Լազերի առաջին սկզբունքը, որի ֆիզիկան հիմնված էր Պլանկի ճառագայթման օրենքի վրա, տեսականորեն հիմնավորվեց Էյնշտեյնի կողմից 1917 թ. Նա նկարագրել է կլանումը, ինքնաբուխ և գրգռված էլեկտրամագնիսական ճառագայթումը, օգտագործելով հավանականության գործակիցները (Էյնշտեյնի գործակիցներ):
Pioneers
Թեոդոր Մեյմանն առաջինն էր, ով ցուցադրեց ռուբին լազերի աշխատանքի սկզբունքը, որը հիմնված է սինթետիկ ռուբինի օպտիկական մղման վրա լուսարձակող լամպով, որն արտադրում էր իմպուլսային համահունչ ճառագայթում՝ 694 նմ ալիքի երկարությամբ:
1960-ին իրանցի գիտնականներ Ջավան և Բենեթը ստեղծեցին առաջին գազային քվանտային գեներատորը՝ օգտագործելով He և Ne գազերի 1:10 խառնուրդը:
1962 թվականին RN Hall-ը ցուցադրեց առաջին գալիումի արսենիդի (GaAs) դիոդային լազերը, որն արձակում էր 850 նմ ալիքի երկարությամբ: Ավելի ուշ այդ տարի Նիկ Գոլոնյակը ստեղծեց առաջին կիսահաղորդչային տեսանելի լույսի քվանտային գեներատորը:
Լազերների նախագծում և աշխատանքի սկզբունք
Յուրաքանչյուր լազերային համակարգ բաղկացած է տեղադրված ակտիվ միջավայրիցզույգ օպտիկական զուգահեռ և բարձր արտացոլող հայելիների միջև, որոնցից մեկը կիսաթափանցիկ է, և դրա պոմպային էներգիայի աղբյուրի միջև: Ուժեղացման միջավայրը կարող է լինել պինդ, հեղուկ կամ գազ, որն ունի իր միջով անցնող լույսի ալիքի ամպլիտուդն ուժեղացնելու հատկություն՝ խթանված արտանետման միջոցով էլեկտրական կամ օպտիկական մղումով։ Զույգ հայելիների միջև այնպիսի նյութ է տեղադրվում, որ դրանցում արտացոլված լույսն ամեն անգամ անցնում է դրա միջով և, հասնելով զգալի ուժեղացման, թափանցում կիսաթափանցիկ հայելու մեջ։
Երկաստիճան միջավայրեր
Դիտարկենք լազերի գործողության սկզբունքը ակտիվ միջավայրով, որի ատոմներն ունեն ընդամենը երկու էներգիայի մակարդակ՝ գրգռված E2 և հիմնական E1: . Եթե ցանկացած պոմպային մեխանիզմով (օպտիկական, էլեկտրական լիցքաթափում, հոսանքի փոխանցում կամ էլեկտրոնային ռմբակոծում) ատոմները գրգռվում են E22 վիճակով, ապա մի քանի նանվայրկյան հետո նրանք կվերադառնան գետնի դիրք՝ արտանետելով ֆոտոններ: էներգիայի hν=E 2 - E1: Համաձայն Էյնշտեյնի տեսության՝ արտանետումն առաջանում է երկու տարբեր եղանակներով՝ կա՛մ առաջանում է ֆոտոնով, կա՛մ տեղի է ունենում ինքնաբերաբար: Առաջին դեպքում տեղի է ունենում խթանված արտանետում, իսկ երկրորդում՝ ինքնաբուխ արտանետում։ Ջերմային հավասարակշռության դեպքում գրգռված արտանետման հավանականությունը շատ ավելի ցածր է, քան ինքնաբուխ արտանետումը (1:1033), ուստի սովորական լույսի աղբյուրների մեծամասնությունը անհամապատասխան է, և լազերային արտադրությունը հնարավոր է այլ պայմաններում, քան ջերմային: հավասարակշռություն.
Նույնիսկ շատ ուժեղպոմպային, երկաստիճան համակարգերի բնակչությունը կարող է հավասարվել միայն: Հետևաբար, օպտիկական կամ այլ պոմպային մեթոդներով բնակչության ինվերսիայի հասնելու համար պահանջվում են երեք կամ չորս մակարդակի համակարգեր:
Բազմաստիճան համակարգեր
Ո՞րն է եռաստիճան լազերի սկզբունքը: Ճառագայթումը ինտենսիվ լույսով հաճախականության N02 մղում է մեծ թվով ատոմներ ամենացածր էներգիայի մակարդակից E0 մինչև ամենաբարձր էներգիայի մակարդակը E 2. Ատոմների ոչ ճառագայթային անցումը E2-ից E1 սահմանում է բնակչության ինվերսիա E1 և E-ի միջև: 0 , որը գործնականում հնարավոր է միայն այն դեպքում, երբ ատոմները երկար ժամանակ գտնվում են մետաստաբիլ վիճակում E1, և անցում E2 -ից մինչև E 1-ն արագ է ընթանում: Եռաստիճան լազերի աշխատանքի սկզբունքը հետևյալ պայմանների կատարումն է, որի շնորհիվ E0 և E1-ի միջև ձեռք է բերվում պոպուլյացիայի ինվերսիա և ֆոտոններ. ուժեղացվում են էներգիայով E 1-E0 առաջացած արտանետում: E2-ի ավելի լայն մակարդակը կարող է մեծացնել ալիքի երկարության կլանման տիրույթը ավելի արդյունավետ մղման համար, ինչը կհանգեցնի խթանված արտանետումների ավելացմանը:
Երեք մակարդակի համակարգը պահանջում է շատ բարձր պոմպի հզորություն, քանի որ արտադրության մեջ ներգրավված ցածր մակարդակը հիմնականն է: Այս դեպքում, որպեսզի տեղի ունենա պոպուլյացիայի ինվերսիա, ատոմների ընդհանուր թվի կեսից ավելին պետք է մղվի E1 վիճակ: Դրանով էներգիան վատնում է: Պոմպային հզորությունը կարող է զգալիորեն լինելնվազում, եթե ստորին սերնդի մակարդակը բազային չէ, որը պահանջում է առնվազն չորս մակարդակի համակարգ:
Կախված ակտիվ նյութի բնույթից՝ լազերները բաժանվում են երեք հիմնական կատեգորիաների՝ պինդ, հեղուկ և գազային: Սկսած 1958 թվականից, երբ լազինգը առաջին անգամ նկատվեց ռուբինի բյուրեղի մեջ, գիտնականներն ու հետազոտողները ուսումնասիրել են նյութերի լայն տեսականի յուրաքանչյուր կատեգորիայի համար:
Պինդ վիճակի լազեր
Գործողության սկզբունքը հիմնված է ակտիվ միջավայրի օգտագործման վրա, որը ձևավորվում է մեկուսիչ բյուրեղային ցանցին անցումային խմբի մետաղ ավելացնելով (Ti+3, Cr +3, V+2, С+2, Նի+2, Fe +2 և այլն), հազվագյուտ հողային իոններ (Ce+3, Pr+3, Nd +3, Pm+3, Sm+2, Eu +2, +3 , Tb+3, Dy+3, Հո+3 , Er +3, Yb+3 և այլն), և ակտինիդներ, ինչպիսիք են U+3. Իոնների էներգիայի մակարդակները պատասխանատու են միայն առաջացման համար: Հիմնական նյութի ֆիզիկական հատկությունները, ինչպիսիք են ջերմային հաղորդունակությունը և ջերմային ընդլայնումը, կարևոր են լազերային արդյունավետ աշխատանքի համար: Ցանցային ատոմների դասավորությունը դոպինգ իոնի շուրջ փոխում է դրա էներգիայի մակարդակը: Ակտիվ միջավայրում առաջացման տարբեր ալիքների երկարություններ ձեռք են բերվում նույն իոնով տարբեր նյութերի դոպինգի միջոցով:
Հոլմիումի լազեր
Պինդ վիճակում գտնվող լազերի օրինակ է քվանտային գեներատորը, որտեղ հոլմիումը փոխարինում է բյուրեղային ցանցի հիմնական նյութի ատոմին:Ho:YAG-ը լավագույն սերնդի նյութերից է: Հոլմիումի լազերի աշխատանքի սկզբունքն այն է, որ իտրիումի ալյումինե նռնաքարը լցված է հոլմիումի իոններով, օպտիկականորեն մղվում է ֆլեշ լամպով և արտանետվում է 2097 նմ ալիքի երկարությամբ IR միջակայքում, որը լավ կլանված է հյուսվածքների կողմից: Այս լազերը օգտագործվում է հոդերի վիրահատությունների, ատամների բուժման, քաղցկեղի բջիջների, երիկամների և լեղապարկի քարերի գոլորշիացման համար։
Կիսահաղորդչային քվանտային գեներատոր
Քվանտային հորատանցքերի լազերները էժան են, զանգվածաբար արտադրվող և հեշտությամբ մասշտաբային: Կիսահաղորդչային լազերի աշխատանքի սկզբունքը հիմնված է p-n միացման դիոդի օգտագործման վրա, որն արտադրում է որոշակի ալիքի երկարության լույս՝ կրիչի վերահամակցման միջոցով դրական կողմնակալությամբ, որը նման է LED-ներին: LED-ն ինքնաբերաբար արտանետվում է, իսկ լազերային դիոդները՝ հարկադիր: Պոպուլյացիայի ինվերսիայի պայմանը կատարելու համար գործառնական հոսանքը պետք է գերազանցի շեմային արժեքը: Կիսահաղորդչային դիոդի ակտիվ միջավայրը ունի երկու երկչափ շերտերի միացնող շրջանի ձև:
Այս տեսակի լազերի աշխատանքի սկզբունքն այնպիսին է, որ տատանումները պահպանելու համար արտաքին հայելի չի պահանջվում։ Շերտերի բեկման ինդեքսով և ակտիվ միջավայրի ներքին արտացոլմամբ ստեղծված արտացոլումը բավարար է այդ նպատակով։ Դիոդների ծայրամասային մակերեսները ճեղքված են, ինչը երաշխավորում է արտացոլող մակերեսների զուգահեռությունը։
Միևնույն տիպի կիսահաղորդչային նյութերի կողմից ձևավորված միացումը կոչվում է հոմոհանգույց, իսկ երկու տարբերերի միացումից ստեղծված կապը՝հետերջանցում.
P- և n-տիպի կիսահաղորդիչները բարձր կրիչի խտությամբ կազմում են p-n միացում շատ բարակ (≈1 մկմ) նվազող շերտով:
Գազային լազեր
Այս տեսակի լազերի շահագործման և կիրառման սկզբունքը թույլ է տալիս ստեղծել գրեթե ցանկացած հզորության (միլիվատից մինչև մեգավատ) և ալիքի երկարության (ուլտրամանուշակագույնից մինչև IR) սարքեր և թույլ է տալիս աշխատել իմպուլսային և շարունակական ռեժիմներով:. Ակտիվ միջավայրերի բնույթից ելնելով, գոյություն ունեն գազի քվանտային գեներատորների երեք տեսակ՝ ատոմային, իոնային և մոլեկուլային:
Գազի լազերների մեծ մասը մղվում է էլեկտրական լիցքաթափմամբ: Լիցքաթափման խողովակի էլեկտրոնները արագանում են էլեկտրոդների միջև եղած էլեկտրական դաշտի միջոցով: Նրանք բախվում են ակտիվ միջավայրի ատոմների, իոնների կամ մոլեկուլների հետ և հրահրում անցում դեպի ավելի բարձր էներգիայի մակարդակներ՝ հասնելու բնակչության ինվերսիայի և խթանված արտանետումների վիճակի։
Մոլեկուլային լազեր
Լազերի գործող սկզբունքը հիմնված է այն փաստի վրա, որ, ի տարբերություն մեկուսացված ատոմների և իոնների, ատոմային և իոնային քվանտային գեներատորների մոլեկուլներն ունեն էներգիայի դիսկրետ մակարդակների լայն տիրույթ: Ավելին, յուրաքանչյուր էլեկտրոնային էներգիայի մակարդակ ունի մեծ թվով թրթռումային մակարդակներ, իսկ դրանք, իրենց հերթին, ունեն մի քանի պտտվող մակարդակ:
Էլեկտրոնային էներգիայի մակարդակների միջև էներգիան գտնվում է սպեկտրի ուլտրամանուշակագույն և տեսանելի շրջաններում, մինչդեռ թրթռումային-պտտվող մակարդակների միջև՝ հեռավոր և մոտ IR-ում:տարածքներ։ Այսպիսով, մոլեկուլային քվանտային գեներատորների մեծ մասը գործում է հեռավոր կամ մոտ ինֆրակարմիր շրջաններում:
Էքսիմեր լազերներ
Էքսիմերները այնպիսի մոլեկուլներ են, ինչպիսիք են ArF, KrF, XeCl, որոնք ունեն տարանջատված հիմնական վիճակ և կայուն են առաջին մակարդակում: Լազերի աշխատանքի սկզբունքը հետեւյալն է. Որպես կանոն, հիմնական վիճակում մոլեկուլների թիվը փոքր է, ուստի հիմնական վիճակից ուղղակի մղումը հնարավոր չէ։ Մոլեկուլները ձևավորվում են առաջին գրգռված էլեկտրոնային վիճակում՝ բարձր էներգիայի հալոգենիդները իներտ գազերի հետ համատեղելով։ Ինվերսիայի պոպուլյացիան հեշտությամբ է ձեռք բերվում, քանի որ բազային մակարդակում մոլեկուլների թիվը չափազանց փոքր է գրգռվածի համեմատ: Մի խոսքով, լազերի գործող սկզբունքը կապված գրգռված էլեկտրոնային վիճակից դիսոցիատիվ հիմնական վիճակի անցումն է: Հիմնական վիճակում բնակչությունը միշտ մնում է ցածր մակարդակի վրա, քանի որ մոլեկուլներն այս պահին տարանջատվում են ատոմների:
Լազերների սարքը և աշխատանքի սկզբունքն այն է, որ արտանետվող խողովակը լցված է հալոգենիդով (F2) և հազվագյուտ հողային գազով (Ar): Նրանում գտնվող էլեկտրոնները տարանջատում և իոնացնում են հալիդի մոլեկուլները և ստեղծում բացասական լիցքավորված իոններ։ Դրական իոններ Ar+ և բացասական F- արձագանքում և արտադրում են ArF մոլեկուլներ առաջին գրգռված կապակցված վիճակում՝ դրանց հետագա անցումով դեպի վանող բազային վիճակ և առաջացում: համահունչ ճառագայթում. Էքսիմեր լազերը, որի գործողության և կիրառման սկզբունքը մենք այժմ քննարկում ենք, կարող է օգտագործվել պոմպի համարակտիվ միջավայր ներկերի վրա։
Հեղուկ լազեր
Հեղուկները համեմատած պինդ մարմինների հետ ավելի միատարր են և ունեն ակտիվ ատոմների ավելի մեծ խտություն, քան գազերը: Բացի դրանից, դրանք հեշտ է արտադրվում, թույլ են տալիս հեշտ ջերմություն տարածել և կարող են հեշտությամբ փոխարինվել: Լազերի շահագործման սկզբունքն է որպես ակտիվ միջավայր օգտագործել օրգանական ներկանյութեր, ինչպիսիք են DCM (4-dicyanomethylene-2-methyl-6-p-dimethylaminostyryl-4H-pyran), ռոդամին, ստիրիլ, LDS, կումարին, ստիլբեն և այլն: …, լուծված համապատասխան լուծիչում: Ներկերի մոլեկուլների լուծույթը գրգռվում է ճառագայթմամբ, որի ալիքի երկարությունն ունի լավ կլանման գործակից: Լազերի աշխատանքի սկզբունքը, կարճ ասած, ավելի երկար ալիքի երկարությամբ առաջացնելն է, որը կոչվում է ֆլյուորեսցենտ: Կլանված էներգիայի և արտանետվող ֆոտոնների միջև տարբերությունն օգտագործվում է ոչ ճառագայթային էներգիայի անցումներով և տաքացնում համակարգը:
Հեղուկ քվանտային գեներատորների ավելի լայն ֆլուորեսցենտային գոտին ունի յուրահատուկ հատկություն՝ ալիքի երկարության թյունինգ: Գործողության սկզբունքը և այս տեսակի լազերի օգտագործումը որպես կարգավորելի և համահունչ լույսի աղբյուր դառնում է ավելի կարևոր սպեկտրոսկոպիայի, հոլոգրաֆիայի և կենսաբժշկական կիրառություններում:
Վերջերս ներկային քվանտային գեներատորներ են օգտագործվել իզոտոպների տարանջատման համար: Այս դեպքում լազերը ընտրողաբար գրգռում է նրանցից մեկին՝ դրդելով նրանց մտնել քիմիական ռեակցիայի մեջ։
