העיקרון הראשון של הלייזר, שהפיזיקה שלו התבססה על חוק הקרינה של פלאנק, ביססה תיאורטית איינשטיין ב-1917. הוא תיאר ספיגה, קרינה אלקטרומגנטית ספונטנית ומגורה באמצעות מקדמי הסתברות (מקדמי איינשטיין).
חלוצים
תיאודור מימן היה הראשון שהדגים את עקרון הפעולה של לייזר רובי המבוסס על שאיבה אופטית של אודם סינטטי עם מנורת הבזק, שהפיק קרינה קוהרנטית פועמת באורך גל של 694 ננומטר.
בשנת 1960, המדענים האיראנים ג'וואן ובנט יצרו את מחולל הגז הקוונטי הראשון באמצעות תערובת של 1:10 של גזי He ו-Ne.
בשנת 1962, RN Hall הדגים את הלייזר הראשון של דיודת גליום ארסניד (GaAs) הפולטת באורך גל של 850 ננומטר. מאוחר יותר באותה שנה, ניק גולוניאק פיתח את מחולל האור הנראה הקוונטי הראשון של מוליכים למחצה.
עיצוב ועיקרון הפעולה של לייזרים
כל מערכת לייזר מורכבת ממדיום פעיל המוצבבין זוג מראות מקבילות אופטית ורפלקטיביות במיוחד, שאחת מהן שקופה, לבין מקור אנרגיה לשאיבתה. מדיום ההגברה יכול להיות מוצק, נוזל או גז, בעל התכונה להגביר את משרעת גל האור העובר דרכו על ידי פליטה מעוררת בשאיבה חשמלית או אופטית. חומר מונח בין זוג מראות באופן שהאור המוחזר בהן עובר דרכו בכל פעם ולאחר שהגיע להגברה משמעותית, חודר למראה שקופה.
סביבות דו-שכבות
בואו נשקול את עקרון הפעולה של לייזר עם תווך פעיל, שלאטומים שלו יש רק שתי רמות אנרגיה: E2 ובסיסי E1 . אם אטומים נרגשים למצב E2 על ידי כל מנגנון שאיבה (אופטי, פריקה חשמלית, שידור זרם או הפצצת אלקטרונים), אז לאחר כמה ננו-שניות הם יחזרו למצב הקרקע, ויפלטו פוטונים של אנרגיה hν=E 2 - E1. לפי התיאוריה של איינשטיין, הפליטה נוצרת בשתי דרכים שונות: או שהיא מושרה על ידי פוטון, או שהיא מתרחשת באופן ספונטני. במקרה הראשון, מתרחשת פליטה מגורה, ובמקרה השני, פליטה ספונטנית. בשיווי משקל תרמי, ההסתברות לפליטת מגורה נמוכה בהרבה מהפליטה הספונטנית (1:1033), כך שרוב מקורות האור הקונבנציונליים אינם קוהרנטיים, ויצירת לייזר אפשרי בתנאים שאינם תרמיים. שיווי משקל.
אפילו עם חזק מאודשאיבה, אוכלוסיית המערכות הדו-מפלסיות יכולה להיעשות רק שווה. לכן, נדרשות מערכות של שלוש או ארבע רמות כדי להשיג היפוך אוכלוסיה בשיטות שאיבה אופטיות או אחרות.
מערכות מרובי-מפלס
מהו העיקרון של הלייזר בעל שלוש הרמות? הקרנה באור עז בתדר ν02 שואבת מספר רב של אטומים מרמת האנרגיה הנמוכה ביותר E0 לרמת האנרגיה הגבוהה ביותר E 2. המעבר הלא קרינתי של אטומים מ-E2 ל-E1 מבסס היפוך אוכלוסיה בין E1 ל-E 0 , מה שבפועל אפשרי רק כאשר האטומים נמצאים במצב גרא יציב לאורך זמן E1, והמעבר מ-E2ל-E 1 הולך מהר. עקרון הפעולה של לייזר תלת-מפלסי הוא למלא את התנאים הללו, שבגללם בין E0 ל-E1 מושגת היפוך אוכלוסיה ופוטונים מוגברים על ידי אנרגיה E 1-E0 פליטה נגרמת. רמה רחבה יותר של E2 עלולה להגדיל את טווח הספיגה של אורכי הגל לשאיבה יעילה יותר, וכתוצאה מכך לעלייה בפליטת הגירוי.
המערכת התלת-מפלסית דורשת כוח משאבה גבוה מאוד, מכיוון שהרמה הנמוכה יותר המעורבת ביצור היא הבסיס. במקרה זה, על מנת שהיפוך האוכלוסייה יתרחש, יש לשאוב יותר ממחצית ממספר האטומים הכולל למצב E1. בכך מתבזבזת אנרגיה. עוצמת השאיבה יכולה להיות משמעותיתירידה אם רמת הדור התחתון אינה הבסיסית, מה שמצריך לפחות מערכת של ארבע רמות.
בהתאם לאופי החומר הפעיל, הלייזרים מחולקים לשלוש קטגוריות עיקריות, כלומר מוצק, נוזל וגז. מאז 1958, כאשר נצפתה לייזר לראשונה בגביש אודם, מדענים וחוקרים חקרו מגוון רחב של חומרים בכל קטגוריה.
לייזר מוצק
עקרון הפעולה מבוסס על שימוש במדיום פעיל, שנוצר על ידי הוספת מתכת של קבוצת מעבר לסריג הקריסטל המבודד (Ti+3, Cr +3, V+2, С+2, Ni+2, Fe +2 וכו'), יוני אדמה נדירים (Ce+3, Pr+3, Nd +3, Pm+3, Sm+2, Eu +2, +3 , Tb+3, Dy+3, Ho+3 , Er +3, Yb+3 וכו'), ואקטינידים כמו U+3. רמות האנרגיה של היונים אחראיות רק לייצור. התכונות הפיזיקליות של חומר הבסיס, כגון מוליכות תרמית והתפשטות תרמית, חיוניות לפעולת לייזר יעילה. סידור אטומי הסריג סביב יון מסומם משנה את רמות האנרגיה שלו. אורכי גל שונים של יצירה בתווך הפעיל מושגים על ידי סימום חומרים שונים עם אותו יון.
הולמיום לייזר
דוגמה ללייזר במצב מוצק היא מחולל קוונטי, שבו הולמיום מחליף אטום של חומר הבסיס של סריג הגביש. Ho:YAG הוא אחד מחומרי הדור הטובים ביותר. עקרון הפעולה של לייזר הולמיום הוא שנופך אלומיניום איטריום מסומם ביוני הולמיום, נשאב אופטית על ידי מנורת הבזק ופולט באורך גל של 2097 ננומטר בטווח ה-IR, אשר נספג היטב ברקמות. לייזר זה משמש לניתוחים במפרקים, בטיפול בשיניים, לאידוי תאים סרטניים, כליות ואבני מרה.
מחולל קוונטי מוליכים למחצה
לייזרי באר קוונטים הם לא יקרים, ניתנים לייצור המוני וניתנים להרחבה בקלות. עקרון הפעולה של לייזר מוליכים למחצה מבוסס על שימוש בדיודת צומת p-n, המייצרת אור באורך גל מסוים על ידי ריקומבינציה נושאת בהטיה חיובית, בדומה לנוריות LED. LED פולט באופן ספונטני, ודיודות לייזר - מאולץ. כדי למלא את תנאי היפוך האוכלוסייה, זרם ההפעלה חייב לחרוג מערך הסף. למדיום הפעיל בדיודה מוליכים למחצה יש צורה של אזור חיבור של שתי שכבות דו-ממדיות.
עקרון הפעולה של לייזר מסוג זה הוא כזה שלא נדרשת מראה חיצונית כדי לשמור על תנודות. השתקפות הנוצרת ממקדם השבירה של השכבות וההשתקפות הפנימית של המדיום הפעיל מספיקה לשם כך. משטחי הקצה של הדיודות משובצים, מה שמבטיח שהמשטחים המחזירים יהיו מקבילים.
חיבור שנוצר מחומרים מוליכים למחצה מאותו סוג נקרא הומוג'נקציה, וחיבור שנוצר מחיבור של שניים שונים נקראהטרוצומת.
מוליכים למחצה מסוג P ו-n עם צפיפות נושאים גבוהה יוצרים צומת p-n עם שכבת דלדול דקה מאוד (≈1 מיקרומטר).
לייזר גז
עקרון הפעולה והשימוש בלייזר מסוג זה מאפשר ליצור מכשירים כמעט בכל הספק (ממיליוואט ועד מגה וואט) ואורכי גל (מ-UV ל-IR) ומאפשר לעבוד במצבי פולסים ורציפים. בהתבסס על אופי המדיה הפעילה, ישנם שלושה סוגים של מחוללי גז קוונטים, כלומר אטומיים, יוניים ומולקולריים.
רוב לייזר הגז נשאבים עם פריקה חשמלית. האלקטרונים בצינור הפריקה מואצים על ידי השדה החשמלי בין האלקטרודות. הם מתנגשים עם אטומים, יונים או מולקולות של המדיום הפעיל ומעוררים מעבר לרמות אנרגיה גבוהות יותר כדי להשיג מצב אוכלוסיה של היפוך ופליטות מגורה.
לייזר מולקולרי
עקרון הפעולה של לייזר מבוסס על העובדה שבניגוד לאטומים ויונים מבודדים, למולקולות במחוללי קוונטים אטומיים ויונים יש פסי אנרגיה רחבים של רמות אנרגיה נפרדות. יתרה מכך, לכל רמת אנרגיה אלקטרונית יש מספר רב של רמות רטט, ולאלו, בתורן, יש מספר רמות סיבוב.
האנרגיה בין רמות האנרגיה האלקטרונית נמצאת באזורי ה-UV והנראה של הספקטרום, בעוד שבין רמות הרטט-סיבוב - ב-IR הרחוק והקרובאזורים. לפיכך, רוב מחוללי הקוונטים המולקולריים פועלים באזורי אינפרא אדום רחוקים או קרובים.
לייזר אקצימר
Excimers הן מולקולות כגון ArF, KrF, XeCl, בעלות מצב קרקע מופרד והן יציבות ברמה הראשונה. עקרון הפעולה של הלייזר הוא כדלקמן. ככלל, מספר המולקולות במצב היסוד קטן, ולכן לא מתאפשרת שאיבה ישירה ממצב הקרקע. מולקולות נוצרות במצב האלקטרוני הנרגש הראשון על ידי שילוב של הלידים עתירי אנרגיה עם גזים אינרטיים. אוכלוסיית ההיפוך מושגת בקלות, מכיוון שמספר המולקולות ברמת הבסיס קטן מדי בהשוואה לזו הנרגשת. עקרון הפעולה של לייזר, בקיצור, הוא המעבר ממצב אלקטרוני נרגש למצב קרקע דיסוציאטיבי. האוכלוסייה במצב הקרקע תמיד נשארת ברמה נמוכה, מכיוון שהמולקולות בשלב זה מתפרקות לאטומים.
התקן ועיקרון הפעולה של לייזרים הוא שצינור הפריקה מלא בתערובת של הליד (F2) וגז אדמה נדירה (Ar). האלקטרונים שבו מתנתקים ומייננים מולקולות הליד ויוצרים יונים בעלי מטען שלילי. יונים חיוביים Ar+ ושלילי F- מגיבים ומייצרים מולקולות ArF במצב קשור הנרגש הראשון עם המעבר שלהן לאחר מכן למצב הבסיס הדוחה ויצירת מולקולות של ArF. קרינה קוהרנטית. ניתן להשתמש בלייזר האקסימר, שעיקרון הפעולה והיישום שלו אנו שוקלים כעת, לשאיבהמדיום פעיל על צבעים.
לייזר נוזלי
בהשוואה למוצקים, נוזלים הומוגניים יותר ויש להם צפיפות גבוהה יותר של אטומים פעילים מאשר גזים. בנוסף לכך, הם קלים לייצור, מאפשרים פיזור חום קל וניתנים להחלפה בקלות. עקרון הפעולה של הלייזר הוא שימוש בצבעים אורגניים כמדיום פעיל, כגון DCM (4-dicyanomethylene-2-methyl-6-p-dimethylaminostyryl-4H-pyran), rhodamine, styryl, LDS, coumarin, stilbene, וכו' …, מומס בממס מתאים. תמיסה של מולקולות צבע נרגשת על ידי קרינה שלאורך הגל שלה יש מקדם בליעה טוב. עקרון הפעולה של הלייזר, בקיצור, הוא ליצור באורך גל ארוך יותר, הנקרא פלואורסצנטי. ההבדל בין אנרגיה נספגת לפוטונים הנפלטים משמש במעברי אנרגיה לא קרינה ומחמם את המערכת.
לרצועת הקרינה הרחבה יותר של מחוללי קוונטים נוזליים יש תכונה ייחודית - כוונון אורך גל. עקרון הפעולה והשימוש בלייזר מסוג זה כמקור אור מתכוונן וקוהרנטי הופך חשוב יותר ויותר בספקטרוסקופיה, הולוגרפיה ויישומים ביו-רפואיים.
לאחרונה נעשה שימוש במחוללי צבע להפרדת איזוטופים. במקרה זה, הלייזר מעורר באופן סלקטיבי אחד מהם, מה שגורם להם להיכנס לתגובה כימית.
