Das erste Prinzip des Lasers, dessen Physik auf dem Planckschen Strahlungsgesetz beruhte, wurde 1917 von Einstein theoretisch begründet. Er beschrieb Absorption, spontane und stimulierte elektromagnetische Strahlung mit Hilfe von Wahrscheinlichkeitskoeffizienten (Einstein-Koeffizienten).
Pioniere
Theodor Meiman demonstrierte als erster das Funktionsprinzip eines Rubinlasers auf Basis des optischen Pumpens von synthetischem Rubin mit einer Blitzlampe, die gepulste kohärente Strahlung mit einer Wellenlänge von 694 nm erzeugte.
Im Jahr 1960 schufen die iranischen Wissenschaftler Javan und Bennett den ersten Gasquantengenerator mit einer 1:10-Mischung aus He- und Ne-Gasen.
Im Jahr 1962 demonstrierte RN Hall den ersten Diodenlaser aus Galliumarsenid (GaAs), der bei einer Wellenlänge von 850 nm emittiert. Später in diesem Jahr entwickelte Nick Golonyak den ersten Halbleiter-Quantengenerator für sichtbares Licht.
Aufbau und Wirkungsweise von Lasern
Jedes Lasersystem besteht aus einem aktiven Medium platziertzwischen einem Paar optisch paralleler und hochreflektierender Spiegel, von denen einer lichtdurchlässig ist, und einer Energiequelle für sein Pumpen. Das Verstärkungsmedium kann ein Feststoff, eine Flüssigkeit oder ein Gas sein, das die Eigenschaft hat, die Amplitude einer es durchlaufenden Lichtwelle durch stimulierte Emission mit elektrischem oder optischem Pumpen zu verstärken. Eine Substanz wird so zwischen zwei Spiegeln platziert, dass das darin reflektierte Licht jedes Mal hindurchtritt und nach Erreichen einer erheblichen Verstärkung einen durchscheinenden Spiegel durchdringt.
Zweischichtige Umgebungen
Betrachten wir das Funktionsprinzip eines Lasers mit einem aktiven Medium, dessen Atome nur zwei Energieniveaus haben: angeregtes E2 und basisches E1 . Wenn Atome durch irgendeinen Pumpmechanismus (optisch, elektrische Entladung, Stromübertragung oder Elektronenbeschuss) in den Zustand E2 angeregt werden, kehren sie nach einigen Nanosekunden in die Grundposition zurück und emittieren Photonen der Energie hν=E 2 - E1. Nach Einsteins Theorie wird die Emission auf zwei verschiedene Arten erzeugt: Entweder sie wird durch ein Photon induziert oder sie geschieht spontan. Im ersten Fall findet eine stimulierte Emission statt, im zweiten eine spontane Emission. Im thermischen Gleichgewicht ist die Wahrscheinlichkeit einer stimulierten Emission viel geringer als eine spontane Emission (1:1033), sodass die meisten herkömmlichen Lichtquellen inkohärent sind und die Lasererzeugung unter anderen als thermischen Bedingungen möglich ist Gleichgewicht.
Auch mit sehr starkPumpen, kann die Bevölkerung von Zwei-Ebenen-Systemen nur gleich gemacht werden. Daher sind drei- oder vierstufige Systeme erforderlich, um eine Besetzungsinversion durch optische oder andere Pumpverfahren zu erreichen.
Mehrstufige Systeme
Was ist das Prinzip des Drei-Level-Lasers? Bestrahlung mit intensivem Licht der Frequenz ν02 pumpt eine große Anzahl von Atomen vom niedrigsten Energieniveau E0 auf das höchste Energieniveau E 2. Der strahlungslose Übergang von Atomen von E2 zu E1 führt zu einer Besetzungsinversion zwischen E1 und E 0 , was praktisch nur möglich ist, wenn sich die Atome lange Zeit in einem metastabilen Zustand befinden E1, und der Übergang von E2bis E 1 geht schnell. Das Funktionsprinzip eines Drei-Niveau-Lasers besteht darin, diese Bedingungen zu erfüllen, wodurch zwischen E0 und E1 eine Besetzungsinversion erreicht wird und Photonen werden durch Energie E 1-E0 induzierte Emission verstärkt. Ein breiteres Niveau von E2 könnte den Wellenlängenabsorptionsbereich für ein effizienteres Pumpen vergrößern, was zu einer Erhöhung der stimulierten Emission führt.
Das dreistufige System erfordert eine sehr hohe Pumpleistung, da die untere an der Erzeugung beteiligte Stufe die Basisstufe ist. In diesem Fall muss mehr als die Hälfte der Gesamtzahl der Atome in den Zustand E1 gepumpt werden, damit die Besetzungsinversion auftritt. Dabei wird Energie verschwendet. Die Pumpleistung kann erheblich seinabnehmen, wenn die untere Generationsebene nicht die Basisebene ist, was mindestens ein vierstufiges System erfordert.
Je nach Art des Wirkstoffs werden Laser in drei Hauptkategorien eingeteilt, nämlich fest, flüssig und gasförmig. Seit 1958, als das Lasern erstmals in einem Rubinkristall beobachtet wurde, haben Wissenschaftler und Forscher eine Vielzahl von Materialien in jeder Kategorie untersucht.
Festkörperlaser
Das Wirkprinzip beruht auf der Verwendung eines aktiven Mediums, das durch Anlagerung eines Nebengruppenmetalls an das isolierende Kristallgitter gebildet wird (Ti+3, Cr +3, V+2, С+2, Ni+2, Fe +2 usw.), Seltenerdionen (Ce+3, Pr+3, Nd +3, Pm+3, Sm+2, Eu +2, +3 , Tb+3, Dy+3, Ho+3 , Er +3, Yb+3 usw.) und Aktiniden wie U+3. Die Energieniveaus der Ionen sind nur für die Erzeugung verantwortlich. Die physikalischen Eigenschaften des Grundmaterials wie Wärmeleitfähigkeit und Wärmeausdehnung sind für einen effizienten Laserbetrieb entscheidend. Die Anordnung von Gitteratomen um ein dotiertes Ion ändert seine Energieniveaus. Unterschiedliche Wellenlängen der Erzeugung im aktiven Medium werden durch Dotierung unterschiedlicher Materialien mit demselben Ion erreicht.
Holmium-Laser
Ein Beispiel für einen Festkörperlaser ist ein Quantengenerator, bei dem Holmium ein Atom der Grundsubstanz des Kristallgitters ersetzt. Ho:YAG ist eines der Materialien der besten Generation. Das Funktionsprinzip eines Holmiumlasers besteht darin, dass Yttrium-Aluminium-Granat mit Holmiumionen dotiert ist, optisch von einer Blitzlampe gepumpt wird und bei einer Wellenlänge von 2097 nm im IR-Bereich emittiert, die von Geweben gut absorbiert wird. Dieser Laser wird bei Operationen an den Gelenken, bei der Behandlung von Zähnen, zur Verdunstung von Krebszellen, Nieren- und Gallensteinen eingesetzt.
Halbleiter-Quantengenerator
Quantentopflaser sind kostengünstig, in Massenproduktion herstellbar und einfach skalierbar. Das Funktionsprinzip eines Halbleiterlasers basiert auf der Verwendung einer p-n-Übergangsdiode, die ähnlich wie LEDs Licht einer bestimmten Wellenlänge durch Trägerrekombination bei einer positiven Vorspannung erzeugt. LED emittieren spontan und Laserdioden - gezwungen. Um die Besetzungsinversionsbedingung zu erfüllen, muss der Betriebsstrom den Schwellenwert überschreiten. Das aktive Medium in einer Halbleiterdiode hat die Form eines Verbindungsbereichs zweier zweidimensionaler Schichten.
Das Funktionsprinzip dieses Lasertyps ist so, dass kein externer Spiegel benötigt wird, um Schwingungen aufrechtzuerh alten. Hierfür reicht die durch den Brechungsindex der Schichten und die interne Reflexion des aktiven Mediums erzeugte Reflektivität aus. Die Stirnflächen der Dioden sind gechipt, wodurch sichergestellt wird, dass die reflektierenden Flächen parallel sind.
Eine Verbindung, die durch Halbleitermaterialien des gleichen Typs gebildet wird, wird Homojunction genannt, und eine Verbindung, die durch eine Verbindung von zwei verschiedenen entsteht, wird als Homojunction bezeichnetHeteroübergang.
Halbleiter vom p- und n-Typ mit hoher Ladungsträgerdichte bilden einen pn-Übergang mit einer sehr dünnen (≈1 µm) Sperrschicht.
Gaslaser
Das Funktionsprinzip und die Verwendung dieses Lasertyps ermöglicht es Ihnen, Geräte mit nahezu jeder Leistung (von Milliwatt bis Megawatt) und Wellenlängen (von UV bis IR) zu erstellen und im gepulsten und kontinuierlichen Modus zu arbeiten. Basierend auf der Natur aktiver Medien gibt es drei Arten von Gasquantengeneratoren, nämlich atomare, ionische und molekulare.
Die meisten Gaslaser werden mit einer elektrischen Entladung gepumpt. Die Elektronen in der Entladungsröhre werden durch das elektrische Feld zwischen den Elektroden beschleunigt. Sie kollidieren mit Atomen, Ionen oder Molekülen des aktiven Mediums und induzieren einen Übergang zu höheren Energieniveaus, um einen Besetzungszustand von Inversion und stimulierter Emission zu erreichen.
Molekularer Laser
Das Funktionsprinzip eines Lasers basiert auf der Tatsache, dass Moleküle in Atom- und Ionen-Quantengeneratoren im Gegensatz zu isolierten Atomen und Ionen breite Energiebänder mit diskreten Energieniveaus haben. Außerdem hat jedes elektronische Energieniveau eine große Anzahl von Schwingungsniveaus und diese wiederum mehrere Rotationsniveaus.
Die Energie zwischen den elektronischen Energieniveaus liegt im UV- und im sichtbaren Bereich des Spektrums, während sie zwischen den Schwingungs-Rotations-Niveaus im fernen und nahen IR liegtBereiche. Daher arbeiten die meisten molekularen Quantengeneratoren im fernen oder nahen Infrarotbereich.
Excimerlaser
Excimere sind Moleküle wie ArF, KrF, XeCl, die einen getrennten Grundzustand haben und auf der ersten Ebene stabil sind. Das Funktionsprinzip des Lasers ist wie folgt. In der Regel ist die Zahl der Moleküle im Grundzustand gering, sodass ein direktes Pumpen aus dem Grundzustand nicht möglich ist. Moleküle werden im ersten angeregten elektronischen Zustand gebildet, indem hochenergetische Halogenide mit Inertgasen kombiniert werden. Die Population der Inversion wird leicht erreicht, da die Anzahl der Moleküle auf der Basisebene im Vergleich zur angeregten zu klein ist. Das Funktionsprinzip eines Lasers ist kurz gesagt der Übergang von einem gebundenen angeregten elektronischen Zustand in einen dissoziativen Grundzustand. Die Besetzung im Grundzustand bleibt immer auf einem niedrigen Niveau, weil die Moleküle an dieser Stelle in Atome dissoziieren.
Die Vorrichtung und das Funktionsprinzip von Lasern besteht darin, dass die Entladungsröhre mit einer Mischung aus Halogenid (F2) und Seltenerdgas (Ar) gefüllt ist. Die darin enth altenen Elektronen dissoziieren und ionisieren Halogenidmoleküle und erzeugen negativ geladene Ionen. Positive Ionen Ar+ und negative F- reagieren und erzeugen ArF-Moleküle im ersten angeregten gebundenen Zustand mit ihrem anschließenden Übergang in den abstoßenden Grundzustand und Bildung von kohärente Strahlung. Der Excimerlaser, dessen Funktionsprinzip und Anwendung wir jetzt betrachten, kann zum Pumpen verwendet werdenaktives Medium auf Farbstoffen.
Flüssiglaser
Im Vergleich zu Festkörpern sind Flüssigkeiten homogener und haben eine höhere Dichte aktiver Atome als Gase. Darüber hinaus sind sie einfach herzustellen, ermöglichen eine einfache Wärmeableitung und sind leicht austauschbar. Das Funktionsprinzip des Lasers besteht darin, organische Farbstoffe als aktives Medium zu verwenden, wie DCM (4-Dicyanomethylen-2-methyl-6-p-dimethylaminostyryl-4H-pyran), Rhodamin, Styryl, LDS, Cumarin, Stilben usw …, gelöst in einem geeigneten Lösungsmittel. Eine Lösung von Farbstoffmolekülen wird durch Strahlung angeregt, deren Wellenlänge einen guten Absorptionskoeffizienten hat. Kurz gesagt besteht das Funktionsprinzip des Lasers darin, bei einer längeren Wellenlänge, Fluoreszenz genannt, zu erzeugen. Die Differenz zwischen absorbierter Energie und emittierten Photonen wird von strahlungslosen Energieübergängen genutzt und heizt das System auf.
Das breitere Fluoreszenzband von Flüssigquantengeneratoren hat ein einzigartiges Merkmal - Wellenlängenabstimmung. Das Funktionsprinzip und die Verwendung dieses Lasertyps als durchstimmbare und kohärente Lichtquelle gewinnt in Spektroskopie, Holographie und biomedizinischen Anwendungen zunehmend an Bedeutung.
In letzter Zeit werden Farbquantengeneratoren zur Isotopentrennung verwendet. In diesem Fall regt der Laser selektiv einen von ihnen an und veranlasst sie, eine chemische Reaktion einzugehen.
