Parimi i parë i lazerit, fizika e të cilit bazohej në ligjin e rrezatimit të Planck, u vërtetua teorikisht nga Ajnshtajni në 1917. Ai përshkroi thithjen, rrezatimin elektromagnetik spontan dhe të stimuluar duke përdorur koeficientët e probabilitetit (koeficientët e Ajnshtajnit).
Pioneers
Theodor Meiman ishte i pari që demonstroi parimin e funksionimit të një lazeri rubin bazuar në pompimin optik të rubinit sintetik me një llambë ndezëse, e cila prodhonte rrezatim koherent pulsues me një gjatësi vale 694 nm.
Në vitin 1960, shkencëtarët iranianë Javan dhe Bennett krijuan gjeneratorin e parë kuantik të gazit duke përdorur një përzierje 1:10 të gazeve He dhe Ne.
Në vitin 1962, RN Hall demonstroi lazerin e parë me diodë të arsenidit të galiumit (GaAs) që lëshonte në një gjatësi vale prej 850 nm. Më vonë atë vit, Nick Golonyak zhvilloi gjeneratorin e parë kuantik të dritës së dukshme gjysmëpërçuese.
Dizajni dhe parimi i funksionimit të lazerëve
Çdo sistem lazer përbëhet nga një medium aktiv i vendosurndërmjet një çifti pasqyrash optike paralele dhe shumë reflektuese, njëra prej të cilave është e tejdukshme dhe një burim energjie për pompimin e saj. Mjeti i amplifikimit mund të jetë i ngurtë, i lëngët ose i gaztë, i cili ka vetinë të përforcojë amplitudën e një vale drite që kalon përmes saj me emetim të stimuluar me pompim elektrik ose optik. Një substancë vendoset midis një çifti pasqyrash në mënyrë të tillë që drita e reflektuar në to të kalojë çdo herë përmes saj dhe, pasi të ketë arritur një përforcim të konsiderueshëm, të depërtojë në një pasqyrë të tejdukshme.
Mjediset me dy nivele
Le të shqyrtojmë parimin e funksionimit të një lazeri me një mjedis aktiv, atomet e të cilit kanë vetëm dy nivele energjie: E2 të ngacmuar dhe E1 bazë. . Nëse atomet ngacmohen në gjendjen E2 nga ndonjë mekanizëm pompimi (optik, shkarkimi elektrik, transmetimi i rrymës ose bombardimi elektronik), atëherë pas disa nanosekonda ata do të kthehen në pozicionin e tokës, duke emetuar fotone e energjisë hν=E 2 - E1. Sipas teorisë së Ajnshtajnit, emetimi prodhohet në dy mënyra të ndryshme: ose induktohet nga një foton, ose ndodh spontanisht. Në rastin e parë, ndodh emetimi i stimuluar, dhe në rastin e dytë, emetimi spontan. Në ekuilibrin termik, probabiliteti i emetimit të stimuluar është shumë më i ulët se emetimi spontan (1:1033), kështu që shumica e burimeve konvencionale të dritës janë jokoherente dhe gjenerimi me lazer është i mundur në kushte të tjera përveç termike ekuilibri.
Edhe me shumë të fortapompimi, popullsia e sistemeve me dy nivele mund të bëhet vetëm e barabartë. Prandaj, nevojiten sisteme me tre ose katër nivele për të arritur përmbysjen e popullsisë me metoda optike ose metoda të tjera pompimi.
Sisteme me shumë nivele
Cili është parimi i lazerit me tre nivele? Rrezatimi me dritë intensive të frekuencës ν02 pompon një numër të madh atomesh nga niveli më i ulët i energjisë E0 në nivelin më të lartë të energjisë E 2. Tranzicioni jo-rrezatues i atomeve nga E2 në E1 vendos një përmbysje të popullsisë midis E1 dhe E 0 , që në praktikë është e mundur vetëm kur atomet janë në gjendje metastabile për një kohë të gjatë E1, dhe kalimi nga E2në E 1 po shkon shpejt. Parimi i funksionimit të një lazeri me tre nivele është përmbushja e këtyre kushteve, për shkak të të cilave midis E0 dhe E1 arrihet një përmbysje e popullsisë dhe fotoneve përforcohen nga energjia E 1-E0 emetim i induktuar. Një nivel më i gjerë i E2 mund të rrisë gamën e thithjes së gjatësisë së valës për pompim më efikas, duke rezultuar në një rritje të emetimit të stimuluar.
Sistemi me tre nivele kërkon një fuqi pompë shumë të lartë, pasi niveli më i ulët i përfshirë në gjenerim është ai bazë. Në këtë rast, në mënyrë që të ndodhë përmbysja e popullsisë, më shumë se gjysma e numrit total të atomeve duhet të pompohet në gjendjen E1. Duke vepruar kështu, energjia humbet. Fuqia e pompimit mund të jetë e konsiderueshmeulet nëse niveli i gjenerimit të ulët nuk është ai bazë, i cili kërkon të paktën një sistem me katër nivele.
Në varësi të natyrës së substancës aktive, lazerët ndahen në tre kategori kryesore, përkatësisht, të ngurtë, të lëngët dhe të gaztë. Që nga viti 1958, kur lasing u vëzhgua për herë të parë në një kristal rubini, shkencëtarët dhe studiuesit kanë studiuar një shumëllojshmëri të gjerë materialesh në secilën kategori.
Lazer në gjendje të ngurtë
Parimi i funksionimit bazohet në përdorimin e një mediumi aktiv, i cili formohet duke shtuar një metal të grupit kalimtar në rrjetën kristalore izoluese (Ti+3, Cr +3, V+2, С+2, Ni+2, Fe +2, etj.), Jonet e rralla të tokës (Ce+3, Pr+3, Nd +3, Pm+3, Sm+2, Eu +2, +3 , Tb+3, Dy+3, Ho+3 , Er +3, Yb+3, etj.), dhe aktinide si U+3. Nivelet e energjisë së joneve janë përgjegjëse vetëm për gjenerimin. Vetitë fizike të materialit bazë, të tilla si përçueshmëria termike dhe zgjerimi termik, janë thelbësore për funksionimin efikas të lazerit. Rregullimi i atomeve të rrjetës rreth një joni të dopuar ndryshon nivelet e tij të energjisë. Gjatësi vale të ndryshme të gjenerimit në mjedisin aktiv arrihen duke dopinguar materiale të ndryshme me të njëjtin jon.
Lazer holmiumi
Një shembull i një lazeri në gjendje të ngurtë është një gjenerator kuantik, në të cilin holmiumi zëvendëson një atom të substancës bazë të rrjetës kristalore. Ho:YAG është një nga materialet më të mira të gjenerimit. Parimi i funksionimit të një lazeri holmiumi është që granati i aluminit të ittriumit është i dopuar me jone holmiumi, pompohet optikisht nga një llambë ndezëse dhe lëshon në një gjatësi vale prej 2097 nm në intervalin IR, i cili absorbohet mirë nga indet. Ky lazer përdoret për operacione në kyçe, në trajtimin e dhëmbëve, për avullimin e qelizave kancerogjene, të veshkave dhe gurëve të tëmthit.
Gjenerator kuantik gjysmëpërçues
Lazerët kuantikë të puseve janë të lira, të prodhuar në masë dhe lehtësisht të shkallëzueshëm. Parimi i funksionimit të një lazeri gjysmëpërçues bazohet në përdorimin e një diode kryqëzimi p-n, e cila prodhon dritë të një gjatësi vale të caktuar nga rikombinimi i bartësit në një paragjykim pozitiv, të ngjashëm me LED. LED lëshojnë spontanisht, dhe diodat lazer - të detyruara. Për të përmbushur kushtin e përmbysjes së popullsisë, rryma e funksionimit duhet të kalojë vlerën e pragut. Mjeti aktiv në një diodë gjysmëpërçuese ka formën e një rajoni lidhës të dy shtresave dydimensionale.
Parimi i funksionimit të këtij lloji lazeri është i tillë që nuk kërkohet asnjë pasqyrë e jashtme për të ruajtur lëkundjet. Reflektueshmëria e krijuar nga indeksi i thyerjes së shtresave dhe reflektimi i brendshëm i mediumit aktiv është i mjaftueshëm për këtë qëllim. Sipërfaqet fundore të diodave janë të copëtuara, gjë që siguron që sipërfaqet reflektuese të jenë paralele.
Një lidhje e formuar nga materiale gjysmëpërçuese të të njëjtit lloj quhet homobashkim dhe një lidhje e krijuar nga një lidhje e dy të ndryshme quhetheterobashkim.
Gjysmëpërçuesit e tipit P dhe n me densitet të lartë bartës formojnë një kryqëzim p-n me një shtresë shumë të hollë zbrazjeje (≈1 µm).
Lazer me gaz
Parimi i funksionimit dhe përdorimit të këtij lloji lazeri ju lejon të krijoni pajisje me pothuajse çdo fuqi (nga milivat në megavat) dhe gjatësi vale (nga UV në IR) dhe ju lejon të punoni në mënyra pulsuese dhe të vazhdueshme. Bazuar në natyrën e mediave aktive, ekzistojnë tre lloje të gjeneratorëve kuantikë të gazit, përkatësisht atomike, jonike dhe molekulare.
Shumica e lazerëve të gazit pompohen me një shkarkesë elektrike. Elektronet në tubin e shkarkimit përshpejtohen nga fusha elektrike midis elektrodave. Ato përplasen me atomet, jonet ose molekulat e mediumit aktiv dhe nxisin një kalim në nivele më të larta energjie për të arritur një gjendje inversioni të popullsisë dhe emetim të stimuluar.
Lazer molekular
Parimi i funksionimit të një lazeri bazohet në faktin se, ndryshe nga atomet dhe jonet e izoluara, molekulat në gjeneratorët kuantikë atomikë dhe jonikë kanë breza të gjerë energjie të niveleve diskrete të energjisë. Për më tepër, çdo nivel energjie elektronike ka një numër të madh nivelesh vibruese, dhe ato, nga ana tjetër, kanë disa nivele rrotulluese.
Energjia midis niveleve të energjisë elektronike është në rajonet UV dhe të dukshme të spektrit, ndërsa midis niveleve vibruese-rrotulluese - në IR të largët dhe të afërtzonave. Kështu, shumica e gjeneratorëve kuantikë molekularë veprojnë në rajonet infra të kuqe të largëta ose të afërta.
Lazer excimer
Eksimerët janë molekula të tilla si ArF, KrF, XeCl, të cilat kanë një gjendje bazë të ndarë dhe janë të qëndrueshme në nivelin e parë. Parimi i funksionimit të lazerit është si më poshtë. Si rregull, numri i molekulave në gjendjen bazë është i vogël, kështu që pompimi i drejtpërdrejtë nga gjendja bazë nuk është i mundur. Molekulat formohen në gjendjen e parë elektronike të ngacmuar duke kombinuar halide me energji të lartë me gaze inerte. Popullsia e përmbysjes arrihet lehtësisht, pasi numri i molekulave në nivelin bazë është shumë i vogël në krahasim me atë të ngacmuar. Parimi i funksionimit të një lazeri, me pak fjalë, është kalimi nga një gjendje elektronike e ngacmuar e lidhur në një gjendje bazë disociuese. Popullsia në gjendjen bazë mbetet gjithmonë në një nivel të ulët, sepse molekulat në këtë pikë shpërndahen në atome.
Pajisja dhe parimi i funksionimit të lazerëve është që tubi i shkarkimit të jetë i mbushur me një përzierje halide (F2) dhe gaz të tokës së rrallë (Ar). Elektronet në të shpërndajnë dhe jonizojnë molekulat halide dhe krijojnë jone të ngarkuar negativisht. Jonet pozitive Ar+ dhe F- reagojnë dhe prodhojnë molekula ArF në gjendjen e parë të lidhur të ngacmuar me kalimin e tyre të mëvonshëm në gjendjen bazë repulsive dhe gjenerimin e rrezatimi koherent. Lazeri excimer, parimi i funksionimit dhe aplikimit të të cilit po shqyrtojmë tani, mund të përdoret për të pompuarmedium aktiv në ngjyra.
Lazer i lëngshëm
Krahasuar me trupat e ngurtë, lëngjet janë më homogjene dhe kanë një densitet më të lartë të atomeve aktive sesa gazrat. Përveç kësaj, ato janë të lehta për t'u prodhuar, lejojnë shpërndarje të lehtë të nxehtësisë dhe mund të zëvendësohen lehtësisht. Parimi i funksionimit të lazerit është përdorimi i ngjyrave organike si një medium aktiv, si DCM (4-dikyanometilen-2-metil-6-p-dimetilaminostyryl-4H-piran), rodaminë, stiril, LDS, kumarin, stilben, etj…, i tretur në një tretës të përshtatshëm. Një zgjidhje e molekulave të bojës ngacmohet nga rrezatimi, gjatësia e valës së të cilit ka një koeficient të mirë përthithjeje. Parimi i funksionimit të lazerit, me pak fjalë, është të gjenerojë në një gjatësi vale më të madhe, të quajtur fluoreshencë. Dallimi midis energjisë së absorbuar dhe fotoneve të emetuara përdoret nga tranzicionet e energjisë jo-rrezatuese dhe ngroh sistemin.
Brezi më i gjerë i fluoreshencës i gjeneratorëve kuantikë të lëngshëm ka një veçori unike - akordimin e gjatësisë valore. Parimi i funksionimit dhe përdorimi i këtij lloji lazeri si një burim drite i sintonizueshëm dhe koherent po bëhet gjithnjë e më i rëndësishëm në spektroskopi, holografi dhe aplikime biomjekësore.
Kohët e fundit, gjeneratorët kuantikë me ngjyra janë përdorur për ndarjen e izotopeve. Në këtë rast, lazeri eksiton në mënyrë selektive njërën prej tyre, duke i shtyrë ata të hyjnë në një reaksion kimik.
