Laser – Gerät und Funktionsprinzip

Normales Verhalten von Licht beim Durchgang durch ein Medium

Wenn Licht ein Medium durchdringt, nimmt normalerweise seine Intensität ab. Der Zahlenwert dieser Dämpfung kann dem Bouguerschen Gesetz entnommen werden:

In dieser Gleichung gibt es zusätzlich zu den Lichtintensitäten I, die in das Medium ein- und austreten, auch einen Faktor, der als linearer Lichtabsorptionskoeffizient des Mediums bezeichnet wird. In der traditionellen Optik ist dieser Koeffizient immer positiv.

Negative Lichtabsorption

Was passiert, wenn der Absorptionskoeffizient aus irgendeinem Grund negativ ist? Was dann? Das Licht wird beim Durchgang durch das Medium verstärkt. Tatsächlich zeigt das Medium eine negative Absorption.

Die Bedingungen für die Beobachtung eines solchen Bildes können künstlich geschaffen werden. Das theoretische Konzept zur Umsetzung des vorgeschlagenen Phänomens wurde 1939 vom sowjetischen Physiker Valentin Alexandrowitsch Fabrikant formuliert.

Im Zuge der Analyse eines hypothetischen lichtverstärkenden Mediums, das durch das Medium strömt, schlug Fabrikant das Prinzip der Lichtverstärkung vor. Und im Jahr 1955Die sowjetischen Physiker Nikolai Genadjewitsch Basow und Alexander Michailowitsch Prochorow wandten diese Fabrikant-Idee auf den Hochfrequenzbereich des elektromagnetischen Spektrums an.

Bedenken Sie die physische Seite der Möglichkeit einer negativen Absorption. In einer idealisierten Form können die Energieniveaus von Atomen als Linien dargestellt werden – als ob die Atome in jedem Zustand nur genau definierte Energien E1 und E2 hätten. Das bedeutet, dass ein Atom beim Übergang von einem Zustand in einen anderen Zustand ausschließlich monochromatisches Licht einer genau definierten Wellenlänge aussendet oder absorbiert.

Aber die Realität ist alles andere als ideal, und tatsächlich haben die Energieniveaus von Atomen eine bestimmte endliche Breite, das heißt, sie sind keine Linien mit exakten Werten. Daher gibt es bei Übergängen zwischen Niveaus auch einen bestimmten Bereich emittierter oder absorbierter Frequenzen dv, der von der Breite der Energieniveaus abhängt, zwischen denen der Übergang stattfindet. Mit den Werten E1 und E2 können nur die mittleren Energieniveaus des Atoms bezeichnet werden.

Da wir also angenommen haben, dass E1 und E2 die Mittelpunkte der Energieniveaus sind, können wir ein Atom in diesen beiden Zuständen betrachten. Sei E2>E1. Ein Atom kann elektromagnetische Strahlung entweder absorbieren oder emittieren, wenn es sich zwischen diesen Ebenen bewegt. Nehmen wir an, dass ein Atom im Grundzustand E1 externe Strahlung mit der Energie E2-E1 absorbiert und in einen angeregten Zustand E2 übergeht (die Wahrscheinlichkeit eines solchen Übergangs ist proportional zum Einstein-Koeffizienten B12).

Im angeregten Zustand E2 emittiert das Atom unter Einwirkung externer Strahlung mit der Energie E2-E1 ein Quant mit der Energie E2-E1 und wird zum Übergang in den Grundzustand mit der Energie E1 gezwungen (die Wahrscheinlichkeit eines solchen Übergangs ist proportional zu der Einstein-Koeffizient B21).

Wenn ein paralleler Strahl monochromatischer Strahlung mit der spektralen Volumendichte w (v) eine Substanz durchdringt, deren Schicht eine Einheitsquerschnittsfläche und eine Dicke dx hat, ändert sich seine Intensität um den Wert:

Dabei ist n1 die Konzentration der Atome in den E1-Zuständen, n2 die Konzentration der Atome in den E2-Zuständen.

Wenn wir die Bedingungen auf der rechten Seite der Gleichung einsetzen, unter der Annahme, dass B21 = B12, und dann den Ausdruck für B21 einsetzen, erhalten wir die Gleichung für die Änderung der Lichtintensität bei schmalen Energieniveaus:

In der Praxis sind die Energieniveaus, wie oben erwähnt, nicht unendlich schmal, daher muss ihre Breite berücksichtigt werden. Um den Artikel nicht mit einer Beschreibung von Transformationen und einer Reihe von Formeln zu überladen, stellen wir einfach fest, dass wir durch die Eingabe eines Frequenzbereichs und die anschließende Integration über x am Ende eine Formel zum Ermitteln des tatsächlichen Absorptionskoeffizienten eines Durchschnitts erhalten:

Da es offensichtlich ist, dass unter Bedingungen des thermodynamischen Gleichgewichts die Konzentration n1 der Atome im niedrigeren Energiezustand E1 immer größer ist als die Konzentration n2 der Atome im höheren Energiezustand E2, ist eine negative Absorption unter normalen Bedingungen unmöglich, es ist unmöglich, sie zu verstärken Licht, indem Sie einfach durch eine reale Umgebung gehen, ohne zusätzliche Maßnahmen zu ergreifen ...

Damit eine negative Absorption möglich wird, müssen Bedingungen geschaffen werden, unter denen die Konzentration der Atome im angeregten Zustand E2 im Medium größer ist als die Konzentration der Atome im Grundzustand E1, d. h. es ist eine Organisation erforderlich eine umgekehrte Verteilung der Atome im Medium entsprechend ihrem Energiezustand.

Die Notwendigkeit, die Umwelt mit Energie zu pumpen

Um eine invertierte Population von Energieniveaus zu organisieren (um ein aktives Medium zu erhalten), wird Pumpen (z. B. optisch oder elektrisch) verwendet. Beim optischen Pumpen wird die von Atomen auf sie gerichtete Strahlung absorbiert, wodurch diese Atome in einen angeregten Zustand übergehen.

Beim elektrischen Pumpen in einem Gasmedium werden Atome durch inelastische Stöße mit Elektronen in der Gasentladung angeregt. Laut Fabrikant müssen einige der niederenergetischen Zustände von Atomen durch molekulare Verunreinigungen beseitigt werden.

Es ist praktisch unmöglich, durch optisches Pumpen in einem Zwei-Ebenen-Medium ein aktives Medium zu erhalten, da die Übergänge der Atome pro Zeiteinheit vom Zustand E1 zum Zustand E2 und umgekehrt (!) in diesem Fall quantitativ gleichwertig sind, was bedeutet, dass es ist notwendig, auf mindestens ein dreistufiges System zurückzugreifen.

Betrachten Sie ein dreistufiges Pumpsystem. Lassen Sie die äußere Strahlung mit der Photonenenergie E3-E1 auf das Medium einwirken, während die Atome im Medium vom Zustand mit der Energie E1 in den Zustand mit der Energie E3 übergehen. Vom Energiezustand E3 sind spontane Übergänge in den Zustand E2 und nach E1 möglich. Um eine invertierte Population zu erhalten (wenn es in einem bestimmten Medium mehr Atome mit dem E2-Niveau gibt), ist es notwendig, das E2-Niveau langlebiger zu machen als das E3-Niveau. Hierzu ist es wichtig, folgende Bedingungen einzuhalten:

Die Einhaltung dieser Bedingungen führt dazu, dass Atome im E2-Zustand länger bleiben, d. h. die Wahrscheinlichkeit spontaner Übergänge von E3 nach E1 und von E3 nach E2 übersteigt die Wahrscheinlichkeit spontaner Übergänge von E2 nach E1. Dann wird sich herausstellen, dass das E2-Niveau länger anhält, und ein solcher Zustand auf dem E2-Niveau kann als metastabil bezeichnet werden. Wenn daher Licht mit der Frequenz v = (E3 — E1)/h ein solches aktives Medium durchdringt, wird dieses Licht verstärkt. Ebenso kann ein Vier-Ebenen-System verwendet werden, dann ist die E3-Ebene metastabil.

Lasergerät

Somit umfasst der Laser drei Hauptkomponenten: ein aktives Medium (in dem die Besetzungsumkehr der Energieniveaus der Atome erzeugt wird), ein Pumpsystem (eine Vorrichtung zur Erzielung der Besetzungsumkehr) und einen optischen Resonator (der die Strahlung verstärkt). viele Male und bildet einen gerichteten Strahl des Ausgangs). Das aktive Medium kann fest, flüssig, gasförmig oder Plasma sein.

Das Pumpen erfolgt kontinuierlich oder gepulst. Beim kontinuierlichen Pumpen wird die Förderung des Mediums durch die Überhitzung des Mediums und die Folgen dieser Überhitzung begrenzt. Beim gepulsten Pumpen wird die nutzbare Energie, die stückweise in das Medium eingebracht wird, aufgrund der großen Leistung jedes einzelnen Impulses stärker gewonnen.

Unterschiedliche Laser – unterschiedliches Pumpen

Festkörperlaser werden gepumpt, indem das Arbeitsmedium mit starken Gasentladungsblitzen, fokussiertem Sonnenlicht oder einem anderen Laser bestrahlt wird. Dabei handelt es sich immer um gepulstes Pumpen, da die Leistung so hoch ist, dass der Arbeitsstab bei kontinuierlicher Einwirkung zusammenbricht.

Flüssigkeits- und Gaslaser werden mit einer elektrischen Entladung gepumpt.Chemische Laser gehen vom Ablauf chemischer Reaktionen in ihrem aktiven Medium aus, wodurch die invertierte Atompopulation entweder aus den Reaktionsprodukten oder aus speziellen Verunreinigungen mit entsprechender Niveaustruktur entsteht.

Halbleiterlaser werden durch Vorwärtsstrom durch einen pn-Übergang oder durch einen Elektronenstrahl gepumpt. Darüber hinaus gibt es Pumpmethoden wie die Photodissoziation oder die gasdynamische Methode (abrupte Abkühlung erhitzter Gase).

Optischer Resonator – das Herzstück des Lasers

Der optische Resonator ist ein System aus einem Spiegelpaar, im einfachsten Fall aus zwei einander gegenüberliegenden Spiegeln (konkav oder parallel), und zwischen ihnen befindet sich entlang einer gemeinsamen optischen Achse ein aktives Medium in Form eines Kristalls oder einer Küvette mit Gas. Photonen, die schräg durch das Medium hindurchtreten, verlassen es an der Seite, und diejenigen, die sich entlang der Achse bewegen, werden durch mehrfache Reflexion verstärkt und treten durch einen durchscheinenden Spiegel aus.

Dadurch entsteht Laserstrahlung – ein Strahl kohärenter Photonen – ein streng gerichteter Strahl. Während eines Lichtdurchgangs zwischen den Spiegeln muss die Größe der Verstärkung einen bestimmten Schwellenwert überschreiten – den Betrag des Strahlungsverlusts durch den zweiten Spiegel (je besser der Spiegel durchlässt, desto höher muss dieser Schwellenwert sein).

Damit die Lichtverstärkung effektiv durchgeführt werden kann, ist es nicht nur notwendig, den Weg des Lichts innerhalb des aktiven Mediums zu vergrößern, sondern auch sicherzustellen, dass die den Resonator verlassenden Wellen in Phase miteinander sind, damit die interferierenden Wellen nachgeben die maximal mögliche Amplitude.

Um dieses Ziel zu erreichen, ist es notwendig, dass jede der Wellen im Resonator, die zu einem Punkt auf dem Quellspiegel und im Allgemeinen an jedem Punkt im aktiven Medium zurückkehren, nach einer beliebigen Anzahl perfekter Reflexionen mit der Primärwelle in Phase ist . Dies ist möglich, wenn der von der Welle zwischen zwei Rückläufen zurückgelegte optische Weg die folgende Bedingung erfüllt:

wobei m eine ganze Zahl ist, in diesem Fall ist die Phasendifferenz ein Vielfaches von 2P:

Da sich nun jede der Wellen in der Phase um 2 pi von der vorherigen unterscheidet, bedeutet dies, dass alle Wellen, die den Resonator verlassen, in Phase zueinander sind, was zu einer maximalen Amplitudeninterferenz führt. Am Ausgang des Resonators entsteht nahezu monochromatische Parallelstrahlung.

Der Betrieb der Spiegel im Resonator sorgt für eine Verstärkung der Moden, die den stehenden Wellen im Resonator entsprechen; andere Modi (die sich aus den Besonderheiten der realen Bedingungen ergeben) werden geschwächt.

Rubinlaser – der erste Festkörperlaser

Das erste Festkörpergerät wurde 1960 vom amerikanischen Physiker Theodore Maiman gebaut. Es handelte sich um einen Rubinlaser (Rubin – Al2O3, wobei einige der Gitterplätze – innerhalb von 0,5 % – durch dreifach ionisiertes Chrom ersetzt sind; je mehr Chrom, desto dunkler die Farbe des Rubinkristalls).

Der erste erfolgreich funktionierende Laser, der 1960 von Dr. Ted Mayman entwickelt wurde.

Ein Rubinzylinder aus möglichst homogenem Kristall mit einem Durchmesser von 4 bis 20 mm und einer Länge von 30 bis 200 mm wird zwischen zwei Spiegel gelegt, die aus Silberschichten bestehen, die auf die sorgfältig polierten Enden dieses Zylinders aufgetragen sind Zylinder. Eine spiralförmige Gasentladungslampe umgibt einen Zylinder auf seiner gesamten Länge und wird über einen Kondensator mit Hochspannung versorgt.

Beim Einschalten der Lampe wird der Rubin intensiv bestrahlt, während sich die Chromatome von Stufe 1 auf Stufe 3 bewegen (sie befinden sich weniger als 10-7 Sekunden in diesem angeregten Zustand), zu diesem Zeitpunkt sind die Übergänge am wahrscheinlichsten Ebene 2 werden realisiert – auf eine metastabile Ebene. Überschüssige Energie wird in das Rubinkristallgitter übertragen. Spontane Übergänge von Level 3 zu Level 1 sind unbedeutend.

Der Übergang von Level 2 zu Level 1 ist durch die Auswahlregeln verboten, daher beträgt die Dauer dieses Levels etwa 10-3 Sekunden, was 10.000 Mal länger ist als auf Level 3, wodurch sich Atome in Rubin mit Level 2 ansammeln – Dies ist die umgekehrte Population von Ebene 2.

Photonen, die bei spontanen Übergängen spontan entstehen, können erzwungene Übergänge von Ebene 2 auf Ebene 1 verursachen und eine Lawine sekundärer Photonen auslösen. Diese spontanen Übergänge sind jedoch zufällig und ihre Photonen breiten sich chaotisch aus und verlassen den Resonator meist durch seine Seitenwand.

Aber diejenigen der Photonen, die auf die Achse treffen, werden von den Spiegeln mehrfach reflektiert, was gleichzeitig die erzwungene Emission sekundärer Photonen verursacht, die wiederum die stimulierte Emission hervorrufen, und so weiter. Diese Photonen bewegen sich in eine ähnliche Richtung wie die Primärphotonen und der Fluss entlang der Kristallachse nimmt lawinenartig zu.

Der vervielfachte Photonenfluss tritt durch den seitlichen durchscheinenden Spiegel des Resonators in Form eines streng gerichteten Lichtstrahls von kolossaler Intensität aus. Der Rubinlaser arbeitet bei einer Wellenlänge von 694,3 nm, die Pulsleistung kann bis zu 109 W betragen

Neonlaser mit Helium

Der Helium-Neon-Laser (Helium/Neon = 10/1) ist einer der beliebtesten Gaslaser. Der Druck im Gasgemisch beträgt etwa 100 Pa.Neon dient als aktives Gas, es erzeugt im kontinuierlichen Modus Photonen mit einer Wellenlänge von 632,8 nm. Die Funktion von Helium besteht darin, eine umgekehrte Population von einem der oberen Energieniveaus von Neon zu erzeugen. Die Spektrumsbreite eines solchen Lasers beträgt etwa 5 * 10-3 Hz, Kohärenzlänge 6 * 1011 m, Kohärenzzeit 2 * 103 °C.

Wenn ein Helium-Neon-Laser gepumpt wird, induziert eine elektrische Hochspannungsentladung den Übergang von Heliumatomen in einen metastabilen angeregten Zustand des E2-Niveaus. Diese Heliumatome kollidieren inelastisch mit Neonatomen im E1-Grundzustand und übertragen dabei deren Energie. Die Energie des E4-Niveaus von Neon ist um 0,05 eV höher als die E2-Niveau von Helium. Der Energiemangel wird durch die kinetische Energie atomarer Kollisionen ausgeglichen. Dadurch wird auf dem E4-Niveau des Neons eine invertierte Population im Vergleich zum E3-Niveau erhalten.

Arten moderner Laser

Je nach Zustand des aktiven Mediums werden Laser in Feststoffe, Flüssigkeiten, Gase, Halbleiter und auch Kristalle unterteilt. Je nach Pumpmethode kann es sich um optische, chemische oder Gasentladungen handeln. Aufgrund der Art der Erzeugung werden Laser in kontinuierliche und gepulste Laser unterteilt. Diese Lasertypen emittieren Strahlung im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums.

Optische Laser erschienen später als andere. Sie sind in der Lage, Strahlung im nahen Infrarotbereich zu erzeugen, diese Strahlung (mit einer Wellenlänge von bis zu 8 Mikrometern) eignet sich sehr gut für die optische Kommunikation. Optische Laser enthalten eine Faser, in deren Kern mehrere Ionen geeigneter Seltenerdelemente eingebracht wurden.

Der Lichtleiter wird, wie bei anderen Lasertypen auch, zwischen einem Spiegelpaar eingebaut.Zum Pumpen wird Laserstrahlung mit der erforderlichen Wellenlänge in die Faser eingespeist, so dass unter ihrer Einwirkung die Ionen der Seltenerdelemente in einen angeregten Zustand übergehen. Bei der Rückkehr in einen niedrigeren Energiezustand emittieren diese Ionen Photonen mit einer längeren Wellenlänge als der des initiierenden Lasers.

Auf diese Weise fungiert die Faser als Laserlichtquelle. Seine Häufigkeit hängt von der Art der hinzugefügten Seltenerdelemente ab. Die Faser selbst besteht aus Schwermetallfluorid, was zu einer effizienten Erzeugung von Laserstrahlung im Frequenzbereich des Infrarotbereichs führt.

Röntgenlaser besetzen die entgegengesetzte Seite des Spektrums – zwischen Ultraviolett und Gamma – das sind Größenordnungen mit Wellenlängen von 10-7 bis 10-12 m. Laser dieses Typs haben die höchste Pulshelligkeit aller Lasertypen.

Der erste Röntgenlaser wurde 1985 in den USA im Livermore Laboratory gebaut. Lawrence. Der auf Selenionen erzeugte Laser hat einen Wellenlängenbereich von 18,2 bis 26,3 nm und die höchste Helligkeit fällt auf die Wellenlängenlinie von 20,63 nm. Mit Aluminiumionen wird heute Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von 4,6 nm erreicht.

Der Röntgenlaser wird durch Pulse mit einer Dauer von 100 ps bis 10 ns erzeugt, die von der Lebensdauer der Plasmabildung abhängt.

Tatsache ist, dass das aktive Medium eines Röntgenlasers ein stark ionisiertes Plasma ist, das beispielsweise entsteht, wenn ein dünner Film aus Yttrium und Selen mit einem Hochleistungslaser im sichtbaren oder infraroten Spektrum bestrahlt wird.

Die Energie des Röntgenlasers in einem Puls erreicht 10 mJ, während die Winkeldivergenz im Strahl etwa 10 Milliradiant beträgt. Das Verhältnis von Pumpleistung zu direkter Strahlung beträgt etwa 0,00001.