del laser: caratteristiche della radiazione laser

Il primo principio dell'azione laser, la cui fisica era basata sulla legge di radiazione di Planck, fu dimostrata teoricamente da Einstein nel 1917. Ha descritto l'assorbimento, spontanea e stimolata radiazione elettromagnetica con l'aiuto di coefficienti di probabilità (coefficienti di Einstein).

pionieri

Theodore Meiman è stato il primo a dimostrare il principio dell'azione di un laser rubino basato sul pompaggio ottico con una lampada flash di un rubino sintetico che produce una radiazione coerente pulsata con una lunghezza d'onda di 694 nm.

Nel 1960 gli scienziati iraniani Javan e Bennett crearono il primo generatore di quantum di gas usando una miscela di gas He e Ne in un rapporto di 1:10.

Nel 1962, RN Hall ha dimostrato il primo laser di diodi da arsenide di gallio (GaAs) emesso a 850 nm. Più tardi quell'anno Nick Golonyak sviluppò il primo generatore quantico a semiconduttore di luce visibile.

Il dispositivo e il principio di funzionamento dei laser

Ogni sistema laser è costituito da un mezzo attivo collocato tra una coppia di specchi otticamente paralleli e altamente riflettenti, uno dei quali è semitrasparente e una fonte di energia per il suo pompaggio. Il mezzo di amplificazione può essere un solido, liquido o gas che ha la proprietà di amplificare l'ampiezza di un'onda luminosa che passa attraverso di essa mediante emissione stimolata con pompaggio elettrico o ottico. La sostanza è posta tra una coppia di specchi in modo che la luce riflessa in essi passa attraverso di essa ogni volta e, raggiungendo un notevole guadagno, penetra attraverso lo specchio traslucido.

Mezzi a due livelli

Considerate il principio dell'azione di un laser con un mezzo attivo, i cui atomi hanno solo due livelli di energia: eccitato E ₂ e base E ₁ . Se gli atomi sono eccitati a qualsiasi stato con l'aiuto di un meccanismo di pompaggio (ottico, scarico elettrico, trasmissione di corrente o bombardamento elettronico) allo stato E ₂ , ritornano alla posizione di terra dopo alcuni nanosecondi emettendo fotoni di energia hν = E ₂ – E ₁ . Secondo la teoria di Einstein, l'emissione viene prodotta in due modi diversi: sia indotta da un fotone, o accade spontaneamente. Nel primo caso avviene l'emissione stimolata e, nella seconda, l'emissione spontanea. All'equilibrio termico, la probabilità di emissione stimolata è molto inferiore all'emissione spontanea (1:10 ³³ ), quindi la maggior parte delle sorgenti luminose convenzionali sono incoerenti e la generazione laser è possibile in condizioni diverse dall'equilibrio termico.

Anche con pompaggio molto forte, la popolazione di sistemi a due livelli può essere resa uguale. Pertanto, per ottenere una popolazione invertita per ottica o altri pompaggi, sono richiesti sistemi a tre o quattro livelli.

Sistemi multilivello

Qual è il principio dell'azione di un laser a tre livelli? L'irradiazione con intensità della frequenza ν ₀₂ pompava un gran numero di atomi dal livello di energia più basso E ₀ verso l'alto E ₂ . La transizione non radiologica degli atomi da E2 a E1 determina una inversione di popolazione tra E1 e E0, che in pratica è possibile solo quando gli atomi sono in uno stato metastabile per lungo tempo e la transizione da E2 a E1 avviene rapidamente. Il principio di funzionamento del laser a tre livelli è quello di soddisfare queste condizioni, in modo che l'inversione di popolazione sia raggiunta tra E ₀ e E ₁ ei fotoni sono intensificati dall'energia E1-E _{0 della} radiazione indotta. Un livello più ampio di E ₂ potrebbe aumentare la gamma di assorbimento della lunghezza d'onda per una pompa più efficiente, con conseguente aumento dell'emissione stimolata.

Il sistema a tre livelli richiede un elevato potere di pompaggio, dal momento che il livello più basso coinvolto nella generazione è quello base. In questo caso, affinché una inversione di popolazione avvenga, più della metà del numero totale di atomi deve essere pompato allo stato E ₁ . Così l'energia viene sprecato. La potenza della pompa può essere significativamente ridotta se il livello più basso di generazione non è fondamentale, che richiede almeno un sistema a quattro livelli.

A seconda della natura della sostanza attiva, i laser sono suddivisi in tre categorie principali, vale a dire solidi, liquidi e gas. Dal 1958, quando la prima generazione è stata osservata in un cristallo rubino, gli scienziati ei ricercatori hanno studiato una vasta gamma di materiali in ciascuna categoria.

Laser a stato solido

Il principio di funzionamento si basa sull'utilizzo di un mezzo attivo, che viene formato aggiungendo un gruppo di transizione (Ti ⁺³ , Cr ⁺³ , V ⁺² , Co ⁺² , Ni ⁺² , Fe ⁺² , ecc.) Al reticolo cristallino isolante del metallo , Ioni di terra rara (Ce ⁺³ , Pr ⁺³ , Nd ⁺³ , Pm ⁺³ , Sm ⁺² , Eu ^{+ 2, +3} , Tb ⁺³ , Dy ⁺³ , Ho ⁺³ , Er ⁺³ , Yb ⁺³ , Etc.) e actinidi come U ⁺³ . I livelli di energia degli ioni sono responsabili solo per la generazione. Le proprietà fisiche del materiale base, come la conducibilità termica e l'espansione termica, sono importanti per l'efficace funzionamento del laser. La disposizione degli atomi di reticolo intorno allo ione drogato altera i suoi livelli di energia. Diverse lunghezze d'onda di generazione nel mezzo attivo sono ottenute doping con materiali diversi con lo stesso ione.

Laser di Holmium

Un esempio di un laser a stato solido è un generatore di quantum in cui l'olmo sostituisce l'atomo del materiale di base del reticolo cristallino. Ho: YAG è uno dei migliori materiali di generazione. Il principio del laser dell'olmo è che il granato dell'alluminio-itrio è drogato con ioni di olio, otticamente pompato da una lampada flash e emette ad una lunghezza d'onda di 2097 nm nella fascia IR, ben assorbita dai tessuti. Questo laser è utilizzato per operazioni sulle articolazioni, nel trattamento dei denti, per l'evaporazione delle cellule tumorali, delle calcoli renali e dei calcoli biliari.

Generatore quantico a semiconduttore

I laser nei pozzi quantici sono poco costosi, consentono la produzione di massa e sono facilmente ridimensionabili. Il principio di funzionamento di un laser a semiconduttore si basa sull'utilizzo di un diodo con giunzione pn che produce luce di una certa lunghezza d'onda ricombinando il vettore con una polarizzazione positiva, come i LED. LED emette spontaneamente e diodi laser – forzati. Per soddisfare la condizione di inversione della popolazione, la corrente operativa deve superare il valore di soglia. Il mezzo attivo in un diodo a semiconduttore ha la forma di una regione di connessione di due strati bidimensionali.

Il principio di funzionamento di questo tipo di laser è tale da non richiedere uno specchio esterno per mantenere le vibrazioni. Il potere riflettente creato dall'indice di rifrazione degli strati e dalla riflessione interna del mezzo attivo è sufficiente a questo scopo. Le superfici di estremità dei diodi sono cedute, che garantiscono il parallelismo delle superfici riflettenti.

Un composto formato da materiali semiconduttori dello stesso tipo è chiamato un homogon, e creato da una combinazione di due differenti – un eterogione.

I semiconduttori di tipo p e n con elevata densità di supporto costituiscono una giunzione pn con uno strato di scarico molto sottile (≈ 1 μm).

Laser a gas

Il principio di funzionamento e utilizzo di questo tipo di laser consente di creare dispositivi di quasi qualsiasi potenza (da milliwatt a megawatt) e lunghezze d'onda (da UV a IR) e consente di operare in modalità pulsata e continua. Basandosi sulla natura dei mezzi attivi, esistono tre tipi di generatori di quantum di gas, cioè atomici, ionici e molecolari.

La maggior parte dei laser a gas vengono pompati con una scarica elettrica. Gli elettroni nel tubo di scarico vengono accelerati da un campo elettrico tra gli elettrodi. Si scontrano con atomi, ioni o molecole del mezzo attivo e inducono una transizione verso livelli energetici superiori per ottenere lo stato di inversione della popolazione e stimolare l'emissione.

Laser molecolare

Il principio del laser è basato sul fatto che, a differenza degli atomi e degli ioni isolati, nei generatori quantistici atomici e ionici, le molecole hanno ampie bande di energia di livelli energetici discreti. In questo caso, ogni livello di energia elettronica ha un gran numero di livelli vibrazionali e quelli a loro volta sono in qualche modo rotazionali.

L'energia tra i livelli di energia dell'elettrone è nelle regioni ultraviolette e visibili dello spettro, mentre tra i livelli di rotazione vibrazionali – nelle regioni IR distanti e vicine. Così, la maggior parte dei generatori quantistici molecolari funzionano in regioni lontane o vicine a IR.

Laser escimitrici

Gli esclamatori sono molecole come ArF, KrF, XeCl, che hanno uno stato fondato e sono stabili al primo livello. Il principio del laser è il seguente. Di regola, il numero di molecole nello stato di massa è piccolo, quindi il pompaggio diretto dallo stato fondamentale non è possibile. Le molecole vengono formate nel primo stato elettronico eccitato combinando alogenuri ad alta energia con gas inerti. La popolazione dell'inversione è facilmente raggiungibile, dal momento che il numero di molecole a livello di base è troppo piccolo rispetto a quello eccitato. Il principio dell'azione laser, brevemente, consiste nella transizione dall'effetto elettronico eccitato verso lo stato di terra dissociativo. La popolazione nello stato fondamentale rimane sempre a un livello basso, perché le molecole a questo punto si dissociano in atomi.

Il dispositivo e il principio di funzionamento dei laser è che un tubo di scarico è riempito con una miscela di un alogenuro (F ₂ ) e di un raro gas terrestre (Ar). Gli elettroni in esso dissociano e ionizzano le molecole di alogenuri e creano ioni caricati negativamente. Gli ioni positivi A ⁺ e F negativi reagiscono e producono molecole ArF nel primo stato legato eccitato con la loro successiva transizione verso uno stato di base repulsivo e la generazione di radiazioni coerenti. Il laser ad eccimeri, il principio di funzionamento e applicazione di cui stiamo considerando, può essere utilizzato per pompare il mezzo attivo sui coloranti.

Laser liquido

Rispetto ai solidi, i liquidi sono più omogenei e hanno una maggiore densità di atomi attivi, rispetto ai gas. Oltre a ciò, non sono difficili da produrre, permettono semplicemente di rimuovere il calore e possono essere facilmente sostituiti. Il principio del laser è quello di utilizzare coloranti organici come un mezzo attivo come il DCM (4-dicianometilene-2-metil-6-p-dimetilaminostiril-4H-piran), rodamina, stirolo, LDS, cumarina, stilbene ecc. ., Disciolto in un solvente appropriato. Una soluzione di molecole di colorante è eccitata da radiazioni la cui lunghezza d'onda ha un buon coefficiente di assorbimento. Il principio del laser, in breve, è quello di generare una lunghezza d'onda più lunga, chiamata fluorescenza. La differenza tra l'energia assorbita ei fotoni emessi viene utilizzata da transizioni energetiche non radiative e riscalda il sistema.

La più ampia banda di fluorescenza dei generatori quantistici liquidi ha una caratteristica unica – la sintonizzazione della lunghezza d'onda. Il principio di funzionamento e l'uso di questo tipo di laser come fonte di luce sintonizzabile e coerente sta diventando sempre più importante nella spettroscopia, nell'olografia e nelle applicazioni biomediche.

Recentemente, i generatori a base di coloranti quantici sono stati usati per separare isotopi. In questo caso, il laser emette in modo selettivo una di esse, provocando una reazione chimica.