Φυσική λέιζερ | Οι αρχές του | Σημαντικοί τύποι

ΦΥΣΙΚΗ LASER

Τι είναι η φυσική λέιζερ;

Η φυσική λέιζερ ή η επιστήμη λέιζερ είναι μια υποδιαίρεση της οπτικής που ασχολείται με τη θεωρία, την εργασία, την κατασκευή και την πρακτική των λέιζερ. Με ακρίβεια, η φυσική λέιζερ σχετίζεται με το σχεδιασμό οπτικής κοιλότητας, τη χρονική ανάπτυξη του φωτός πεδίου (σε λέιζερ), την κβαντική ηλεκτρονική, τη μη γραμμική οπτική, την κατασκευή λέιζερ και τη φυσική πίσω από τη δημιουργία αναστροφής πληθυσμού σε μέσα λέιζερ, λέιζερ διάδοση δέσμης.

Ποιος έθεσε τα θεμέλια της φυσικής λέιζερ;

  • Το 1917, κύριε Albert Einstein έθεσε τα θεμέλια ενός λέιζερ αναπαράγοντας τον νόμο ακτινοβολίας του Max Planck. Albert Einstein τυποποιημένοι συντελεστές πιθανότητας για απορρόφηση, διεγερμένη εκπομπή και αυθόρμητη εκπομπή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας.
  • Κατά το έτος 1928, Rudolf W. Ladenburg ορίστε την ύπαρξη διεγερμένων εκπομπών και Valentin A. Fabrikant υπέβαλε την πρώτη πρόταση για λέιζερ (ενίσχυση φωτός από διεγερμένη εκπομπή ακτινοβολίας) και δήλωσε τις προϋποθέσεις που απαιτούνται για την ενίσχυση του φωτός με διεγερμένη εκπομπή το 1939
  • RC Ρέδερφορντ Willis E. Lamb παρατήρησε και έδειξε διεγερμένη εκπομπή στα φάσματα υδρογόνου το 1947.
  • Σε 1952, Αλέξανδρος Προκόροφ Νικολάι Μπάσοφ περιέγραψε τις θεωρητικές αρχές πίσω από τη λειτουργία ενός λέιζερ maser ή μικροκυμάτων (οι Prokhorov και Basov έλαβαν βραβείο Νόμπελ για την έρευνά τους στον τομέα της φυσικής λέιζερ).
  • Σε 1960, Θεόδωρος Μάιμαν δημιούργησε το πρώτο λέιζερ ρουμπινικού παλμού που λειτουργεί στα ερευνητικά εργαστήρια Hughes.

Ποια είναι η βασική αρχή λειτουργίας ενός λέιζερ;

Τα ηλεκτρόνια που κατοικούν σε χαμηλότερο επίπεδο ενέργειας έχουν την τάση να απορροφούν ενέργεια φωτός εξωτερικά με τη μορφή φωτονίων ή φωνόνων για την επίτευξη του υψηλότερου ενεργειακού επιπέδου και η ενέργεια στο απορροφούμενο φωτονίο ή φωνόν είναι ίση με τη διαφορά ενέργειας μεταξύ των δύο επιπέδων. Στην περίπτωση της φωτεινής ενέργειας, αυτό σημαίνει ότι ορισμένα άτομα μπορούν να απορροφήσουν μόνο ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος φωτός για μια μετάβαση.

Αφού φτάσει στην ενθουσιασμένη υψηλότερη κατάσταση, ένα ηλεκτρόνιο δεν μπορεί να μείνει εκεί για πάντα. Τα ηλεκτρόνια τείνουν να αποσυντίθενται σε χαμηλότερο επίπεδο ενέργειας χάνοντας ενέργεια. Αυτή η μετάβαση ηλεκτρονίων συμβαίνει γενικά σε διαφορετικά χρονικά διαστήματα και εκπέμπει ενέργεια με τη μορφή φωτονίων. Αυτή η όλη διαδικασία μετάβασης ηλεκτρονίων χωρίς καμία εξωτερική παρέμβαση ονομάζεται αυθόρμητη εκπομπή. Σε αυτό, το εκπεμπόμενο ηλεκτρόνιο έχει τυχαία κατεύθυνση και φάση.

Κατά καιρούς τα ηλεκτρόνια υπόκεινται σε εξωτερική επίδραση για μετάβαση από κατάσταση υψηλής ενέργειας σε κατάσταση χαμηλής ενέργειας. Σε αυτήν την περίπτωση, το φωτόνιο που εκπέμπεται κατά τη διαδικασία μετάβασης ταιριάζει με την πραγματική κατεύθυνση, τη γωνία φάσης και το μήκος κύματος του φωτονίου. Αυτή η διαδικασία εκπομπής φωτονίων ονομάζεται διεγερμένη εκπομπή που χρησιμοποιείται σε λέιζερ για να μάθετε περισσότερα σχετικά με αυτό το θέμα Κάνε κλικ εδώ.

Κάθε λέιζερ έχει σχεδιαστεί για να έχει ένα μέσο κέρδους, που ενισχύει την εκπεμπόμενη δέσμη φωτονίων, αυτό το μέσο κέρδους ελέγχεται ως προς το μέγεθος, τη συγκέντρωση, την καθαρότητα και το σχήμα και σε ένα σημείο μετά την διεγερμένη εκπομπή όταν το όχι των ηλεκτρονίων που υπάρχουν σε ένα διεγερμένο επίπεδο ενέργειας έχει γίνει μεγαλύτερο από το όχι. διαθέσιμων ηλεκτρονίων στο χαμηλότερο επίπεδο ενέργειας σε αυτήν την κατάσταση και, συμβαίνει αναστροφή πληθυσμού και Εδώ, ο ρυθμός εκπομπής διεγερμένων φωτονίων υπερβαίνει τον ρυθμό απορρόφησης ενέργειας από τα ηλεκτρόνια. Επομένως, το φως ή τα φωτόνια που εκπέμπονται ενισχύονται. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται οπτική ενίσχυση.

Διάγραμμα διεγερμένης ενέργειας εκπομπών.
Πηγή εικόνας: http://V1adis1av contribs) (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Stimulated Emission.svg), https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/legalcode (φυσική λέιζερ)

Ποιοι είναι οι κύριοι τύποι λέιζερ;

Laser Gas:

Λέιζερ αερίου (όπως HeNe Laser ή CO2 Λέιζερ) χρησιμοποιήστε αέριες ενώσεις για συνεκτική ενίσχυση του φωτός. Αέριες εκκενώσεις μπορούν να γίνουν για την ενίσχυση διαφορετικών μηκών κύματος φωτός. Αυτά τα λέιζερ χρησιμοποιούνται ευρέως για ερευνητικούς και εμπορικούς σκοπούς. Τα λέιζερ διοξειδίου του άνθρακα παράγουν συνεχή δέσμη υπερύθρου φωτός υψηλής ισχύος με κύριες ζώνες μήκους κύματος που κυμαίνονται από 9.6 έως 10.6 μικρόμετρα. Αυτά τα λέιζερ είναι υψηλής απόδοσης ισχύος με αναλογία ισχύος εξόδου προς αντλία που φτάνει έως και 20%.

φυσική λέιζερ
Μήκος κύματος λέιζερ που διατίθενται στο εμπόριο.
Πηγή εικόνας: Danh (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Commercial laser lines.svg), "Εμπορικές γραμμές λέιζερ", https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/legalcode (laser physics)

Λέιζερ Excimer:

Τα λέιζερ Excimer χρησιμοποιούν υπεριώδες φως για την παραγωγή μικροηλεκτρονικών συσκευών, ολοκληρωμένων κυκλωμάτων ημιαγωγών και μικρομηχανών. Τα λέιζερ Excimer (επίσης γνωστά ως exciplex laser) αναπτύσσονται χρησιμοποιώντας ευγενή αέρια όπως Argon, Krypton ή Xenon μαζί με αντιδραστικά αέρια αλογόνου όπως φθόριο ή χλώριο.

Χημικό λέιζερ:

Τα χημικά λέιζερ παρέχουν την ενέργεια για την διέγερση ηλεκτρονίων από χημικές αντιδράσεις. Αυτά τα λέιζερ είναι ικανά να παράγουν μεγάλες ποσότητες ενέργειας σε σύντομο χρονικό διάστημα και επομένως χρησιμοποιούνται σε λέιζερ υψηλής ισχύος.

Λέιζερ στερεάς κατάστασης:

Τα λέιζερ στερεάς κατάστασης χρησιμοποιούν μια γυάλινη ή κρυσταλλική ράβδο που είναι εμπλουτισμένη με ιόντα, επιτρέποντας στα ηλεκτρόνια να φτάσουν στα απαιτούμενα επίπεδα ενέργειας. Το Dopant είναι υπεύθυνο για τη διατήρηση της αναστροφής του πληθυσμού. Για παράδειγμα, ρουμπίνι λέιζερ.

Λέιζερ ινών:

Τα λέιζερ οπτικών ινών χρησιμοποιούν πλήρη εσωτερική ανάκλαση ή TIR για τη μετάδοση ακτίνων φωτός με τη βοήθεια οπτικών ινών. Αυτά τα λέιζερ βρίσκουν την εφαρμογή τους στη μετάδοση ακτίνων φωτός σε μεγάλες αποστάσεις και στη μείωση της θερμικής παραμόρφωσης της δέσμης λέιζερ.

Φωτονικά κρύσταλλα λέιζερ:

Το Photonic Crystal Laser χρησιμοποιεί νανο-δομές για την παροχή λειτουργίας περιορισμού.

Λέιζερ ημιαγωγών:

Τα λέιζερ ημιαγωγών χρησιμοποιούν διόδους ημιαγωγών για ηλεκτρική άντληση. Η ενέργεια ανασυνδυασμού που απελευθερώνεται είναι υπεύθυνη για τη διατήρηση του οπτικού κέρδους.

Λέιζερ βαφής:

Τα λέιζερ βαφής έχουν μια οργανική βαφή που λειτουργεί ως μέσο κέρδους. Αυτά τα λέιζερ μπορούν να λειτουργήσουν σε διαφορετικά μήκη κύματος φωτός και μπορούν να παράγουν παλμούς μικρής διάρκειας.

Δωρεάν λέιζερ ηλεκτρονίων:

Τα λέιζερ ελεύθερου ηλεκτρονίου παρέχουν την ευρύτερη δυνατή γκάμα για δράση με λέιζερ. Αυτά τα λέιζερ παράγουν συνεκτικές δέσμες υψηλής ισχύος με ακτινοβολίες που κυμαίνονται από υπέρυθρες έως ορατές ακτίνες.

Μεγέθη λέιζερ: Επάνω (μικροσκοπικό λέιζερ) Κάτω (μεγάλο γυάλινο λέιζερ) Πηγή εικόνας: ανώνυμος, Μεγέθη λέιζερ, επισημαίνεται ως δημόσιος τομέας, περισσότερες λεπτομέρειες σχετικά με Wikimedia Commons(φυσική λέιζερ)

Για να μάθετε περισσότερα σχετικά με το excimer laser επισκεφθείτε Κάνε κλικ εδώ

Σχετικά με το Sanchari Chakraborty

Είμαι πρόθυμος μαθητευόμενος, επί του παρόντος επενδύω στον τομέα της Εφαρμοσμένης Οπτικής και της Φωτονικής. Είμαι επίσης ενεργό μέλος του SPIE (Διεθνής Εταιρεία Οπτικής και Φωτονικής) και του OSI (Optical Society of India). Τα άρθρα μου έχουν ως στόχο να φέρουν στο φως ποιοτικά επιστημονικά ερευνητικά θέματα με απλό αλλά ενημερωτικό τρόπο. Η επιστήμη εξελίσσεται από αμνημονεύτων χρόνων. Γι 'αυτό, προσπαθώ να αξιοποιήσω την εξέλιξη και να το παρουσιάσω στους αναγνώστες.

Ας συνδεθούμε μέσω https://www.linkedin.com/in/sanchari-chakraborty-7b33b416a/

Lambda Geeks