Rook

Laseractieve media. Schoolencyclopedie Welke stoffen behoren tot het actieve medium van de laser

09.11.2020

Testen

LASERS OP BASIS VAN GECONDENSEERDE MATTER

Invoering

2.2. robijn laser

3.2. neodymium laser

3.7. Fiberlasers

5. Halfgeleiderlasers

5.1. Operatie principe

5.2. DHS-lasers

5.3. DFB- en VRPI-lasers

BIBLIOGRAFIE

Invoering

Lasers op basis van stoffen in gecondenseerde toestand omvatten lasers waarvan het actieve medium wordt gecreëerd:

1) in vaste stoffen - voornamelijk in diëlektrische kristallen en glazen, waar de actieve deeltjes geïoniseerde atomen zijn van actiniden, zeldzame aarde en andere overgangselementen die het kristal legeren, evenals in kristallen met halfgeleidereigenschappen,

2) in vloeistoffen, waarin actieve deeltjes worden geïntroduceerd - moleculen van organische kleurstoffen.

In deze media ontstaat gestimuleerde laserstraling door:geïnduceerde stralingovergangen (zie paragraaf 1) tussen de energieniveaus van activator-ionen of termen van moleculen. In halfgeleiderstructuren vindt gestimuleerde emissie plaats als gevolg van de recombinatie van vrije elektronen en gaten. In tegenstelling tot gaslasers (zie paragraaf 4) wordt populatie-inversie in vaste-stof- en vloeistoflasers altijd gecreëerd bij overgangen die dicht bij de grondenergietoestand van het actieve deeltje liggen.

Omdat diëlektrische kristallen geen elektrische stroom geleiden, voor hen, maar ook voor vloeibare media, de zogenaamde.optisch pompen pompen van de laserovergang door optische straling (licht) van een hulpbron.

In halfgeleiderlasers wordt vaker elektrisch stroompompen gebruikt ( injectie stroom) die door de halfgeleider in voorwaartse richting stroomt, minder vaak - andere soorten pompen: optisch pompen of pompen door elektronenbombardement.

1. Specifieke kenmerken van optisch pompen van het laseractieve medium

Een belangrijk kenmerk van OH is de selectiviteit , namelijk: door de golflengte van OH-straling te selecteren, is het mogelijk om de gewenste kwantumtoestand van actieve deeltjes selectief te exciteren. Laten we de voorwaarden zoeken die zorgen voor een maximale efficiëntie van het proces van excitatie van actieve deeltjes door optisch pompen (OH), waardoor het actieve deeltje een kwantumovergang ervaart vanuit de energietoestand' i ’ in een aangeslagen toestand hoger op de energieschaal’ k '. Hiervoor gebruiken we de uitdrukking voor het stralingsvermogen van de OH-bron die wordt geabsorbeerd door de actieve deeltjes van het bestraalde medium (zie paragraaf 1.9).

. (1)

Vergelijking (1) omvat de frequentieafhankelijkheid van de spectrale energiedichtheid van de straling van de OH-bron en de functie van de vorm van de absorptielijn van het medium, d.w.z. de frequentieafhankelijkheid (vormfactor).

Uiteraard zijn de absorptiesnelheid en de hoeveelheid opgenomen vermogen maximaal wanneer:

1) de concentratie van deeltjes in de toestand ‘ i ’ zal de grootste zijn, d.w.z. OH is effectief bij een hoge dichtheid van actieve deeltjes, namelijk uit de hele verscheidenheid aan media - voor media die zich in een gecondenseerde toestand bevinden (vaste stoffen en vloeistoffen);

2) In de TDS-toestand wordt de verdeling van deeltjes over toestanden met verschillende waarden van interne (potentiële) energie beschreven door de Boltzmann-formule, namelijk: de grond (laagste) energietoestand van het deeltje en het ensemble als geheel heeft de maximale bevolking. Hieruit volgt dat de staat i ' moet de grondenergietoestand van het deeltje zijn;

3) voor de meest volledige absorptie van de energie van de OH-bron (de grootste Δ pik ) is het wenselijk om een medium te hebben met de hoogste waarde van de absorptiecoëfficiënt bij de kwantumovergang: (zie f-lu (1.35)), en aangezien het evenredig is met de Einstein-coëfficiënt B k ik , een B ki A ki (zie f-lu (1.11, b)), is het wenselijk dat de absorberende overgang "toegestaan" en "resonant" is;

4) Het is wenselijk dat de breedte van het stralingsspectrum van de pompbron niet groter is dan de breedte van de absorptiecontour van actieve deeltjes. Wanneer gepompt door spontane emissie van lampen, kan dit in de regel niet worden bereikt. Ideaal vanuit dit oogpunt is “ samenhangend "pompen - pompen door monochromatische laserstraling, waarbij de hele lijn (hele spectrum) van OH-straling "valt" in de absorptiecontour. Een dergelijk absorptieregime is door ons overwogen in paragraaf 1.9;

5) het is duidelijk dat het OH-rendement hoger zal zijn, hoe groter de fractie van de straling zal worden geabsorbeerd door actieve deeltjes via een kwantumovergang met oppompen van het vereiste niveau. Dus als het actieve medium een kristal (matrix) is dat is gedoteerd met actieve deeltjes, dan moet de matrix zo worden gekozen dat het geen OH-straling absorbeert, d.w.z. zodat de matrix "transparant" zou zijn voor de pompstraling, wat onder andere de verwarming van het medium uitsluit. Tegelijkertijd wordt de algehele efficiëntie van het systeem "OH-bron-laser-actief medium" meestal in grote mate bepaald door de efficiëntie van het omzetten van de elektrische energie die in de pompbron is afgezet in zijn straling;

6) In paragraaf 1.9 werd aangetoond dat het in een kwantumsysteem met twee energieniveaus fundamenteel onmogelijk is om een populatie-inversie te verkrijgen voor waarden van de intensiteit van externe straling (d.w.z. optisch pompen): bij →∞, het is alleen mogelijk om de populaties van de niveaus gelijk te maken.

Daarom worden, om een kwantumlaserovergang met optische straling te pompen en daarop een populatie-inversie te creëren, actieve media met één of twee hulpenergieniveaus gebruikt, die samen met twee niveaus van de laserovergang een drie- of vierlaags niveau vormen. schema (structuur) van de energieniveaus van het actieve medium.

2. Quantumapparaten met optisch pompen, werkend volgens het "drie-niveauschema"

2.1. Theoretische analyse van het schema met drie niveaus. In een dergelijk schema (Fig. 1) is het onderste laserniveau "1" de grondenergietoestand van het ensemble van deeltjes, het bovenste laserniveau "2" is een relatief langlevend niveau en het niveau "3", geassocieerd met niveau "2" door een snelle niet-stralingsovergang, isextra. Optisch pompen werkt op kanaal "1" → "3".

Laten we de voorwaarde vinden voor het bestaan van inversie tussen niveaus "2" en "1". Ervan uitgaande dat de statistische gewichten van de niveaus hetzelfde zijn g 1 = g 2 = g 3 , schrijven we het systeem van kinetische (balans)vergelijkingen voor niveaus "3" en "2" in de stationaire benadering, evenals de relatie voor het aantal deeltjes op de niveaus:

(2)

waar n 1 , n 2 , n 3 zijn deeltjesconcentraties op niveaus 1,2 en 3, Wn 1 en Wn 3 zijn de snelheden van absorptie en geïnduceerde emissie bij overgangen tussen niveaus "1" en "3" onder invloed van pompstraling, waarvan de waarschijnlijkheid is W; wik zijn de kansen op overgangen tussen niveaus, N

Uit (2) kunnen we de niveaupopulaties vinden n 2 en n 1 als functie van W , en hun verschil Δ n in de vorm

, (3)

die de onverzadigde versterking definieertα 0 van het ensemble van deeltjes bij de overgang "2"→"1". Totα 0 >0, is het noodzakelijk dat, d.w.z. de teller in (3) moet positief zijn:

, (4)

waar W dan? is het drempelniveau van pompen. Sinds altijd W dan >0, dan volgt daaruit dat w 32 > w 21 , d.w.z. de waarschijnlijkheid van het pompen van niveau "2" door relaxatieovergangen van niveau "3" moet groter zijn dan de waarschijnlijkheid van zijn relaxatie naar toestand "1".

Als

w 32 >> w 21 en w 32 >> w 31 , (5)

dan krijgen we uit (3): . En tot slot, als W >> w 21 , dan is de inversie Δ n: Δ n ≈ n 2 ≈ N , d.w.z. op niveau "2" kun je alle deeltjes van de omgeving "verzamelen". Merk op dat relaties (5) voor de relaxatiesnelheden van de niveaus overeenkomen met de voorwaarden voor het genereren van pieken (zie paragraaf 3.1).

Dus in een systeem met drie niveaus met optisch pompen:

1) inversie is mogelijk als w 32 >> w 21 en maximaal wanneer w 32 >> w 31 ;

2) inversie treedt op wanneer W > W dan , d.w.z. schepping draagt drempelkarakter;

3) voor laag w 21 voorwaarden worden gecreëerd voor de "spike" -modus van vrije generatie van de laser.

2.2. robijn laser. Deze vastestoflaser is de eerste laser die in het zichtbare golflengtebereik werkt (T. Meiman, 1960). Ruby is een synthetisch kristal A l 2 O 3 bij de modificatie van korund (matrix) met een mengsel van 0,05% activatorionen Cr3+ (ionenconcentratie ~1.6∙10 19cm 3 ), en wordt aangeduid als A l 2 O 3 : Cr 3+ . De robijnlaser werkt volgens een schema met drie niveaus met OH (Fig. 2a). Laserwaterpassen zijn elektronische waterpassen Cr3+ : lager laserniveau "1" is de toestand van de grondenergie Cr 3+ in Al 2 O 3 , het bovenste laserniveau "2" is een langlevend metastabiel niveau metτ 2 ~ 10 3 Met. Niveaus "3a" en "3b" zijnextra. Overgangen "1" → "3a" en "1" → "3b" behoren tot de blauwe (-0,41 m) en "groene" (-0,56 m) delen van het spectrum, en zijn breed (met Δλ ~50nm) absorptiecontour (strepen).

Rijst. 2. Robijnlaser. (a) Energieniveaudiagram Cr3+ in A1203 (korund); (b ) is een constructief diagram van een laser die werkt in een gepulseerd regime met Q-switching. 1 - robijnrode staaf, 2 - pomplamp, 3 - elliptische reflector, 4a - vaste resonatorspiegel, 4b - roterende resonatorspiegel, moduleren van de resonator Q-factor, C n - opslagcondensator R - laadweerstand, " kn » - knop om de stroompuls door de lamp te starten; toont de in- en uitlaat van het koelwater.

Optische pompmethode zorgt voor selectieve populatie van hulpniveaus "3a" en "3b" Cr3+ via kanaal "1"→"3" door ionen Cr3+ wanneer geabsorbeerd door ionen Cr3+ straling van een gepulseerde xenonlamp. Vervolgens, in een relatief korte tijd (~10 8 c) er is een niet-stralingsovergang van deze ionen van "3a" en "3b" naar niveaus "2". De daarbij vrijkomende energie wordt omgezet in trillingen van het kristalrooster. Met een voldoende dichtheid ρ van de stralingsenergie van de pompbron: wanneer en bij de overgang "2" → "1" is er een populatie-inversie en generatie van straling in het rode gebied van het spectrum bij -694,3 nm en λ692 .9 nm. De drempelwaarde van het pompen, rekening houdend met de statistische gewichten van de niveaus, komt overeen met de overdracht naar niveau "2" van ongeveer ⅓ van alle actieve deeltjes, die, wanneer ze worden gepompt vanaf λ0,56 m, specifieke stralingsenergie vereisen E porie > 2J / cm 3 (en vermogen P porie > 2 kW / cm 3 bij pomppulsduur≈10 3 s ). Een dergelijk hoog vermogen in de lamp en de robijnrode staaf bij stationaire OH kan leiden tot de vernietiging ervan; daarom werkt de laser in een gepulseerde modus en vereist intensieve waterkoeling.

Het laserschema wordt getoond in Fig. 2b. Een pomplamp (flitslamp) en een robijnrode staaf om de pompefficiëntie te verhogen, bevinden zich in een reflector met een cilindrisch binnenoppervlak en een doorsnede in de vorm van een ellips, en de lamp en staaf bevinden zich op de brandpunten van de ellips. Hierdoor wordt alle straling die uit de lamp komt gebundeld in de staaf. Een lamplichtpuls ontstaat wanneer er een stroompuls doorheen wordt geleid door een opslagcondensator te ontladen op het moment dat de contacten worden gesloten met de “ kn ". Koelwater wordt in de reflector gepompt. De laserstralingsenergie per puls bereikt enkele joules.

De pulsmodus van deze laser kan een van de volgende zijn (zie hoofdstuk 3):

1) "vrije generatie" -modus met een lage pulsherhalingsfrequentie (meestal 0,1 ... 10 Hz);

2) "Q-switched" modus, meestal optisch-mechanisch. Op afb. 2b, Q-switching van de OOP wordt uitgevoerd door de spiegel te draaien;

3) "mode-locking"-modus: met de breedte van de emissielijn Δν niet één ~10 11 Hz,

aantal longitudinale modi M~10 2 , pulsduur ~10 ps.

Ruby-lasertoepassingen omvatten holografische beeldregistratiesystemen, materiaalverwerking, optische afstandsmeters, enz.

Op grote schaal gebruikt in de geneeskunde en laser op BeAl 2 O 4 : Cr 3+ (chrysoberyl gedoteerd met chroom of alexandriet), met een emissie in het bereik van 0,7 ... 0,82 micron.

2.3. Erbium Fiber Optic Quantum versterker. Zo’n versterker, vaak aangeduid als “ EDFA ” (afkorting voor “ Erbium-gedoteerde vezelversterker "), werkt volgens een schema met drie niveaus op kwantumovergangen tussen elektronische toestanden Er 3+ in erbium-gedoteerde silicavezel: SiO2 : Er3+ (Fig. 3a). De lagere kwantumtoestand "1" is de elektronische grondtoestand Er 3+ - 4 I 15/2 . De bovenste kwantumtoestanden "2" zijn de groep van lagere subniveaus van de gesplitste elektronische toestand 4 I 13/2 . Splitsing in een aantal dicht bij elkaar gelegen subniveaus vindt plaats als gevolg van de interactie van ionen Er 3+ met intrakristallijn veld SiO2 (Sterk effect). Bovenste subniveaus van de elektronische toestand 4 I 13/2 en apart niveau 4 ik 11/2 zijn hulpniveaus "3a" en "3b".

Onder invloed van pompstraling bij golflengten van 980 nm (of 1480 nm), ionen Er 3+ ga van toestand "1" naar kortstondige toestanden "3a" of "3b", en dan snelle niet-stralingsovergangen ( w 32 ~10 6 s –1 ) om "2" te vermelden, wat quasi-metastabiel is ( w 21 ~10 2 s –1 , en τ 2 ~10ms). dus de eis: w 32 >> w 21 wordt uitgevoerd en op niveau "2" is er een ophoping van deeltjes, waarvan het aantal, wanneer het pompniveau de drempelwaarde overschrijdt, W > W dan , overschrijdt de populatie van niveau "1", d.w.z. er zal een populatie-inversie en amplificatie zijn bij golflengten in het bereik van 1,52 ... 1,57 m (figuur 3b). Het blijkt dat de inversiedrempel wordt bereikt wanneer een derde van de deeltjes wordt overgebracht naar niveau "2". Drempelniveau OH– W dan en de frequentie-afhankelijkheid van de versterking wordt bepaald door de structuur van de vezel (Fig. 3b), concentratie Er 3+ en golflengte van OH-straling. Het pomprendement, namelijk de verhouding van de onverzadigde versterking tot het eenheidsvermogen van de OH-bron, is voor het pompen van λ980nm tot 11dB m–1 mW –1 , en voor λ1480nm - ongeveer 6dB m–1 mW –1 .

Naleving van frequenties verkrijgen EDFA het derde "transparantievenster" van kwartsvezel bepaalt het gebruik van dergelijke versterkers als lineaire verliescompensatoren van moderne glasvezelcommunicatielijnen (FOCL) met frequentiemultiplexing van kanalen (systemen WDM: Multiplexing met golflengteverdeling en DWDM: Multiplexing met dichte golflengteverdeling ). De lengte van de kabelversterker, gepompt door de straling van een halfgeleiderlaser, is eenvoudigweg opgenomen in de FOCL (figuur 3c). Het gebruik van erbiumvezelversterkers in FOCL vervangt de technisch veel complexere methode van signaal "regeneratie" - de extractie van een zwak signaal en het herstel ervan.

Rijst. 3. Erbium glasvezel kwantumversterker ( EDFA ). (a) energieniveaudiagram Er 3+ in SiO 2 (kwarts), (b) signaalversterking in kwarts met verschillende additieven, ( in ) - een vereenvoudigd schema voor het inschakelen van een versterker in een FOCL: 1 - ingangsstraling (van het transmissiepad), 2 - een halfgeleiderpomplaser, 3 - een multiplexer ( koppeling ), 4- EDFA (SiO 2 : Er 3+ ), 5-optische isolator, 6-uitgangsstraling (in het transmissiepad).

3. Optisch gepompte lasers die werken volgens het "schema met vier niveaus".

3.1. Theoretische analyse van het schema met vier niveaus. In zo'n schema van niveaus (Fig. 4), is niveau "0" de grondenergietoestand van een ensemble van deeltjes, niveau "1", geassocieerd met een kwantumovergang met niveau "0", is het lagere laserniveau, lang -leefniveau "2" is het bovenste laserniveau en niveau "3" is hulpniveau. Het pompen werkt op kanaal "0" → "3".

Laten we de voorwaarde vinden voor het bestaan van inversie tussen niveaus "2" en "1". Ervan uitgaande dat de statistische gewichten van de niveaus hetzelfde zijn, en ook ervan uitgaande dat

en, (6)

Laten we een vereenvoudigd systeem van kinetische vergelijkingen schrijven voor de niveaus "3", "2" en "1" in de stationaire benadering, evenals de relatie voor het aantal deeltjes op alle niveaus:

(7)

waar n 0 , n 1 , n 2 , n 3 , – deeltjesconcentraties op niveaus 0,1,2,3; Wn 0 en Wn 3 zijn de snelheden van absorptie en geïnduceerde emissie bij overgangen tussen niveaus "0" en "3" onder invloed van pompstraling, waarvan de waarschijnlijkheid is W; wik zijn de kansen op overgangen tussen niveaus, N is het totale aantal actieve deeltjes per volume-eenheid.

Van (6 en 7) kunnen we de niveau-populaties vinden n 1 en n 2 als functie van W , en hun verschil Δ n in de vorm

, (8)

die de onverzadigde versterking bepaalt α 0 bij de overgang "2"→"1".

Uiteraard zal de winst positief en maximaal zijn wanneer:

. (9)

Hieruit kunnen we concluderen dat in het geval van een viertrapsschema met OH, wanneer aan voorwaarden (6) en (9) is voldaan:

1) inversie heeft geen drempelkarakter en bestaat voor alle W;

2) het uitgangsvermogen van de laser, bepaald door uitdrukking (2.14), hangt af van de optische pompsnelheid Wn 0 .

3) vergeleken met het drie-niveau, is het vier-niveau schema veelzijdiger en stelt u in staat om een populatie-inversie te creëren, evenals om zowel gepulseerd als continu en opwekking uit te voeren op elk pompniveau (wanneer de winst groter is dan de verliezen in de OER).

3.2. neodymium laser. De laser maakt gebruik van een kwantumovergang tussen elektronische energieniveaus Nd 3+ , wordt lasergeneratie uitgevoerd volgens een schema met vier niveaus met OH (Fig. 5). De meest gebruikte kristalmatrix voor ionen Nd 3+ is yttrium aluminium granaat: Y 3 Al 5 O 12 , en het gedoteerde kristal wordt aangeduid als Y 3 Al 5 O 12: Nd 3+ of YAG: Nd 3+. Nd3+ concentratie , die het YAG-kristal niet vervormt - tot 1,5%. Andere matrices voor Nd 3+ zijn fosfaat- en silicaatglazen (aangeduid als glas : Nd 3+ ), kristallen van gadolinium-scandium-gallium-granaat (GSHG: Nd 3+ ), yttrium-lithiumfluoride– YLiF 4 : Nd 3+ , yttriumorthovanadaat, organometaalvloeistoffen. Vanwege de kubische structuur van de matrix heeft het YAG-luminescentiespectrum smalle lijnen, wat de hoge versterking bepaalt van neodymium solid-state lasers, die zowel in gepulseerde als in cw-generatiemodi kunnen werken.

Vereenvoudigd elektronisch energieniveaudiagram Nd 3+ in YAG wordt getoond in Fig. 5 Lager laserniveau "1" 4 ik 11/2 de meest intense kwantumtransitie Nd 3+ met een golflengte van λ1,06 m bevindt zich ongeveer 0,25 eV boven de grondenergietoestand "0" - 4 ik 9/2 , en is onder normale omstandigheden praktisch onbevolkt (0,01% van de bevolking van de grondtoestand), wat de lage generatiedrempel van deze laser bepaalt. Niveau 4 F 3/2 , waarvan de levensduur 0,2 ms is, is het bovenste laserniveau "2". Groepen niveaus (energie “zones”) "3a" ... "3 d ” de rol spelen van een elektronisch hulpniveau “3”. Optisch pompen wordt uitgevoerd via het kanaal "0" → "3", de absorptiebanden hebben golflengten in de buurt van 0,52; 0,58; 0,75; 0,81 en 0,89 µm. Uit de staten "3a" ... "3 d » er is een snelle relaxatie door niet-stralende overgangen naar de bovenste lasertoestand «2».

Voor het pompen worden krypton- en xenonontladingslampen, halogeenlampen met alkalimetaaladditieven in het vulgas en halfgeleiderlampen gebruikt. GaAs lasers (λ0,88 µm) en LED's op basis van Ga 1 x Al x As (-0,81 µm) (Fig. 6).

YAG laserstraling vermogen: Nd 3+ met een golflengte van λ1,06 μm in de continue modus bereikt 1 kW, de recordwaarden bereikt in de gepulseerde modus: de pulsenergie is ongeveer 200 kJ en het vermogen is 200 TW bij een pulsduur van ~1 ns ( een laser ontworpen voor experimenten op gecontroleerde laser thermonucleaire fusie - LTS).

In een YAG-kristal, een laserlijn Nd 3+ met λ1,06 μm wordt gelijkmatig verbreed (tot 0,7 nm), terwijl er in brillenglazen een significante inhomogene verbreding is door het Stark-effect (Δν niet één ≈3∙10 12 Hz,), wat het mogelijk maakt om de longitudinale modus vergrendelingsmodus (zie paragraaf 3.3) met succes toe te passen met M ~10 4 en ontvang ultrakorte pulsen met een duur in de orde van 1 ps.

Een verhoogde concentratie van activator-ionen in media zoals neodymiumpentafosfaat ( NdP 5 O 14 ), lithiumneodymiumtetrafosfaat ( LiNdP 4O 12 ) en andere, zorgt voor een efficiënte absorptie van halfgeleiderlaserstraling op afstanden in de orde van fracties van een millimeter, waardoor u miniatuurmodules kunt maken die minilasers : halfgeleiderlaser - neodymiumlaser.

Het hoge stralingsvermogen van een neodymiumlaser met λ1,06 m maakt het mogelijk om de frequentie van zijn straling om te zetten met behulp van niet-lineaire kristallen. Om de tweede en hogere optische harmonischen te genereren, worden kristallen met kwadratische en kubische niet-lineaire gevoeligheid gebruikt (kaliumdiwaterstoffosfaat - KDP , kaliumtitanylfosfaat - KTP ), met directe en (of) sequentiële (cascade) conversie. Dus als een ketting van kristallen wordt gebruikt voor straling van een neodymiumlaser, dan is het naast IR-straling op de grondfrequentie met λ1,06 m mogelijk om de 2e, 4e en 5e harmonischen te genereren met golflengten van λ0 0,53 m (groene straling); λ0,35 m, λ0,26 m en λ0,21 m (UV-straling) - (Fig. 7).

De belangrijkste toepassingsgebieden van neodymiumlasers: technologische en medische installaties, experimenten met gecontroleerde thermonucleaire laserfusie, studies van de resonante interactie van straling met materie, in onderwatervisie- en communicatiesystemen (λ0,53 µm), optische informatieverwerking; spectroscopie, diagnose op afstand van onzuiverheden in de atmosfeer (UV-straling), enz.

In lasers die glazen als matrix gebruiken (silicaat, boraat, enz.), kunnen ook andere activator-ionen met succes worden gebruikt: Yb 3+ , Er 3+ , Tm 3+ , Ho 3+ met straling in het bereik van 0,9 ... 1,54 m.

3.3. Frequentieconversie van straling in een niet-lineair medium. Het fenomeen van het verdubbelen en optellen van de frequenties van lichtgolven is als volgt. Wanneer licht zich voortplant in een medium onder invloed van een elektrisch veld van een elektromagnetische golf E , is er een overeenkomstige verplaatsing van atomaire elektronen ten opzichte van de kernen, d.w.z. het medium is gepolariseerd. De polariseerbaarheid van het medium wordt gekenmerkt door de grootte van het elektrische dipoolmoment per volume-eenheid - R geassocieerd met de grootte van het veld E door de diëlektrische gevoeligheid van het mediumχ : . Als dit veld klein is, dan is de diëlektrische gevoeligheidχ \u003d χ 0 \u003d Const, p is een lineaire functie van E : , en de verplaatsing van ladingen veroorzaakt straling met dezelfde frequentie als de initiële straling (“ lineaire” optiek).

Bij hoog vermogen, wanneer het elektrische veld van de straling de waarde van het intra-atomaire veld begint te overschrijden, wordt de polariseerbaarheid een niet-lineaire functie E : Dat wil zeggen, afgezien van lineair afhankelijk van E termijn op kleine E , als we te maken hebben met lineaire optica, in de uitdrukking voor R lijkt niet-lineair met betrekking tot E-term ("niet-lineair" optiek). Dientengevolge, wanneer een "pomp" -golf die zich voortplant in een medium met een frequentie ν 0 en golfvector (waar is de brekingsindex van het medium), verschijnt er een nieuwe golf - de tweede optische harmonische met een frequentie en een golfvector, evenals een aantal harmonischen van hogere orde. Het is duidelijk dat de energie van een pompgolf met een frequentie het meest efficiënt wordt overgebracht naar een nieuwe golf met een frequentie als de voortplantingssnelheden van deze twee golven hetzelfde zijn, d.w.z. als er een zgn.: . Aan deze voorwaarde kan worden voldaan met behulp van een kristal met dubbele breking, wanneer twee golven zich onder een bepaalde hoek ten opzichte van de optische hoofdas voortplanten.

Wanneer twee golven zich in het kristal voortplanten met frequenties en golfvectoren en, naast de harmonischen van elk van de golven, wordt in het kristal een golf met een totale frequentie gegenereerd: , en een golf met een verschilfrequentie. De voorwaarde van golfsynchronisme heeft in dit geval de vorm: .

In zekere zin kunnen de beschreven verschijnselen worden beschouwd als het genereren van harmonischen tijdens coherent optisch pompen van een niet-lineair kristal.

3.4. Afstembare kleurstoflasers. Lasers op basis van oplossingen van complexe organische verbindingen (inclusief kleurstoffen: rhodamines, coumarines, oxazolen, enz.) in alcoholen, aceton en andere oplosmiddelen behoren tot de groep vloeistof lasers. Dergelijke oplossingen hebben intense absorptiebanden bij OH en emissiebanden in de nabije UV, zichtbare of nabije IR spectrale gebieden. Hun belangrijkste voordeel is een brede luminescentielijn (tot 50...100 nm), die het mogelijk maakt om de werkfrequentie van de laser soepel af te stemmen binnen deze lijn.

De elektronische toestanden van de meeste kleurstoffen die in dergelijke lasers worden gebruikt, zijn brede, tot 0,1 eV, continue energiebanden die het gevolg zijn van de toevoeging van honderden "overlappende" vibrationele en roterende subniveaus, wat ook leidt tot brede, in de regel, structuurloze absorptie en luminescentie banden. , als gevolg van de toevoeging van "overlappende" overgangen tussen dergelijke subniveaus (Fig. 8a). Tussen subniveaus "binnen" deze banden zijn er snelle niet-stralingsovergangen met waarschijnlijkheden w ~10 10 …10 12 s –1 , en de kansen op relaxatieovergangen tussen elektronische toestanden zijn twee tot vier orden van grootte lager (~ 10 8 s–1).

Generatie vindt plaats volgens een "vier-niveau" -schema op overgangen van het kleurstofmolecuul van de lagere vibrerende subniveaus van de eerste geëxciteerde singlet elektronische toestand S1 (Fig. 8, a), analogen van niveau "2" in het diagram in Fig. 4 - naar de bovenste subniveaus van de elektronische grondtoestand S0 , analogen van niveau "1". Het analoog van niveau "0" zijn de lagere subniveaus van de elektronische hoofdterm, en het analoog van het hulpniveau "3" zijn de bovenste vibrationele subniveaus van de geëxciteerde elektronische term S1.

Aangezien snelle overgangen plaatsvinden binnen de elektronische termen, komt de verdeling van de populatie van staten overeen met de wet van Boltzmann: de bovenste subniveaus "3" en "1" zijn zwak bevolkt en de onderste "0" en "2" zijn sterk bevolkt. Een dergelijke verhouding voor niveaus "0" en "3" bepaalt voor hen een hoge efficiëntie van RS langs het kanaal "0" → "3", en de verhouding voor niveaus "2" en "1" bepaalt de populatie-inversie, amplificatie en generatie bij deze transitie.

Om een smalle generatielijn te verkrijgen, maar ook om deze in frequentie af te stemmen binnen een brede luminescentieband van kleurstofmoleculen, wordt een dispersieve resonator met spectrale selectieve elementen (prisma's, diffractieroosters, interferometers, enz.) Gebruikt (Fig. 8b).

De mogelijkheid om de golflengte binnen de luminescentielijn af te stemmen (Fig. 8, in ) zonder vermogensverlies wordt bepaald door snelle niet-stralingsovergangen binnen de elektronische termen "2" en "1", waarvan de waarschijnlijkheid groter is dan de waarschijnlijkheid van geïnduceerde overgangen. Dus bij het afstemmen van de resonator op een golflengte binnen de luminescentielijn van de overgang "2" → "1", treedt laserstraling op bij de overgang tussen de overeenkomstige subniveaus "2 en 1 ”, resulterend in subniveau “2ʹ » door geïnduceerde overgangen wordt “gewist” en «1ʹ » - is aanvullend ingevuld. Vanwege OH en snelle overgangen van aangrenzende subniveaus binnen de term, zal de populatie van het "genererende" subniveau "2ʹ » wordt continu hersteld. Tegelijkertijd, subniveau "1ʹ " wordt continu gewist door snelle overgangen, en uiteindelijk ontspannend naar de "0" -status. Dus het hele pompen van de bovenste elektronenterm "2" wordt het pompen van de overgang "2ʹ»→«1ʹ » en verandert in smalbandige monochromatische laserstraling op de afstemfrequentie van de dispersieve resonator, en deze frequentie kan worden gevarieerd.

Naast stralingsovergangen S 1 → S 0 ("2" → "1") Er zijn ook een aantal transities die de opwekkingsefficiëntie verminderen. Dit zijn de overgangen: S 1 → T 1 , die de populatie van niveaus "2" verminderenʹ ”, overgangen T 1 →"1", het vergroten van de populatie van niveaus "1ʹ", en overgangen T 1 → T 2 laserstraling absorberen.

Er zijn twee soorten kleurstoflasers: onsamenhangend (lamp)optisch pompen door straling van gepulseerde lampen en gepulseerde werking; en ook met samenhangend pompen door laserstraling van andere typen (gas of vaste stof) in continue, quasi-continue of pulserende werking. Als een verandering van kleurstoffen in de laser wordt gebruikt, en er zijn er meer dan duizend, dan is het op deze manier mogelijk om het gehele zichtbare en een deel van het IR-gebied van het spectrum te "blokkeren" (0,33 ... 1,8 m) met straling. In lasers met coherent pompen worden ionenpompen gebruikt als pompbronnen om een continu regime te verkrijgen. Ar - of Kr -gaslasers. Om kleurstoffen in een gepulseerde modus te pompen, worden gaslasers gebruikt op N2 , koperdamp, excimeren, evenals robijn- en neodymiumlasers met frequentievermenigvuldiging. Het is vaak nodig om de kleurstofoplossing te pompen, waardoor moleculen die dissociatie hebben ondergaan onder invloed van pompstraling uit de actieve zone worden verwijderd en nieuwe worden geïntroduceerd.

Kleurstoflasers, metν niet één ~10 13 Hz en M>10 4 , maken het mogelijk om ultrakorte stralingspulsen (τ~10 14 …10 13 s).

Kleurstoflasers met gedistribueerde feedback (DFB) vormen een speciale groep. In DFB-lasers wordt de rol van een resonator gespeeld door een structuur met een periodiek veranderende brekingsindex en (of) versterking. Het wordt meestal gemaakt in een actief medium onder invloed van twee interfererende pompstralen. Een DFB-laser wordt gekenmerkt door een smalle generatielijn (~10 2 cm 1 ), die kan worden afgestemd binnen de versterkingsband door de hoek tussen de pompstralen te veranderen.

Kleurstoflasertoepassingen omvatten fotochemie, selectief pompen van kwantumtoestanden in spectroscopie, isotopenscheiding, enz.

3.5 Afstembare titanium-gedoteerde saffierlaser. Een soepele afstemming van de generatiegolflengte wordt ook verzekerd door een solid-state laser op basis van een titanium-geactiveerd korundkristal ( Al 2 O 3 : Ti 3+ ), saffier genoemd.

Elke elektronische staat Ti 3+ , bestaat uit een groot aantal "overlappende" vibrationele subniveaus, wat leidt tot structuurloze absorptie- en luminescentiebanden die zelfs breder zijn dan die van een kleurstof als gevolg van de toevoeging van "overlappende" overgangen tussen dergelijke subniveaus. Binnen deze toestanden zijn er snelle niet-stralingsovergangen met waarschijnlijkheden w ~10 9 s 1 , terwijl de relaxatiewaarschijnlijkheden tussen elektronische toestanden in de orde van 10 . zijn 5 …10 6 s 1 .

De saffierlaser behoort tot de groep van de zogenaamde. vibronisch lasers, die verschillen doordat hun belangrijkste elektronische term een band van vibrerende subniveaus (kristalrooster) is, waardoor de laser werkt volgens een schema met vier niveaus, en, zoals een kleurstoflaser, de mogelijkheid creëert om de generatie soepel af te stemmen in het bereik van -660 ... 1180 nm. De absorptieband loopt van λ0,49 µm tot λ0,54 µm. Korte levensduur van de aangeslagen toestand "2" Ti 3+ maakt het pompen van de lamp van deze laser ondoeltreffend, wat in de regel wordt uitgevoerd door een cw argonlaser (λ488 nm en λ514,5 nm), de tweede harmonische van een neodymiumlaser (λ530 nm) of koperdamplaserstralingspulsen (λ510 nm).

De onbetwiste voordelen van een saffierlaser met titanium zijn een veel hoger toelaatbaar pompvermogen zonder degradatie van de werksubstantie en een bredere inhomogeen verbrede luminescentielijn. Het resultaat is een reeks pulsen met een duur van ongeveer tientallen femtoseconden (1fs=10 15 c), en met daaropvolgende compressie (knijpen) van pulsen in niet-lineaire optische vezels - tot 0,6 fs.

3.6. Afstembare kleurencentrumlasers. Dergelijke lasers, zoals de hierboven besproken vastestoflasers, gebruiken ionische kristallen als een actieve stof, maar met kleurcentra genaamd F - centra , die de afstemming van hun straling mogelijk maakt. Lasermaterialen voor dergelijke lasers: kristallen van fluoriden en chloriden van alkalimetalen ( Li, Na, K, Rb ), evenals fluoriden Ca en Sr . De impact op hen van ioniserende straling: gammaquanta, hoogenergetische elektronen, röntgenstraling en harde UV-straling, evenals het calcineren van kristallen in alkalimetaaldampen, leidt tot het verschijnen van puntdefecten in het kristalrooster, die lokaliseren elektronen of gaten op zichzelf. Een vacature die een elektron vangt, vormt een defect waarvan de elektronische structuur vergelijkbaar is met die van een waterstofatoom. Zo'n kleurcentrum heeft absorptiebanden in de zichtbare en UV-gebieden van het spectrum.

Het schema van lasergeneratie op kleurcentra is vergelijkbaar met schema's van vloeibare lasers op organische kleurstoffen. Voor het eerst werd het genereren van gestimuleerde emissie in kleurcentra verkregen in kristallen van K Cl - Li onder gepulseerd optisch pompen. Op dit moment is generatie waargenomen in een groot aantal verschillende kleurcentra met IR-straling in gepulseerde en continue modi met coherente RS. De stralingsfrequentie wordt afgestemd met behulp van dispersieve elementen (prisma's, diffractieroosters, enz.) die in de resonator zijn geplaatst. Een slechte thermische en fotostabiliteit belemmeren echter het wijdverbreide gebruik van dergelijke lasers.

3.7. Fiberlasers. vezel lasers genoemd, waarvan de resonator is gebouwd op basis van een optische vezelgolfgeleider, die ook het actieve medium is van de laser waarin straling wordt gegenereerd (Fig. 9). Er wordt gebruik gemaakt van met zeldzame aarde gedoteerde kwartsvezels ( Nd, Ho, Er, Tm, Yb enz.), of passieve vezels die gebruikmaken van het effect van gestimuleerde Raman-verstrooiing. In het laatste geval vormt de optische resonator een lichtgeleider in combinatie met “Bragg” brekingsindexroosters “ingebed” in de vezel. Dergelijke lasers worden vezel Raman ” laseren. De laserstraling plant zich voort in de optische vezel en daarom is de holte van de vezellaser eenvoudig en vereist geen uitlijning. In een fiberlaser is het mogelijk om zowel opwekking met één frequentie als opwekking van ultrakorte (femtoseconde, picoseconde) lichtpulsen te verkrijgen.

4. Parametrische lichtgeneratie

Parametrische lichtgeneratie(POS) wordt uitgevoerd onder invloed van laseroptische pompstraling in vaste kristallen met niet-lineaire eigenschappen, en wordt gekenmerkt door een vrij hoge conversiecoëfficiënt (tientallen procenten). In dit geval is het mogelijk om de frequentie van de uitgangsstraling soepel af te stemmen. In zekere zin kan de OPO, evenals het hierboven besproken fenomeen van frequentievermenigvuldiging en -optelling, worden beschouwd als het genereren van afstembare straling tijdens coherent optisch pompen van een niet-lineair kristal.

De kern van het OPO-fenomeen, zoals in het geval van vermenigvuldiging en optelling van frequenties, zijn niet-lineaire optische fenomenen in media. Laten we eens kijken naar het geval waarin een medium met niet-lineaire eigenschappen en gelegen in een open optische holte (OOR) interageert met laserstraling van een voldoende hoge intensiteit, met een frequentie ν 0 (pompen). Door de energie van deze golf te pompen, kunnen er twee nieuwe lichtgolven in het medium verschijnen:

1) een golf van "ruis"-aard met een bepaalde frequentie ν 1 ;

2) een golf met een verschilfrequentie (ν 0 – v 1 ), die het resultaat is van een niet-lineaire interactie tussen pompstraling en een willekeurige (ruis)golf met een frequentie ν 1 .

Bovendien zijn de frequenties ν 1 en (ν 0 – ν 1 ) moeten de natuurlijke frequenties van de OOP zijn en voor alle drie de golven,golf synchronisatie voorwaarde:: . Met andere woorden, de pomp lichtgolf met frequentie ν 0 met behulp van een hulpruisgolf met frequentie ν 1 , transformeert in een golf met een frequentie (ν 0 – v1).

Frequentie-afstemming van de OPO-straling wordt uitgevoerd door de oriëntatie van een dubbelbrekend niet-lineair kristal te selecteren door het te roteren, d.w.z. het veranderen van de hoek tussen de optische as en de as van de resonator om te presterengolf synchronisatie voorwaarde:. Elke waarde van de hoek komt overeen met een strikt gedefinieerde combinatie van frequenties ν 1 en (ν 0 – ν 1 ), waarvoor momenteel aan de voorwaarde van golfsynchronisatie wordt voldaan.

Er kunnen twee schema's worden gebruikt om PGS te implementeren:

1) "twee-resonator"-schema, wanneer de gegenereerde golven met frequenties ν 1 en (ν 0 – ν 1 ) voorkomen in één OER, terwijl het verlies aan OER voor hen klein zou moeten zijn;

2) schema "enkele resonator", wanneer slechts één golf met frequentie (ν 0 – v1).

Een kristal kan als actief medium worden gebruikt LiNbO 3 (lithiumniobaat), gepompt door de straling van de tweede harmonische van de YAG: Nd 3+ (λ0,53 m) en soepele afstemming kan worden uitgevoerd in het bereik tot λ3,5 m binnen 10%. Een set optische kristallen met verschillende gebieden van niet-lineariteit en transparantie maakt afstemming in het IR-gebied tot 16 µm mogelijk.

5. Halfgeleiderlasers

halfgeleiderzogenaamde vastestoflasers waarin halfgeleiderkristallen van verschillende samenstellingen met populatie-inversie bij een kwantumovergang als actief medium (werksubstantie) worden gebruikt. Een beslissende bijdrage aan de creatie en verbetering van dergelijke lasers werd geleverd door onze landgenoten N.G. Basov, Zh.I. Alferov en hun medewerkers.

5.1. Operatie principe. In halfgeleiderlasers worden, in tegenstelling tot lasers van andere typen (inclusief andere halfgeleiderlasers), stralingsovergangen niet gebruikt tussen geïsoleerde energieniveaus van atomen, moleculen en ionen die niet of zwak met elkaar interageren, maar tussen toegestaneenergiezoneskristal. Straling (luminescentie) en het genereren van gestimuleerde emissie in halfgeleiders is te wijten aan kwantumovergangen van elektronen zowel tussen de energieniveaus van de geleidingsband en de valentieband, als tussen de niveaus van deze banden en onzuiverheidsniveaus: overgangen donorniveau-acceptorniveau, geleidingsband-acceptorniveau, donorniveau-valentieband, inclusief door excitontoestanden. Elke energiezone komt overeen met een zeer grote (~10 23 …10 24 ) het aantal toegestane staten. Omdat elektronen fermionen zijn; dan bijv. valentie de zone kan geheel of gedeeltelijk gevuld zijn met elektronen: met een dichtheid die van onder naar boven langs de energieschaal afneemt - vergelijkbaar met de Boltzmann-verdeling in atomen.

De straling van halfgeleiders is gebaseerd op het fenomeenelektroluminescentie. Een foton wordt uitgezonden als gevolg van een handeling recombinatie ladingsdragers - een elektron en een "gat" (een elektron uit de geleidingsband bezet een leegte in de valentieband), terwijl de stralingsgolflengte wordt bepaald doorband gap. Als we zulke omstandigheden creëren dat een elektron en een gat voor recombinatie voldoende lang in hetzelfde gebied van de ruimte zullen zijn, en op dit moment passeert een foton met een frequentie die in resonantie is met de frequentie van de kwantumovergang gebied van de ruimte, dan kan het het recombinatieproces induceren met emissie tweede foton, en zijn richting, vector polarisatie en fase exact dezelfde eigenschappen zal hebben als het eerste foton. Bijvoorbeeld, in eigen ("pure", "onzuiverheidsvrije") halfgeleiders, is er een gevulde valentieband en een bijna vrije geleidingsband. Tijdens interbandovergangen, om inversie te veroorzaken en generatie te verkrijgen, is het noodzakelijk om overmatige niet-evenwichtsconcentraties van ladingsdragers te creëren: in de geleidingsband - elektronen, en in de valentieband - gaten. In dit geval moet het interval tussen de quasi-Fermi-niveaus de band gap overschrijden, d.w.z. een of beide quasi-Fermi-niveaus bevinden zich binnen de toegestane banden op afstanden van niet meer dan kT van hun grenzen. En dit veronderstelt een opwinding van een dergelijke intensiteit dat degeneratie in de geleidingsband en in de valentieband.

De eerste halfgeleiderlasers gebruikten galliumarsenide (GaAs), werkten in een gepulseerde modus, werden uitgezonden in het IR-bereik en vereisten intense koeling. Nader onderzoek heeft het mogelijk gemaakt om veel significante verbeteringen aan te brengen in de fysica en technologie van dit type lasers, en momenteel zenden ze uit in zowel het zichtbare als het UV-bereik.

De degeneratie van een halfgeleider wordt bereikt door deze zwaar te doteren bij een hoge doteringsconcentratie, zodat de eigenschappen van de doteerstof, in plaats van die van de intrinsieke halfgeleider, worden vertoond. elk atoom donateur onzuiverheid geeft een van zijn elektronen aan de geleidingsband van het kristal. Integendeel, het atoomacceptantonzuiverheid vangt één elektron op, dat werd gedeeld door het kristal en zich in de valentieband bevond. ontaardenneen halfgeleider wordt bijvoorbeeld verkregen door inGaAstellurium onzuiverheden (concentratie 3...5 1018 cm3 ), en de gedegenereerdephalfgeleider - zinkverontreinigingen (concentratie 1019 cm3 ). De generatie wordt uitgevoerd bij IR-golflengten van 0,82 µm tot 0,9 µm. Structuren die op substraten worden gekweekt, zijn ook wijdverbreid.InP(IR-gebied λ1…3 µm).

Het halfgeleiderkristal van de eenvoudigste laserdiode die werkt op een "homojunctie" (Fig. 10) heeft de vorm van een zeer dunne rechthoekige plaat. Zo'n plaat is in wezen een optischegolfgeleiderwaar de straling zich voortplant. De bovenste laag van het kristalgedoteerdvoor het creërenpgebied, en in de onderste laag wordt gemaaktnregio. Het resultaat is een flatpngroot gebied oversteken. De twee zijden (uiteinden) van het kristal zijn gespleten en gepolijst om gladde, evenwijdige reflecterende vlakken te vormen die een open optische holte vormen.- Fabry-Perot-interferometer. Willekeurig foton van spontane emissie uitgezonden in een vliegtuigpnovergang loodrecht op de reflectoren, langs de resonator, zal gestimuleerde recombinatie-overgangen veroorzaken, waardoor nieuwe en nieuwe fotonen met dezelfde parameters worden gecreëerd, d.w.z. de straling zal worden versterkt, de generatie zal beginnen. In dit geval zal de laserstraal worden gevormd als gevolg van herhaalde passage door de optische golfgeleider en reflectie vanaf de uiteinden.

Het belangrijkste type pompen in halfgeleiderlasers is:injectiepompen. In dit geval dienen vrije ladingsdragers als actieve deeltjes - overtollige niet-evenwichtsgeleidingselektronen en gaten, diegeïnjecteerdinpn-junctie (actief medium), wanneer er een elektrische stroom doorheen wordt geleid in de "voorwaartse" richting met een "voorwaartse" voorspanning, waardoor de hoogte van de potentiaalbarrière wordt verminderd. Dit maakt directe omzetting van elektrische energie (stroom) in coherente straling mogelijk.

Andere methoden van pompen zijn elektrische storing (in de zogenaamde.wimpellasers), elektronenstraalpompen en optisch pompen.

5.2. DHS-lasers. Als u een laag rangschikt met een smallereverboden zone(actief gebied) tussen twee lagen met een grotere bandgap, een zogenaamde.heterostructuur. De laser die het gebruikt, wordt een dubbele laser genoemd.heterostructuur(DHS-laser, of “dubbele heterostructuur”, DHS- laser). Deze structuur wordt gevormd door samen te voegengalliumarsenide(GaAs) enaluminium galliumarsenide(AlGaAs). Het voordeel van dergelijke lasers is de kleine dikte van de middelste laag - het actieve gebied waar elektronen en gaten zijn gelokaliseerd: licht wordt bovendien gereflecteerd door heterojuncties en de straling zal zich in het gebied van maximale versterking bevinden.

Als er nog twee lagen met een lagere brekingsindex in vergelijking met de centrale aan beide zijden van het DHS-laserkristal worden toegevoegd, danlicht gidsstructuur die straling effectiever vasthoudt (DHS-laser)met apart ruim, of "aparte opsluiting heterostructuur”, SCHS- laser). De meeste lasers die in de afgelopen decennia zijn geproduceerd, zijn gemaakt met behulp van deze technologie. De ontwikkeling van moderne opto-elektronica, zonne-energie is gebaseerd op kwantumheterostructuren: incl. met kwantum "putten", kwantum "dots".

5.3. DFB- en VRPI-lasers. In lasers metgedistribueerde feedback(ROS of “gedistribueerdfeedback” DFBlaser) in de buurtp- novergang, een systeem van transversale reliëf "slagen" wordt toegepast, vormenderooster. Dankzij dit rooster keert straling met slechts één golflengte terug naar de resonator en vindt daarop generatie plaats, d.w.z. stabilisatie van de stralingsgolflengte wordt uitgevoerd (lasers voor multifrequentie glasvezelcommunicatie).

Een halfgeleider "edge" laser die licht uitzendt in een richting loodrecht op het kristaloppervlak en wordt een "verticale resonator oppervlakte-emitterende" laser (VRTS-laser, of "verticaalholteoppervlak- uitzenden”: VCSElaser), heeft een symmetrisch stralingspatroon met een kleine divergentiehoek.

In het actieve medium van een halfgeleiderlaser is een zeer hoge versterking (tot 104 cm-1 ), waardoor de afmetingen van het actieve element P. l. lasers zijn extreem klein (resonatorlengte - 50 m ... 1 mm). Naast compactheid zijn de kenmerken van halfgeleiderlasers: gemakkelijke intensiteitsregeling door de stroomwaarde te wijzigen, lage traagheid (~109 c), hoge efficiëntie (tot 50%), de mogelijkheid van spectrale afstemming en een grote selectie van stoffen voor generatie in een breed spectraal bereik van UV, zichtbaar tot mid-IR. Tegelijkertijd worden halfgeleiderlasers, vergeleken met gaslasers, gekenmerkt door een relatief lage mate van monochromaticiteit en coherentie van straling en kunnen ze niet gelijktijdig op verschillende golflengten uitzenden. Halfgeleiderlasers kunnen single-mode of multi-mode zijn (met een grote actieve zonebreedte). Multimode-lasers worden gebruikt in gevallen waarin een apparaat een hoog stralingsvermogen vereist en de voorwaarde voor divergentie van de lage bundel niet is ingesteld. De toepassingsgebieden van halfgeleiderlasers zijn: informatieverwerkende apparaten - scanners, printers, optische opslagapparaten, enz., meetapparatuur, pompen van andere lasers, laseraanwijzers, glasvezel en technologie.

BIBLIOGRAFIE

Karlov N.V.Lezingen over kwantumelektronica M.: Nauka, 1988. 2e druk, -336s.
Zvelto O.Principes van lasers. M.: Mir, 1984, -395s.; 3e ed. 1990, 560s.; 4e druk. 1998, -540s.
Pikhtin A.N.Optische en kwantumelektronica. M.: Hogere school, 2001. -573s.
Akhmanov S.A., Nikitin S.Yu.Fysieke optica. M.: Izd.MSU, 2004. 2e druk - 656p.
Malyshev V.A.Fysieke grondslagen van lasertechnologie. M.: Hogere school, 200 -543s.
Tarasov LVFysica van processen in generatoren van coherente optische straling. M.: Radio en communicatie, 1981, -440s.
Yakovlenko S.I., Evtushenko G.S.Fysieke grondslagen van kwantumelektronica. Tomsk: Ed. TGU, 2006. -363s.
Ivanov I.G., Latush E.L., Sam M.F.Ionenlasers op metaaldampen. M.: Energoatomizdat, 1990. -256s.
Fysieke encyclopedie. In 5 vol. M.: "Russische Encyclopedie". 1988-1998.
Ivanov I.G.Gasontlading en de toepassing ervan in de fotonica. Zelfstudie. Rostov n.v.t.: Ed. SFU, 2009. -96p.
Elektronica. Encyclopedisch woordenboek. M.: Encyclopedie, 1991. -688s.
Ivanov V.A., Privalov V.E.Het gebruik van lasers in fijnmechanische apparaten. St. Petersburg: Polytechnic, 1993. -216 p.;Golikova EV, Privalov VE.Berekening van absorptielijnen voor lasers gestabiliseerd door jodiumreferentiepunten. Voordruk #53. St. Petersburg: Instituut voor Analytische Instrumentatie RAS. 1992.-47c.
Kalasjnikov S.G.Elektriciteit. –M.: Fizmatlit. 2003. -624p.
Fysische encyclopedie // Chemische laser.URL: http://femto.com.ua/articles/part_2/4470.html
Kryukov P.G. Femtoseconde pulsen. Inleiding tot een nieuw gebied van laserfysica. – M.: Fizmatlit.2008. -208 Met.
Yanovsky V. et al. Optiek Express. 2008 Vol. 16. N3, P.2109- 2114 .

Het principe van laserwerking, waarvan de fysica was gebaseerd op de stralingswet van Planck, werd voor het eerst theoretisch onderbouwd door Einstein in 1917. Hij beschreef absorptie, spontane en gestimuleerde elektromagnetische straling met behulp van waarschijnlijkheidscoëfficiënten (Einstein-coëfficiënten).

pioniers

Theodor Maiman was de eerste die het werkingsprincipe demonstreerde op basis van optisch pompen van een synthetische robijn met een flitslamp, die gepulseerde coherente straling produceerde met een golflengte van 694 nm.

In 1960 creëerden de Iraanse wetenschappers Javan en Bennett de eerste gaskwantumgenerator met een 1:10 mengsel van He- en Neg-gassen.

In 1962 demonstreerde RN Hall de eerste van galliumarsenide (GaAs) bij 850 nm. Later dat jaar ontwikkelde Nick Golonyak de eerste halfgeleider-kwantumgenerator voor zichtbaar licht.

Het apparaat en het werkingsprincipe van lasers

Elk lasersysteem bestaat uit een actief medium dat is geplaatst tussen een paar optisch evenwijdige en sterk reflecterende spiegels, waarvan er één halftransparant is, en een energiebron voor het pompen. Het versterkingsmedium kan een vaste stof, vloeistof of gas zijn, die de eigenschap heeft de amplitude van een lichtgolf die er doorheen gaat te versterken door gestimuleerde emissie met elektrisch of optisch pompen. De substantie wordt zo tussen een paar spiegels geplaatst dat het erin gereflecteerde licht er elke keer doorheen gaat en, nadat het een aanzienlijke versterking heeft bereikt, de semitransparante spiegel binnendringt.

Omgevingen met twee niveaus

Laten we eens kijken naar het werkingsprincipe van een laser met een actief medium waarvan de atomen slechts twee energieniveaus hebben: geëxciteerde E 2 en basis E 1 . Als atomen door een pompmechanisme (optisch, elektrische ontlading, stroomtransmissie of elektronenbombardement) tot de E2-toestand worden geëxciteerd, zullen ze na een paar nanoseconden terugkeren naar de grondpositie en fotonen met energie uitzenden hν = E 2 - E 1 . Volgens de theorie van Einstein wordt emissie op twee verschillende manieren geproduceerd: ofwel wordt ze geïnduceerd door een foton, ofwel gebeurt ze spontaan. In het eerste geval vindt gestimuleerde emissie plaats, en in het tweede - spontaan. Bij thermisch evenwicht is de kans op gestimuleerde emissie veel lager dan spontane emissie (1:10 33), dus de meeste conventionele lichtbronnen zijn onsamenhangend en lasergeneratie is mogelijk onder andere omstandigheden dan thermisch evenwicht.

Zelfs met zeer krachtig pompen kunnen de populaties van systemen met twee niveaus alleen gelijk worden gemaakt. Daarom zijn systemen met drie of vier niveaus vereist om populatie-inversie te bereiken door optische of andere pompmethoden.

Gelaagde systemen

Wat is het werkingsprincipe van een laser met drie niveaus? Bestraling met intens licht van frequentie v 02 pompt een groot aantal atomen van het laagste energieniveau E 0 naar het hoogste energieniveau E 2 . De niet-stralingsovergang van atomen van E 2 naar E 1 zorgt voor een populatie-inversie tussen E 1 en E 0 , wat in de praktijk alleen mogelijk is wanneer de atomen zich gedurende lange tijd in de metastabiele toestand E 1 bevinden, en de overgang van E 2 naar E 1 treedt snel op. Het werkingsprincipe van een laser met drie niveaus ligt in het voldoen aan deze voorwaarden, waardoor een populatie-inversie wordt bereikt tussen E 0 en E 1 en fotonen worden versterkt door de energie E 1-E 0 van de geïnduceerde straling. Een breder E2-niveau zou het golflengte-absorptiebereik kunnen vergroten voor efficiënter pompen, wat resulteert in een toename van gestimuleerde emissie.

Een systeem met drie niveaus vereist een zeer hoog pompvermogen, aangezien het lagere niveau dat bij de opwekking betrokken is, het basisniveau is. In dit geval, om de populatie-inversie te laten plaatsvinden, moet meer dan de helft van het totale aantal atomen naar de toestand E1 worden gepompt. Daarbij wordt energie verspild. Het pompvermogen kan aanzienlijk worden verminderd als het lagere generatieniveau niet het basisniveau is, waarvoor minimaal een systeem met vier niveaus nodig is.

Afhankelijk van de aard van de werkzame stof worden lasers ingedeeld in drie hoofdcategorieën, namelijk vast, vloeibaar en gas. Sinds 1958, toen laseren voor het eerst werd waargenomen in een robijnkristal, hebben wetenschappers en onderzoekers een breed scala aan materialen in elke categorie bestudeerd.

vastestoflaser

Het werkingsprincipe is gebaseerd op het gebruik van een actief medium, dat wordt gevormd door toevoeging van een overgangsgroepmetaal (Ti +3, Cr +3, V +2, Co +2, Ni +2, Fe +2, enz. ) naar het isolerende kristalrooster. , zeldzame aardionen (Ce +3, Pr +3, Nd +3, Pm +3, Sm +2, Eu +2,+3, Tb +3, Dy +3, Ho +3 , Er +3, Yb +3 , enz.), en actiniden zoals U +3 . ionen zijn alleen verantwoordelijk voor de generatie. De fysieke eigenschappen van het basismateriaal, zoals thermische geleidbaarheid, zijn essentieel voor een efficiënte laserwerking. De rangschikking van roosteratomen rond een gedoteerd ion verandert zijn energieniveaus. Verschillende lasergolflengten in het actieve medium worden bereikt door verschillende materialen met hetzelfde ion te doteren.

Holmium-laser

Een voorbeeld is een kwantumgenerator waarin holmium een atoom van de basissubstantie van het kristalrooster vervangt. Ho:YAG is een van de beste generatie materialen. Het werkingsprincipe van een holmiumlaser is dat yttrium-aluminium-granaat wordt gedoteerd met holmium-ionen, optisch wordt gepompt door een flitslamp en uitzendt bij een golflengte van 2097 nm in het IR-bereik, dat goed wordt geabsorbeerd door weefsels. Deze laser wordt gebruikt voor operaties aan de gewrichten, bij de behandeling van tanden, voor de verdamping van kankercellen, nieren en galstenen.

Halfgeleider kwantumgenerator

Kwantumbronlasers zijn goedkoop, maken massaproductie mogelijk en zijn gemakkelijk schaalbaar. Het werkingsprincipe van een halfgeleiderlaser is gebaseerd op het gebruik van een pn-junctiediode, die licht van een bepaalde golflengte produceert door recombinatie van de draaggolf met een positieve bias, vergelijkbaar met LED's. LED zendt spontaan uit en laserdiodes - geforceerd. Om aan de populatie-inversievoorwaarde te voldoen, moet de bedrijfsstroom de drempelwaarde overschrijden. Het actieve medium in een halfgeleiderdiode heeft de vorm van een verbindingsgebied van twee tweedimensionale lagen.

Het werkingsprincipe van dit type laser is zodanig dat er geen externe spiegel nodig is om oscillaties in stand te houden. De door de lagen verschafte reflectiviteit en de interne reflectie van het actieve medium is hiervoor voldoende. De eindvlakken van de diodes zijn gechipt, wat zorgt voor de parallelliteit van de reflecterende oppervlakken.

Een verbinding gevormd door één type wordt een homojunctie genoemd en een verbinding die is gemaakt door een verbinding van twee verschillende typen wordt een heterojunctie genoemd.

Halfgeleiders van het p- en n-type met een hoge dragerdichtheid vormen een pn-overgang met een zeer dunne (≈1 m) depletielaag.

gas laser

Het werkingsprincipe en het gebruik van dit type laser stelt u in staat apparaten van bijna elk vermogen (van milliwatt tot megawatt) en golflengten (van UV tot IR) te maken en stelt u in staat om in pulserende en continue modi te werken. Op basis van de aard van actieve media zijn er drie soorten gaskwantumgeneratoren, namelijk atomaire, ionische en moleculaire.

De meeste gaslasers worden gepompt door een elektrische ontlading. De elektronen in de ontladingsbuis worden versneld door het elektrische veld tussen de elektroden. Ze botsen met atomen, ionen of moleculen van het actieve medium en veroorzaken een overgang naar hogere energieniveaus om de toestand van de populatie van inversie en gestimuleerde emissie te bereiken.

Moleculaire laser

Het principe van laserwerking is gebaseerd op het feit dat, in tegenstelling tot geïsoleerde atomen en ionen, moleculen in atomaire en ionenkwantumgeneratoren brede energiebanden van discrete energieniveaus hebben. Bovendien heeft elk elektronisch energieniveau een groot aantal trillingsniveaus, en die hebben op hun beurt meerdere roterende niveaus.

De energie tussen elektronische energieniveaus bevindt zich in de UV- en zichtbare gebieden van het spectrum, terwijl tussen de vibratie-rotatieniveaus - in de verre en nabije IR-gebieden. De meeste moleculaire kwantumgeneratoren werken dus in de verre of nabije infraroodgebieden.

Excimer lasers

Excimeren zijn moleculen zoals ArF, KrF, XeCl, die een gescheiden grondtoestand hebben en stabiel zijn op het eerste niveau. Het werkingsprincipe van de laser is als volgt. In de regel is het aantal moleculen in de grondtoestand klein, dus direct pompen vanuit de grondtoestand is niet mogelijk. Moleculen worden gevormd in de eerste geëxciteerde elektronische toestand door hoogenergetische halogeniden te combineren met inerte gassen. De populatie van de inversie wordt gemakkelijk bereikt, omdat het aantal moleculen op het basisniveau te klein is in vergelijking met de geëxciteerde. Het werkingsprincipe van een laser is, kort gezegd, de overgang van een gebonden aangeslagen elektronische toestand naar een dissociatieve grondtoestand. De populatie in de grondtoestand blijft altijd op een laag niveau, omdat de moleculen op dit punt uiteenvallen in atomen.

Het apparaat en het werkingsprincipe van lasers is dat de ontladingsbuis wordt gevuld met een mengsel van halogenide (F 2) en zeldzaam aardgas (Ar). De elektronen erin dissociëren en ioniseren halogenidemoleculen en creëren negatief geladen ionen. Positieve ionen Ar+ en negatief F- reageren en produceren ArF-moleculen in de eerste aangeslagen toestand, gevolgd door hun overgang naar de afstotende basistoestand en het genereren van coherente straling. De excimeerlaser, waarvan het werkings- en toepassingsprincipe we nu overwegen, kan worden gebruikt om een actief medium op kleurstoffen te pompen.

vloeibare laser

Vergeleken met vaste stoffen zijn vloeistoffen homogener en hebben ze een hogere dichtheid aan actieve atomen dan gassen. Bovendien zijn ze eenvoudig te vervaardigen, zorgen ze voor een gemakkelijke warmteafvoer en kunnen ze gemakkelijk worden vervangen. Het werkingsprincipe van de laser is om organische kleurstoffen als actief medium te gebruiken, zoals DCM (4-dicyaanmethyleen-2-methyl-6-p-dimethylaminostyryl-4H-pyran), rhodamine, styryl, LDS, coumarine, stilbeen, enz. ..., opgelost in een geschikt oplosmiddel. Een oplossing van kleurstofmoleculen wordt geëxciteerd door straling waarvan de golflengte een goede absorptiecoëfficiënt heeft. Het werkingsprincipe van de laser, kort gezegd, is om op een langere golflengte te genereren, fluorescentie genaamd. Het verschil tussen de geabsorbeerde energie en de uitgezonden fotonen wordt gebruikt door niet-stralingsenergieovergangen en verwarmt het systeem.

De bredere fluorescentieband van vloeibare kwantumgeneratoren heeft een unieke eigenschap: afstemming van de golflengte. Het werkingsprincipe en het gebruik van dit type laser als afstembare en coherente lichtbron wordt steeds belangrijker in spectroscopie, holografie en biomedische toepassingen.

Onlangs zijn kleurstofkwantumgeneratoren gebruikt voor isotopenscheiding. In dit geval prikkelt de laser een van hen selectief, waardoor ze een chemische reactie aangaan.

De laser bestaat noodzakelijkerwijs uit drie hoofdcomponenten:

1) actieve omgeving, waarin staten met populatie-inversie worden gecreëerd;

2) systemenpompen− apparaten voor het creëren van inversie in het actieve medium;

3) optischover resonator− een apparaat dat de richting van de fotonenstraal vormt.

Bovendien is de optische resonator ontworpen voor meervoudige versterking van laserstraling.

momenteel als actief (werkend) omgevingen laser gebruikt verschillende geaggregeerde toestanden van materie: vast, vloeibaar, gasvormig, plasma.

Om een inverse populatie van het lasermedium te creëren, kunnen verschillende pompmethoden: . De laser kan zowel continu als gepulseerd worden gepompt. In een langdurige (continue) modus wordt het in het actieve medium ingebrachte pompvermogen beperkt door de oververhitting van het actieve medium en aanverwante verschijnselen. In de modus van enkele pulsen is het mogelijk om veel meer energie in het actieve medium te brengen dan in dezelfde tijd in de continue modus. Dit veroorzaakt een groot vermogen van een enkele puls.

Laten we eerst een laser met vier niveaus beschouwen met, voor de eenvoud, slechts één pompabsorptieband (band 3 in Fig. 5.1). De daaropvolgende analyse blijft echter ongewijzigd, zelfs als we te maken hebben met meer dan één pompabsorptieband (of niveau), op voorwaarde dat de relaxatie van deze banden naar het bovenste laserniveau 2 zeer snel is. aanduiden

de populaties van respectievelijk de vier niveaus 0, 1, 2 en 3 tot en met We nemen aan dat de laser slechts in één resonatormodus genereert. Laat het totale aantal fotonen in de resonator zijn. Ervan uitgaande dat overgangen tussen niveau 3 en 2 en niveau 1 en 0 snel zijn, kunnen we stellen. We hebben dus de volgende snelheidsvergelijkingen:

In vergelijking (5.1a) is de hoeveelheid het totale aantal actieve atomen (of moleculen). In vergelijking (5.16) houdt de term rekening met pompen [zie vergelijking (1.10)]. Expliciete uitdrukkingen voor de pompsnelheid voor zowel optisch als elektrisch pompen zijn al verkregen in Hfst. 3. In dezelfde vergelijking komt de term overeen met gestimuleerde emissie. De snelheid van gestimuleerde emissie zoals weergegeven in Hfst. 2 is inderdaad evenredig met het kwadraat van het elektrische veld van de elektromagnetische golf en is daarom evenredig.Daarom kan de coëfficiënt B worden beschouwd als de snelheid van gestimuleerde emissie per foton in de modus. De hoeveelheid vertegenwoordigt de levensduur van het bovenste laserniveau en wordt over het algemeen bepaald door uitdrukking (2.123). In vergelijking (5.1 c) komt de term overeen met de snelheid van verandering in het aantal fotonen als gevolg van gestimuleerde emissie. Zoals we al hebben gezien, is de term in vergelijking (5.16) inderdaad de snelheid waarmee de bevolking afneemt als gevolg van gestimuleerde emissie. Aangezien elke handeling van gestimuleerde emissie leidt tot het verschijnen van een foton, moet de snelheid waarmee het aantal fotonen toeneemt gelijk zijn aan het volume dat wordt ingenomen door de modus in het actieve medium (de exacte definitie van het modusvolume wordt hieronder gegeven ). Ten slotte houdt de term [waar is de levensduur van het foton (zie paragraaf 4.3)] rekening met de afname van het aantal fotonen door verliezen in de resonator.

Rijst. 5.1. Schema van energieniveaus van een laser met vier niveaus.

Een strikte definitie van het modusvolume vereist een gedetailleerde bespreking, die wordt gegeven in bijlage B. Als resultaat hebben we de volgende definitie

waar is de verdeling van het elektrische veld in de resonator, E is de maximale waarde van dit veld, en de integratie wordt uitgevoerd over het volume dat wordt ingenomen door het actieve medium. Als een resonator met twee bolvormige spiegels wordt beschouwd, dan is de verhouding gelijk aan het reële deel van uitdrukking (4,95). Als voorbeeld kan een symmetrische resonator worden genoemd die bestaat uit twee spiegels waarvan de kromtestralen veel groter zijn dan de lengte van de resonator. Dan zal de grootte van de modusvlek ongeveer constant zijn over de gehele lengte van de resonator en gelijk aan de waarde in het midden van de resonator. Evenzo zal de kromtestraal van de equifase-oppervlakken voldoende groot zijn en kunnen de golffronten als vlak worden beschouwd. Dan van uitdrukking (4.95) voor de modus die we verkrijgen

hier stellen we Van uitdrukkingen (5.2) en (5.3) we hebben

waar is de lengte van het actieve medium. Bij het afleiden van deze uitdrukking hebben we rekening gehouden met het feit dat dit een langzaam variërende functie is, zodat we dus het voorkomen van een viervoud in de noemer van uitdrukking (5.4) het resultaat is van de volgende twee omstandigheden: 1) de aanwezigheid van de factor 1/2 is te wijten aan het feit dat de modus het karakter heeft van een staande golf, dus in overeenstemming met de bovenstaande redenering; 2) een andere factor 1/2 verschijnt vanwege het feit dat de vlekgrootte voor de veldamplitude E is, terwijl de vlekgrootte voor de veldintensiteit (d.w.z. uiteraard meerdere malen kleiner is).

Alvorens onze beschouwing voort te zetten, moet worden opgemerkt dat uitdrukking (5.1c) de term negeert die rekening houdt met spontane straling. In feite, zoals opgemerkt in hfst. 1, generatie vindt plaats als gevolg van spontane emissie; daarom moet worden verwacht dat vergelijkingen (5.1) geen correcte beschrijving geven van het begin van generatie. Inderdaad, als we in vergelijking (5.1 c) op het moment van de tijd zetten, dan krijgen we , dus generatie kan niet plaatsvinden. Om rekening te houden met spontane emissie, zou men opnieuw kunnen proberen om, uitgaande van een eenvoudige evenwichtsvoorwaarde, te beginnen met een term die in vergelijking (5.16) in de term komt.

dat in vergelijking (5.1c) de term, die rekening houdt met spontane straling, de volgende vorm zou moeten hebben: Dit is echter niet waar. In feite, zoals getoond in Sec. 2.4.3 [zie in het bijzonder uitdrukking (2.115)], spontane straling wordt verdeeld in een bepaald frequentie-interval en de vorm van zijn lijn wordt beschreven door de functie. In vergelijking (5.1 c) wordt de term echter rekening gehouden met spontane straling mag alleen die fractie van straling omvatten die bijdraagt aan de beschouwde modus. De juiste uitdrukking voor deze term kan alleen worden afgeleid uit een kwantummechanische beschouwing van het elektromagnetische veld van de resonatormodus. Het aldus verkregen resultaat is zeer eenvoudig en leerzaam. In het geval dat spontane straling in aanmerking wordt genomen, wordt vergelijking (5.1 c) omgezet in de vorm

Dit alles ziet eruit alsof we een "extra foton" hebben toegevoegd aan de term die overeenkomt met gestimuleerde emissie. Omwille van de eenvoud zullen we in wat volgt echter niet zo'n extra term met betrekking tot spontane emissie introduceren, maar in plaats daarvan aannemen dat er op het eerste moment al een bepaald klein aantal fotonen in de resonator aanwezig is. de introductie van dit kleine aantal fotonen, dat alleen nodig is voor het ontstaan van generatie, heeft in feite geen enkele invloed op de latere overweging.

Laten we nu beginnen met het afleiden van expliciete uitdrukkingen voor de grootheid B, die de vergelijkingen (5.16) en (5.1 c) invoert. Een rigoureuze uitdrukking voor deze grootheid wordt opnieuw afgeleid in bijlage B. Voor de meeste praktische doeleinden is een benaderende uitdrukking geschikt, die kan worden verkregen uit eenvoudige overwegingen. Om dit te doen, beschouwen we een resonator met een lengte waarin zich een actief medium bevindt met een lengte met een brekingsindex. We kunnen aannemen dat de resonatormodus wordt gevormd door een superpositie van twee golven die zich in tegengestelde richting voortplanten. Laat ik de intensiteit zijn van een van deze golven. In overeenstemming met uitdrukking (1.7), wanneer een golf door een laag van een actief medium gaat, verandert zijn intensiteit met de waarde waarbij a de overgangsdwarsdoorsnede is bij de frequentie van de beschouwde resonatormodus. Laten we nu de volgende grootheden bepalen: en zijn de transmissiecoëfficiënten van de twee resonatorspiegels in termen van vermogen; - de bijbehorende relatieve verliesfactoren op de spiegels; 3) Г, - relatieve coëfficiënt van interne verliezen per pas. Dan de verandering in intensiteit voor een volledige passage van de resonator

Hier en zijn de logaritmische verliezen per doorgang als gevolg van de transmissie van de spiegels, en zijn de interne logaritmische verliezen. Kortheidshalve noemen we y, en transmissieverliezen, en - interne verliezen. Zoals duidelijk zal worden in wat volgt, is vanwege de exponentiële aard van laserversterking opname met logaritmische verliezen veel handiger om verliezen in lasers weer te geven. Er moet echter worden opgemerkt dat, hoewel voor kleine transmissies, dit niet geldt voor grote transmissies. Laten we een voorbeeld geven: als we zetten dan krijgen we d.w.z. terwijl voor we hebben. Merk ook op dat het gebruik van uitdrukkingen (5.7) mogelijk is om het totale verlies per doorgang te bepalen:

Nadat we de logaritmische verliezen hebben bepaald, vervangen we uitdrukkingen (5.7) en (5.8) in (5.6). Introductie van een aanvullende voorwaarde

de exponentiële functie in (5.6) kan worden uitgebreid tot een machtreeks, en we krijgen

Laten we beide delen van deze uitdrukking delen door het tijdsinterval waarin de lichtgolf de resonator volledig passeert,

d.w.z. door de waarde waar wordt bepaald door de uitdrukking

Met behulp van de benadering krijgen we

Aangezien het aantal fotonen in de resonator evenredig is met de intensiteit, kan vergelijking (5.12) worden vergeleken met (5.1c). In dit geval krijgen we de volgende uitdrukkingen:

We zullen de waarde V het effectieve volume van de resonatormodus noemen. Merk op dat formule (5.136) generaliseert wat werd verkregen in Sec. 4.3 uitdrukking voor de levensduur van een foton. Bovendien is uitdrukking (5.14) voor het resonatorvolume slechts bij benadering geldig. In feite laat Appendix B zien dat in (5.13a) een meer rigoureuze uitdrukking voor V moet worden gebruikt, namelijk

hier wordt de eerste integraal genomen over het volume van het actieve medium en de tweede - over het resterende volume van de resonator. We merken echter op dat voor een symmetrische resonator met spiegels met een grote kromtestraal, beide uitdrukkingen (5.14) en (5.15) geven

Tot dusverre was onze overweging gericht op de rechtvaardiging van vergelijking (5.1c) en op de afleiding van expliciete uitdrukkingen voor B en in termen van de gemeten laserparameters. Er moet echter worden opgemerkt dat we ook de toepasbaarheidsgrenzen van vergelijking (5.1c) hebben aangegeven. Bij het afleiden van vergelijking (5.12) moesten we inderdaad benadering (5.9) gebruiken, volgens welke het verschil tussen winst en verlies klein is. Voor een cw-laser wordt altijd aan deze voorwaarde voldaan, aangezien in een stationair proces (zie paragraaf 5.3.1). Maar voor een gepulseerde laser is voorwaarde (5.9) alleen geldig wanneer de laser werkt met een kleine overschrijding boven de drempel. Als aan voorwaarde (5.9) niet wordt voldaan, dan zijn de vergelijkingen

Het is in onze tijd moeilijk om iemand te vinden die het woord nooit zou horen "laser" maar zeer weinigen begrijpen duidelijk wat het is.

In de halve eeuw sinds hun uitvinding zijn verschillende soorten lasers gebruikt in een breed scala van gebieden, van geneeskunde tot digitale technologie. Dus wat is een laser, wat is het principe van zijn werking en waar is hij voor?

Wat is een laser?

De mogelijkheid van het bestaan van lasers werd voorspeld door Albert Einstein, die in 1917 een paper publiceerde waarin hij sprak over de mogelijkheid dat elektronen lichte quanta van een bepaalde lengte uitstralen. Dit fenomeen werd gestimuleerde emissie genoemd, maar werd lange tijd als onrealistisch beschouwd vanuit technisch oogpunt.

Met de ontwikkeling van technische en technologische mogelijkheden is het creëren van een laser echter een kwestie van tijd geworden. In 1954 ontvingen de Sovjetwetenschappers N. Basov en A. Prokhorov de Nobelprijs voor de creatie van een maser, de eerste microgolfgenerator aangedreven door ammoniak. En in 1960 vervaardigde de Amerikaan T. Maiman de eerste kwantumgenerator van optische stralen, die hij een laser noemde (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Het apparaat zet energie om in optische straling van een nauwe richting, d.w.z. lichtstraal, een stroom van lichtquanta (fotonen) met een hoge concentratie.

Het werkingsprincipe van de laser:

Het fenomeen waarop de werking van de laser is gebaseerd, wordt gestimuleerde of geïnduceerde straling van het medium genoemd. Atomen van een bepaalde stof kunnen onder inwerking van andere fotonen fotonen uitzenden, terwijl de energie van het werkende foton gelijk moet zijn aan het verschil tussen de energieniveaus van het atoom voor en na bestraling.

Het uitgezonden foton is coherent met het foton dat de emissie veroorzaakte, d.w.z. precies zoals het eerste foton. Hierdoor wordt een zwakke lichtstroom in het medium versterkt, en niet willekeurig, maar in één bepaalde richting. Er wordt een bundel gestimuleerde straling gevormd, die een laser wordt genoemd.

Classificatie van lasers

Toen de aard en eigenschappen van lasers werden bestudeerd, werden verschillende soorten van deze bundels ontdekt. Afhankelijk van de toestand van de oorspronkelijke stof kunnen lasers zijn:

gas;
vloeistof;
vaste toestand;
op vrije elektronen.

Momenteel zijn er verschillende methoden ontwikkeld om een laserstraal te verkrijgen:

met behulp van een elektrische gloed of boogontlading in een gasvormig medium - gasontlading;
door heet gas uit te zetten en populatie-inversies te creëren - gasdynamiek;
door stroom door een halfgeleider te leiden met excitatie van het medium - diode of injectie;
door het medium optisch te verpompen met een flitslamp, LED, een andere laser, etc.;
door elektronenbundelpompen van het medium;
nucleair pompen na ontvangst van straling van een kernreactor;
met behulp van speciale chemische reacties - chemische lasers.

Ze hebben allemaal hun eigen kenmerken en verschillen, waardoor ze in verschillende industrieën worden gebruikt.

Praktisch gebruik van lasers

Tot op heden worden lasers van verschillende typen gebruikt in tientallen industrieën, medicijnen, IT-technologieën en andere activiteitsgebieden. Ze zijn gewend om:

snijden en lassen van metalen, kunststoffen, andere materialen;
het tekenen van afbeeldingen, inscripties en het markeren van het oppervlak van producten;
boren van ultradunne gaten; precisieverwerking van kristallijne halfgeleideronderdelen;
vorming van productcoatings door sproeien, verharden, oppervlaktelegeringen, enz.;
verzending van informatiepakketten via glasvezel;
uitvoering van chirurgische ingrepen en andere therapeutische effecten;
cosmetische procedures voor huidverjonging, verwijdering van defecte formaties, enz.;
gericht op verschillende soorten wapens, van handvuurwapens tot raketten;
creatie en gebruik van holografische methoden;
toepassing in verschillende onderzoeksprojecten;
meting van afstanden, coördinaten, dichtheid van werkmedia, stroomsnelheden en vele andere parameters;
lancering van chemische reacties voor het uitvoeren van verschillende technologische processen.