Het eerste principe van de laser, waarvan de fysica gebaseerd was op de stralingswet van Planck, werd in 1917 theoretisch onderbouwd door Einstein. Hij beschreef absorptie, spontane en gestimuleerde elektromagnetische straling met behulp van waarschijnlijkheidscoëfficiënten (Einstein-coëfficiënten).
Pioniers
Theodor Meiman was de eerste die het werkingsprincipe demonstreerde van een robijnlaser op basis van optisch pompen van 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 galliumarsenide (GaAs) diodelaser met een golflengte van 850 nm. Later dat jaar ontwikkelde Nick Golonyak de eerste halfgeleider-kwantumgenerator voor zichtbaar licht.
Ontwerp en werkingsprincipe van lasers
Elk lasersysteem bestaat uit een geplaatst actief mediumtussen een paar optisch evenwijdige en sterk reflecterende spiegels, waarvan er één doorschijnend 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. Een stof wordt op een zodanige manier tussen een paar spiegels geplaatst dat het erin weerkaatste licht er elke keer doorheen gaat en, nadat het een aanzienlijke versterking heeft bereikt, een doorschijnende spiegel doordringt.
Tweelaagse omgevingen
Laten we eens kijken naar het werkingsprincipe van een laser met een actief medium, waarvan de atomen slechts twee energieniveaus hebben: aangeslagen E2 en basis E1. Als atomen worden geëxciteerd tot de toestand E2 door een pompmechanisme (optische, elektrische ontlading, stroomtransmissie of elektronenbombardement), zullen ze na een paar nanoseconden terugkeren naar de grondpositie en fotonen uitzenden van energie hν=E 2 - E1. 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 geval spontane emissie. Bij thermisch evenwicht is de kans op gestimuleerde emissie veel lager dan spontane emissie (1:1033), dus de meeste conventionele lichtbronnen zijn onsamenhangend en lasergeneratie is mogelijk in andere omstandigheden dan thermische evenwicht.
Zelfs met heel sterkpompen, kan de populatie 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.
Multilevel-systemen
Wat is het principe van de laser met drie niveaus? Bestraling met intens licht van frequentie ν02 pompt een groot aantal atomen van het laagste energieniveau E0 naar het hoogste energieniveau E 2. De niet-stralingsovergang van atomen van E2 naar E1 zorgt voor een populatie-inversie tussen E1 en E 0 , wat in de praktijk alleen mogelijk is als de atomen zich gedurende lange tijd in een metastabiele toestand bevinden E1, en de overgang van E2naar E 1 gaat snel. Het werkingsprincipe van een laser met drie niveaus is om aan deze voorwaarden te voldoen, waardoor tussen E0 en E1 een populatie-inversie wordt bereikt en fotonen worden versterkt door energie E 1-E0 geïnduceerde emissie. Een groter niveau van E2 zou het absorptiebereik van de golflengte kunnen vergroten voor efficiënter pompen, wat resulteert in een toename van de gestimuleerde emissie.
Het 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. De pompkracht kan aanzienlijk zijn:verminderen als het lagere generatieniveau niet het basisniveau is, waarvoor ten minste een systeem met vier niveaus nodig is.
Afhankelijk van de aard van de werkzame stof, worden lasers onderverdeeld 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 grote verscheidenheid aan materialen in elke categorie bestudeerd.
Solid State Laser
Het werkingsprincipe is gebaseerd op het gebruik van een actief medium, dat wordt gevormd door een overgangsgroepmetaal toe te voegen aan het isolerende kristalrooster (Ti+3, Cr +3, V+2, С+2, Ni+2, Fe +2, enz.), 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, etc.), en actiniden zoals U+3. De energieniveaus van de ionen zijn alleen verantwoordelijk voor de opwekking. De fysieke eigenschappen van het basismateriaal, zoals thermische geleidbaarheid en thermische uitzetting, zijn essentieel voor een efficiënte laserwerking. De rangschikking van roosteratomen rond een gedoteerd ion verandert zijn energieniveaus. Verschillende generaties van generatie in het actieve medium worden bereikt door verschillende materialen met hetzelfde ion te doteren.
Holmiumlaser
Een voorbeeld van een vastestoflaser 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
Quantumbronlasers zijn goedkoop, in massa te produceren en 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 reflectiviteit die wordt gecreëerd door de brekingsindex van de lagen en de interne reflectie van het actieve medium is hiervoor voldoende. De eindvlakken van de diodes zijn gechipt, wat ervoor zorgt dat de reflecterende oppervlakken evenwijdig zijn.
Een verbinding gevormd door halfgeleidermaterialen van hetzelfde type wordt een homojunctie genoemd, en een verbinding die is gemaakt door een verbinding van twee verschillende wordt genoemdheterojunctie.
P- en n-type halfgeleiders met een hoge dragerdichtheid vormen een pn-overgang met een zeer dunne (≈1 µm) uitputtingslaag.
Gaslaser
Het werkingsprincipe en het gebruik van dit type laser stelt u in staat apparaten te maken van bijna elk vermogen (van milliwatt tot megawatt) en golflengten (van UV tot IR) 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 met 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 een populatietoestand van inversie en gestimuleerde emissie te bereiken.
Moleculaire laser
Het werkingsprincipe van een laser is gebaseerd op het feit dat, in tegenstelling tot geïsoleerde atomen en ionen, moleculen in atomaire en ionenkwantumgeneratoren brede energiebanden met discrete energieniveaus hebben. Bovendien heeft elk elektronisch energieniveau een groot aantal trillingsniveaus, en die hebben op hun beurt verschillende rotatieniveaus.
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 IRgebieden. De meeste moleculaire kwantumgeneratoren werken dus in de verre of nabije infraroodregio's.
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 is gevuld met een mengsel van halogenide (F2) en zeldzaam aardgas (Ar). De elektronen erin dissociëren en ioniseren halogenidemoleculen en creëren negatief geladen ionen. Positieve ionen Ar+ en negatieve F- reageren en produceren ArF-moleculen in de eerste aangeslagen toestand met hun daaropvolgende 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 te pompenactief medium op kleurstoffen.
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 geabsorbeerde energie en uitgezonden fotonen wordt gebruikt door niet-stralingsenergieovergangen en verwarmt het systeem.
De bredere fluorescentieband van vloeibare kwantumgeneratoren heeft een uniek kenmerk: 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.
