Minden olyan anyag, amelyhez populációinverzió biztosítható, használható lézeres közegként. Ez a következő anyagokkal lehetséges:

a) szabad atomok, ionok, molekulák, molekulák ionjai gázokban vagy gőzökben;

b) folyadékban oldott festékmolekulák;

c) atomok, beágyazott ionok szilárd;

d) adalékolt félvezetők;

e) szabad elektronok.

A lézersugárzás generálására alkalmas közegek száma és a lézerátmenetek száma igen nagy. Csak a neonelemben mintegy 200 különböző lézerátmenet figyelhető meg. A lézeres aktív közeg típusa szerint megkülönböztetünk gáz-, folyékony-, félvezető- és szilárdtestlézereket. Érdekességként meg kell jegyezni, hogy a szén-dioxidból, nitrogénből és vízgőzből álló emberi lehelet megfelelő aktív közeg egy gyenge CO 2 lézer számára, és a gin egyes fajtái már generáltak lézersugárzást, mivel elegendő mennyiségben tartalmaznak kinin mennyisége kék fluoreszcenciával.

A lézergenerációs vonalak a spektrum ultraibolya tartományától (100 nm) a távoli infravörös tartomány milliméteres hullámhosszáig ismertek. A lézerek zökkenőmentesen alakulnak át maserekké. Intenzív kutatások folynak a lézerek területén a röntgenhullámok tartományában (16. ábra), de gyakorlati jelentőségre csak két-három tucat lézerfajta jutott. A CO 2 lézerek, az argon és kripton ion lézerek, a CW és impulzusos Nd:YAG lézerek, a CW és impulzusos festéklézerek, a He-Ne lézerek és a GaAs lézerek ma már a legszélesebb körű orvosi alkalmazásra találtak. Excimer lézerek, Nd:YAG lézerek frekvencia-kettőzéssel, Er:YAG lézerek és fémgőzlézerek is egyre gyakrabban használatosak az orvostudományban.

Rizs. 16. Az orvostudományban leggyakrabban használt lézertípusok.

Ezenkívül a lézeraktív közegek megkülönböztethetők attól, hogy diszkrét lézervonalakat alkotnak-e, pl. csak nagyon szűk meghatározott hullámhossz-tartományban, vagy folyamatosan sugároznak széles hullámhossz-tartományban. A szabad atomok és ionok jól meghatározott energiaszintjüknek köszönhetően diszkrét lézervonalakkal rendelkeznek. Sok szilárdtestlézer is diszkrét vonalakon bocsát ki (rubinlézerek, Nd:YAG lézerek). Kifejlesztettek azonban szilárdtestlézereket is (színközpontú lézerek, alexandrit-, gyémántlézerek), amelyek sugárzási hullámhossza egy nagy spektrális tartományban folyamatosan változhat. Ez különösen vonatkozik a festéklézerekre, amelyeknél ez a technika fejlődött a legnagyobb mértékben. A félvezetők energiaszintjének sávszerkezete miatt a félvezető lézerek sem rendelkeznek diszkrét tiszta lézergeneráló vonalakkal.

A mi korunkban nehéz olyan embert találni, aki soha nem hallaná a szót "lézer" azonban nagyon kevesen értik egyértelműen, hogy mi az.

Fél évszázada a lézerek feltalálása óta különböző típusok széles körben alkalmazták, az orvostudománytól a digitális technológiáig. Mi tehát a lézer, mi a működési elve, és mire való?

Mi az a lézer?

A lézerek létezésének lehetőségét Albert Einstein jósolta meg, aki még 1917-ben publikált egy cikket arról, hogy az elektronok bizonyos hosszúságú fénykvantumokat bocsátanak ki. Ezt a jelenséget stimulált emissziónak nevezték, de sokáig technikailag megvalósíthatatlannak tartották.

A technikai és technológiai képességek fejlődésével azonban a lézer megalkotása idő kérdése lett. 1954-ben N. Basov és A. Prohorov szovjet tudósok Nobel-díjat kaptak egy maser, az első ammóniával működő mikrohullámú generátor megalkotásáért. 1960-ban pedig az amerikai T. Maiman elkészítette az első optikai sugarak kvantumgenerátorát, amelyet lézernek (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) nevezett el. A készülék az energiát szűk irányú optikai sugárzássá alakítja, pl. fénysugár, nagy koncentrációjú fénykvantumok (fotonok) folyama.

A lézer működési elve

A lézer működésének alapjául szolgáló jelenséget a közeg stimulált, vagy indukált sugárzásának nevezzük. Egy adott anyag atomjai más fotonok hatására fotonokat bocsáthatnak ki, míg a ható foton energiájának meg kell egyeznie az atom sugárzás előtti és utáni energiaszintje közötti különbséggel.

A kibocsátott foton koherens az emissziót okozó fotonnal, azaz. pontosan olyan, mint az első foton. Ennek eredményeként a közegben lévő gyenge fényáram felerősödik, és nem véletlenszerűen, hanem egyben adott irányt. Stimulált sugárnyaláb képződik, amelyet lézernek neveznek.

A lézerek osztályozása

A lézerek természetének és tulajdonságainak tanulmányozása során e sugarak különféle típusait fedezték fel. A kiindulási anyag állapotától függően a lézerek lehetnek:

• gáz;
• folyékony;
• szilárd állapot;
• szabad elektronokon.

Jelenleg számos módszert fejlesztettek ki a lézersugár előállítására:

• elektromos izzítás vagy ívkisülés segítségével gáznemű közegben - gázkisülés;
• forró gáz kiterjesztésével és lakossági inverziók létrehozásával - gázdinamikus;
• áramot vezetve egy félvezetőn a közeg gerjesztésével - dióda vagy injekció;
• a közeg optikai pumpálásával vakulámpával, LED-del, másik lézerrel stb.;
• a közeg elektronsugaras pumpálásával;
• nukleáris szivattyúzás sugárzás átvételekor nukleáris reaktor;
• speciális kémiai reakciók segítségével - kémiai lézerek.

Mindegyiknek megvannak a saját jellemzői és különbségei, amelyeknek köszönhetően használják őket különböző területek ipar.

Lézerek gyakorlati alkalmazása

A mai napig a különféle típusú lézereket több tucat iparágban, gyógyászatban, IT-technológiában és más tevékenységi területeken használják. Hozzá vannak szokva:

• fémek, műanyagok, egyéb anyagok vágása és hegesztése;
• képek, feliratok rajzolása és a termékek felületének jelölése;
• ultravékony lyukak fúrása, félvezető kristályos alkatrészek precíziós megmunkálása;
• termékbevonatok kialakítása szórással, felületkezeléssel, felületi ötvözéssel stb.;
• információs csomagok továbbítása üvegszál használatával;
• sebészeti beavatkozások és egyéb terápiás hatások végrehajtása;
• kozmetikai eljárások bőrfiatalításhoz, hibás formációk eltávolításához stb.;
• célzás különféle fajták fegyverek a kézi lőfegyverektől a rakétafegyverekig;
• holografikus módszerek létrehozása és alkalmazása;
• alkalmazás különböző kutatási projektekben;
• távolságok, koordináták, munkaközeg sűrűsége, áramlási sebességek és sok más paraméter mérése;
• kémiai reakciók elindítása különböző technológiai folyamatok végrehajtásához.

Sokkal több olyan terület van, ahol a lézereket már használják, vagy a közeljövőben alkalmazásra fognak találni.

A lézert túlzás nélkül a 20. század egyik legfontosabb felfedezésének nevezhetjük.

Mi az a lézer

beszél egyszerűen,lézer - Ez egy olyan eszköz, amely erős keskeny fénysugarat hoz létre. A "lézer" név ( lézer) az alkotó szavak kezdőbetűinek hozzáadásával jön létre angol kifejezés l éjszaka a amplifikáció által s szimulált e küldetés nak,-nek r sugárzás, ami azt jelenti "fény erősítése stimulált emisszióval". A lézer olyan erős fénysugarakat hoz létre, hogy még a nagyon tartós anyagokban is képesek lyukakat égetni, csak a másodperc töredékét fordítva rá.

A közönséges fény egy forrásból különböző irányokba szóródik. A gerendává való összeszereléshez különféle optikai lencséket vagy homorú tükröket használnak. És bár egy ilyen fénysugár akár tüzet is gyújthat, az Az energia nem hasonlítható össze a lézersugár energiájával.

A lézer működési elve

BAN BEN fizikai alapon lézeres munka hazugság jelenség kényszerű, vagy gerjesztett sugárzás . Mi a lényege? Milyen sugárzást nevezünk stimuláltnak?

Stabil állapotban egy anyag atomjának a legkisebb energiája. Az ilyen állapotot tekintik fő- , és az összes többi állapot izgatott . Ha összehasonlítjuk ezen állapotok energiáját, akkor gerjesztett állapotban az alapállapothoz képest túlzott. Amikor egy atom gerjesztett állapotból stabil állapotba kerül, az atom spontán fotont bocsát ki. Ezt az elektromágneses sugárzást ún spontán emisszió.

Ha a gerjesztett állapotból a stabil állapotba való átmenet erőszakosan, külső (indukáló) foton hatására következik be, akkor új foton keletkezik, melynek energiája megegyezik az átmeneti szintek energiáinak különbségével. Az ilyen sugárzást ún kényszerű .

Az új foton a kibocsátást okozó foton "pontos másolata". Ugyanaz az energia, frekvencia és fázis. Az atom azonban nem nyeli el. Ennek eredményeként már két foton van. Más atomokra hatva új fotonok további megjelenését idézik elő.

Új fotont bocsát ki egy atom egy indukáló foton hatására, amikor az atom gerjesztett állapotban van. Egy gerjesztetlen állapotban lévő atom egyszerűen elnyeli az indukáló fotont. Ezért a fény felerősítéséhez szükséges, hogy több gerjesztett atom legyen, mint gerjesztetlen. Az ilyen állapotot ún populáció inverziója.

Hogyan működik a lézer

A lézer kialakítása 3 elemből áll:

1. Az energiaforrás, amelyet a lézer "pumpáló" mechanizmusának neveznek.

2. A lézer munkateste.

3. Tükörrendszer, vagy optikai rezonátor.

Az energiaforrások különbözőek lehetnek: elektromos, termikus, vegyi, fény stb. Feladatuk, hogy a lézer munkatestét energiával „pumpálják”, hogy abban lézer fényáram keletkezzen. Az energiaforrást ún gépezet"pumpálja" a lézert . Lehet, hogy azok kémiai reakció, egyéb lézer, villanólámpa, elektromos szikraköz stb.

dolgozó test , vagy lézeres anyagok , nevezze meg a funkciókat ellátó anyagokat! aktív környezet. A lézersugár a működő testből származik. Hogyan történik?

A folyamat legelején a munkafolyadék termodinamikai egyensúlyi állapotban van, és az atomok többsége normál állapotban van. A sugárzás előidézéséhez hatni kell az atomokra, hogy a rendszer állapotba kerüljön populációs inverziók. Ezt a feladatot a lézeres pumpáló mechanizmus végzi. Amint egy új foton megjelenik az egyik atomban, megkezdi a fotonok termelését más atomokban. Ez a folyamat hamarosan lavinává válik. Az összes keletkezett foton frekvenciája azonos lesz, és a fényhullámok hatalmas erejű fénysugarat alkotnak.

A lézerekben aktív közegként szilárd, folyékony, gáznemű és plazmaanyagokat használnak. Például az első lézerben, amelyet 1960-ban készítettek, az aktív közeg rubin volt.

A munkafolyadékot behelyezik optikai rezonátor . Közülük a legegyszerűbb két párhuzamos tükörből áll, amelyek közül az egyik áttetsző. A fény egy részét visszaveri, egy részét átengedi. A tükrökről visszaverődő fénysugár visszajön és felerősödik. Ez a folyamat sokszor megismétlődik. A lézer kimenetén nagyon erős fényhullám keletkezik. Lehet, hogy több tükör van a rezonátorban.

Ezenkívül a lézerekben más eszközöket is használnak - tükröket, amelyek megváltoztathatják a forgásszöget, szűrőket, modulátorokat stb. Segítségükkel megváltoztathatja a hullámhosszt, az impulzus időtartamát és egyéb paramétereket.

Mikor találták fel a lézert?

1964-ben Alekszandr Mihajlovics Prohorov és Nyikolaj Gennadievics Basov orosz fizikusok, valamint Charles Hard Towns amerikai fizikus lett a díjazott. Nóbel díj fizikában, amelyet egy egymástól függetlenül elkészített ammónián (maser) működő kvantumgenerátor működési elvének felfedezéséért kaptak.

Alekszandr Mihajlovics Prohorov

Nyikolaj Gennadievics Basov

El kell mondanunk, hogy a masert 10 évvel ez előtt az esemény előtt, 1954-ben hozták létre. Egy centiméteres tartományban koherens elektromágneses hullámokat bocsátott ki, és a lézer prototípusa lett.

Az első működő optikai lézer szerzője Theodore Maiman amerikai fizikus. 1960. május 16-án kapott először vörös lézersugarat egy vörös rubinrúdból. Ennek a sugárzásnak a hullámhossza 694 nanométer volt.

Theodor Maiman

A modern lézerek sokféle méretben kaphatók, a mikroszkopikus félvezető lézerektől a hatalmas futballpálya méretű neodímium lézerekig.

Lézerek alkalmazása

Lézerek nélkül lehetetlen modern élet. A lézertechnológiákat különféle iparágakban alkalmazzák: tudomány, technológia, orvostudomány.

A mindennapi életben lézernyomtatókat használunk. Az üzletek lézeres vonalkód-leolvasókat használnak.

A lézersugarak segítségével az iparban a legnagyobb pontossággal lehet felületkezelést végezni (vágás, szórás, ötvözés stb.).

A lézer lehetővé tette az űrobjektumok távolságának centiméteres pontosságú mérését.

A lézerek megjelenése az orvostudományban sokat változott.

Nehéz elképzelni a modern műtétet lézerszikék nélkül, amelyek a legmagasabb sterilitást biztosítják és pontosan vágják a szöveteket. Segítségükkel szinte vértelen műtéteket hajtanak végre. A lézersugár segítségével a test ereit megtisztítják a koleszterin plakkoktól. A lézert széles körben használják a szemészetben, ahol látásjavításra, retinaleválások, szürkehályogok kezelésére stb. használják. Segítségével a vesekövek zúzódnak. Nélkülözhetetlen az idegsebészetben, ortopédiában, fogászatban, kozmetológiában stb.

A katonai ügyekben lézeres helymeghatározó és navigációs rendszereket használnak.

Lézer- ez egy olyan fényforrás, amelynek tulajdonságai élesen eltérnek az összes többi forrástól (izzólámpák, fénycsövek, lángok, természetes világítótestek stb.). A lézersugár számos figyelemre méltó tulajdonsággal rendelkezik. Nagy távolságokra terjed, és szigorúan egyenes irányú. A nyaláb nagyon keskeny sugárban mozog, kis fokú eltéréssel (több száz méteres fókuszálással éri el a Holdat). A lézersugárnak nagy a hője, és bármilyen anyagon lyukat tud ütni. A sugár fényintenzitása nagyobb, mint a legerősebb fényforrások intenzitása.
Lézer név az angol kifejezés rövidítése: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER). a fény erősítése stimulált emisszióval.
Minden lézerrendszer csoportokra osztható a használt aktív közeg típusától függően. A lézerek legfontosabb típusai a következők:

szilárd állapot

félvezető

folyékony

gáz
Az aktív közeg atomok, molekulák, ionok vagy kristályok gyűjteménye (félvezető lézer), amely fény hatására erősítő tulajdonságokra tehet szert.

Tehát minden atomnak van egy különálló energiaszint-készlete. Az alapállapotban (minimális energiájú állapot) lévő atom elektronjai a fénykvantumok elnyelésekor magasabb energiaszintre lépnek át - az atom gerjesztődik; amikor fénykvantumot bocsátunk ki, minden fordítva történik. Sőt, a fénykibocsátás, azaz az alacsonyabb energiaszintre való átállás (1b. ábra) történhet spontán (spontán) vagy külső sugárzás hatására (kényszerített) (1c. ábra). Sőt, ha a spontán emissziós kvantumokat véletlenszerű irányokba bocsátjuk ki, akkor a stimulált emissziós kvantum ugyanabba az irányba kerül kibocsátásra, mint az ezt a sugárzást okozó kvantum, vagyis mindkét kvantum teljesen azonos.

1. ábra A lézersugárzás típusai

Annak érdekében, hogy az energiasugárzás átmenetei (átmenetek a felső energiaszintről az alsó szintre) érvényesüljenek, a gerjesztett atomok vagy molekulák fokozott koncentrációját kell létrehozni (fordított populáció létrehozása). Ez az anyagra eső fény növekedéséhez vezet. Az anyag állapotát, amelyben az energiaszintek inverz populációja jön létre, aktívnak, az ilyen anyagból álló közeget pedig aktív közegnek nevezzük.

Az inverz szintű populáció létrehozásának folyamatát pumpálásnak nevezzük. És a lézerek másik osztályozása a szivattyúzási módszer szerint történik (optikai, termikus, kémiai, elektromos stb.). A szivattyúzási módszerek a lézer típusától függenek (szilárdtest, folyadék, gáz, félvezető stb.).
A szivattyúzási folyamat fő problémáját egy háromszintű lézer példáján tekinthetjük meg (2. ábra).

2. ábra egy háromszintű lézer sémája

Az E1 energiájú alsó I lézerszint a rendszer fő energiaszintje, ahol kezdetben minden aktív atom található. A szivattyúzás gerjeszti az atomokat, és ennek megfelelően az I. talajszintről a III. szintre viszi át őket E3 energiával. A III. szinten lévő atomok fénykvantumokat bocsátanak ki, és az I. szintre mennek, vagy gyorsan a felső lézerszintre, a II. A gerjesztett atomok felhalmozásához a felső lézerszinten, E2 energiával, az atomok gyors relaxációja szükséges a III-as szintről a II-re, aminek meg kell haladnia a felső lézerszint II-es bomlási sebességét. Az így létrejött inverz populáció biztosítja a feltételeket a sugárzás felerősítéséhez.

A nemzedék létrejöttéhez azonban visszacsatolásra is szükség van, vagyis arra, hogy a stimulált emisszió, ha egyszer létrejött, új stimulált emissziós aktusokat okozzon. Egy ilyen folyamat létrehozásához az aktív közeget optikai rezonátorba helyezzük.

Az optikai rezonátor két tükör rendszere, amelyek között aktív közeg található (3. ábra). A tengelye mentén terjedő fényhullámok többszörös origót biztosít az erősítő közeg mentén, aminek eredményeként nagy sugárzási teljesítmény érhető el.

3. ábra Lézeres séma

Egy bizonyos teljesítmény elérésekor a sugárzás egy félig átlátszó tükörön keresztül távozik. Mivel a kvantumoknak csak a rezonátor tengelyével párhuzamos része vesz részt a generálás fejlesztésében, a hatásfok. lézerek általában nem haladják meg az 1%-ot. Egyes esetekben, bizonyos jellemzőket feláldozva, a K.P.D. 30%-ig növelhető.

Az elektromágneses hullámok erősítő segítségével történő generálásához, amint az a radiofizikából ismert, az erősítő kimeneti jelét a bemenetére kell vinni, és visszacsatoló hurkot kell kialakítani. Az optikában az ilyen visszacsatolás egy Fabry-Perot interferométerrel jön létre, amely rezonátort hoz létre. 1.11. ábra. bemutatunk egy lézerkészülék sematikus diagramját, amely a következőkből áll: 1) egy L hosszúságú aktív közeg, 2) egy szivattyúforrás, például egy villanólámpa, 3) két R 1 és R 2 reflexiós együtthatójú tükör, amelyek egy Fabry-Perot interferométer.

Rizs. 1.11. elvszerű optikai kialakítás lézer

A lézergenerációhoz három feltétel szükséges:

1. aktív közeg jelenléte populációinverzióval, 2. visszacsatolás jelenléte, 3. nyereség többlet a veszteségekkel szemben

A lézergenerálás akkor kezdődik meg, amikor az aktív közeg erősítése kompenzálja a benne lévő veszteségeket, az aktív közegben egy menetenkénti sugárzás erősödése (azaz a kimenő és a bemeneti fotonfluxussűrűség aránya) egyenlő

exp (1,12)

Ha a rezonátor veszteségeit csak a tükrök átvitele határozza meg, akkor a generálási küszöböt akkor éri el, amikor a feltétel

R1R2exp = 1 (1,13)

Ez a feltétel azt mutatja, hogy a küszöböt akkor érjük el, amikor a populációinverzió közeledik kritikai. Amint elérjük a kritikus inverziót, a spontán emisszióból nemzedék alakul ki. Valójában a rezonátor tengelye mentén spontán kibocsátott fotonok felerősödnek. Ez a mechanizmus a lézergenerálás alapja.

1.4.1. Inverz sokaság létrehozásának módszerei.

Eddig kétszintű rendszerekkel foglalkoztunk, de ezekben a lézerezés lehetetlen. Termodinamikai egyensúlyi állapotban N 1 > N 2, ezért, ha elektromágneses térnek van kitéve, a kényszerített átmenetek száma alulról felfelé (1 -» 2) több szám felülről lefelé kényszerített átmenetek (2 -» 1): ebben az esetben az alsó szint népessége csökken, a felső pedig nő. Az elektromágneses tér kellően nagy térfogatú energiasűrűsége mellett a szintpopulációk kiegyenlíthetők , amikor az 1 -» 2 és a 2 -» 1 kényszerátmenetek száma egyenlő, azaz. dinamikus egyensúly jön létre. A szintű népességkiegyenlítés jelenségét ún átmenet telítettség.Így egy kétszintű rendszer elektromágneses mezőjének hatására az átmenet telítettsége érhető el, de a populáció inverziója nem.

1.4.1. háromszintű rendszer.

1.12. ábra. ábra egy optikailag pumpált, háromszintű lézer (például rubin) működését mutatja be. A kiindulási állapotban a lézeranyagban lévő összes atom az alsó 1. szinten van. A szivattyúzás az atomokat az alsó szintről a 3. szintre viszi át, amely sok alszintből áll, amelyek széles abszorpciós sávot alkotnak. Ez a szint lehetővé teszi egy széles sugárzási spektrumú forrás, például vaku szivattyúként történő használatát. A gerjesztett atomok többsége gyorsan átmegy átlagos szint 2 sugárzás nélkül. De végül kvantumrendszer egy foton kibocsátásával tér vissza az alsó 1-es szintre. Ez az átmenet a lézeres átmenet.

Ha a szivattyú intenzitása kisebb, mint a lézerküszöb, akkor az atomok 2. szintről az 1. szintre való átmenetét kísérő sugárzás spontán. Amikor a szivattyú intenzitása meghaladja a generálási küszöböt, a sugárzás stimulálttá válik. Ez akkor fordul elő, ha a 2. szintű populáció meghaladja az 1. szintű populációt, ez akkor érhető el, ha a 2. szinten lévő élettartam hosszabb, mint a 3. szinttől a 2. szintig terjedő relaxációs idő, azaz.

Rizs. 1.12. Háromszintű lézer energiaszint diagramja.

Az E 3 szinten lévő N 3 ​​atomok száma kicsi a más szinteken lévő atomok számához képest, pl.

(1.15)

A háromszintű rendszer fő gondolata az, hogy az atomokat hatékonyan pumpálják az 1. szintről a metastabil 2. szintre, gyorsan áthaladva a 3. szinten. Ebben az esetben a rendszert kétszintű rendszerként is ábrázolják. A generáláshoz szükséges, hogy a 2. szintű populáció nagyobb legyen, mint az 1. szintű populáció. Így egy háromszintű rendszerben a lézergeneráláshoz szükséges, hogy az 1. alacsonyabb energiaszintű atomok több mint fele legyen átkerült a metastabil 2-es szintre.

1.4.2. négyszintű rendszer.

Az 1.13. ábrán látható egy négyszintű lézerrendszer, amelynek sémája szerint a ritkaföldfém-ionok által aktivált üvegen és kristályokon működő lézerek többsége működik.

Rizs. 1.13. Négyszintű lézer energiaszint diagramja

Megjegyzendő, hogy egy háromszintű rendszerben a lézergenerálás a 2. gerjesztett szint és az alsó 1. szint között történik, amely mindig be van töltve. Négyszintű rendszerben pedig a lézeres átmenetet az alsó szint feletti 1-es szintre hajtják végre, amely esetleg egyáltalán nem vagy lakott, de a legalacsonyabb szintnél jóval kisebb. Így egy inverz populáció létrehozásához elegendő kis számú aktív atom gerjesztése, mivel azok szinte azonnal a 2-es szintre kerülnek. A négyszintű lézerrendszer generálási küszöbe jóval alacsonyabb lesz, mint egy háromszintűé.