หลักการของเลเซอร์: คุณสมบัติของรังสีเลเซอร์

2024 ผู้เขียน: Angel Austin | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-02 17:57

หลักการแรกของเลเซอร์ซึ่งฟิสิกส์อยู่บนพื้นฐานของกฎการแผ่รังสีของพลังค์ได้รับการพิสูจน์ในทางทฤษฎีโดยไอน์สไตน์ในปี 2460 เขาอธิบายการดูดกลืนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดขึ้นเองและกระตุ้นโดยใช้สัมประสิทธิ์ความน่าจะเป็น (สัมประสิทธิ์ไอน์สไตน์)

ไพโอเนียร์

Theodor Meiman เป็นคนแรกที่แสดงหลักการทำงานของเลเซอร์ทับทิมโดยอาศัยการสูบฉีดทับทิมสังเคราะห์ด้วยแสงด้วยแสงแฟลช ซึ่งสร้างรังสีพัลซิ่งที่มีความยาวคลื่น 694 นาโนเมตร

ในปี 1960 นักวิทยาศาสตร์ชาวอิหร่าน Javan และ Bennett ได้สร้างเครื่องกำเนิดก๊าซควอนตัมเครื่องแรกโดยใช้ส่วนผสมของก๊าซ He และ Ne ในอัตราส่วน 1:10

ในปี 1962 RN Hall ได้สาธิตเลเซอร์ไดโอดแกลเลียม อาร์เซไนด์ (GaAs) ตัวแรกที่ความยาวคลื่น 850 นาโนเมตร ปลายปีนั้น Nick Golonyak ได้พัฒนาเครื่องกำเนิดควอนตัมแสงที่มองเห็นได้ด้วยเซมิคอนดักเตอร์เครื่องแรก

การออกแบบและหลักการทำงานของเลเซอร์

แต่ละระบบเลเซอร์ประกอบด้วยสื่อที่ใช้งานอยู่ระหว่างกระจกคู่ขนานทางแสงและกระจกสะท้อนแสงสูง ซึ่งหนึ่งในนั้นเป็นแบบโปร่งแสง และเป็นแหล่งพลังงานสำหรับการสูบฉีด สื่อขยายสัญญาณอาจเป็นของแข็ง ของเหลว หรือก๊าซ ซึ่งมีคุณสมบัติในการขยายแอมพลิจูดของคลื่นแสงที่ส่งผ่านโดยการกระตุ้นด้วยการปล่อยด้วยไฟฟ้าหรือทางแสง สารวางอยู่ระหว่างกระจกเงาคู่หนึ่งเพื่อให้แสงที่สะท้อนในตัวมันส่องผ่านเข้าไปทุกครั้ง และเมื่อถึงการขยายที่มีนัยสำคัญแล้ว ก็จะแทรกซึมเข้าไปในกระจกโปร่งแสง

สภาพแวดล้อมแบบสองชั้น

ลองพิจารณาหลักการทำงานของเลเซอร์ที่มีตัวกลางแบบแอคทีฟ อะตอมที่มีพลังงานเพียงสองระดับ: ตื่นเต้น E₂ และ E₁ . หากอะตอมตื่นเต้นกับสถานะ E₂ โดยกลไกการสูบน้ำใดๆ (ออปติคัล การปล่อยไฟฟ้า การส่งกระแสไฟ หรือการทิ้งระเบิดอิเล็กตรอน) หลังจากนั้นไม่กี่วินาที อะตอมก็จะกลับสู่ตำแหน่งพื้นและปล่อยโฟตอน ของพลังงาน hν=E ₂ - E₁ ตามทฤษฎีของไอน์สไตน์ การปล่อยก๊าซออกมาในสองวิธีที่แตกต่างกัน: ไม่ว่าจะเกิดจากโฟตอนหรือเกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ ในกรณีแรก การปล่อยก๊าซกระตุ้นจะเกิดขึ้น และในกรณีที่สอง การปล่อยก๊าซที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ ที่สมดุลทางความร้อน ความน่าจะเป็นของการปล่อยรังสีที่ถูกกระตุ้นนั้นต่ำกว่าการปล่อยก๊าซที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติมาก (1:10^{33) ดังนั้นแหล่งกำเนิดแสงทั่วไปส่วนใหญ่จึงไม่ต่อเนื่องกัน และการสร้างเลเซอร์สามารถทำได้ในสภาวะอื่นที่ไม่ใช่ความร้อน สมดุล}

ถึงแม้จะแข็งแกร่งมากการสูบน้ำประชากรของระบบสองระดับสามารถทำได้เท่ากันเท่านั้น ดังนั้น ระบบสามหรือสี่ระดับจึงจำเป็นเพื่อให้เกิดการผกผันของประชากรโดยวิธีการทางสายตาหรือวิธีการสูบน้ำแบบอื่นๆ

ระบบหลายระดับ

หลักการของเลเซอร์สามระดับคืออะไร? การฉายรังสีด้วยแสงความถี่เข้มข้น ν₀₂ ปั๊มอะตอมจำนวนมากจากระดับพลังงานต่ำสุด E₀ ถึงระดับพลังงานสูงสุด E ₂. การเปลี่ยนผ่านแบบไม่แผ่รังสีของอะตอมจาก E₂ เป็น E₁ ทำให้เกิดการผกผันของประชากรระหว่าง E₁ และ E ₀ ซึ่งในทางปฏิบัติจะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่ออะตอมอยู่ในสถานะ metastable เป็นเวลานาน E_1, และการเปลี่ยนจาก E_{2ถึง E 1} กำลังไปอย่างรวดเร็ว หลักการทำงานของเลเซอร์สามระดับคือการปฏิบัติตามเงื่อนไขเหล่านี้ เนื่องจากระหว่าง E₀ และ E₁ มีการผกผันของประชากรและโฟตอน ถูกขยายโดยพลังงาน E ₁-E₀ การปล่อยก๊าซเรือนกระจก ระดับ E₂ ที่กว้างขึ้นอาจเพิ่มช่วงการดูดกลืนความยาวคลื่นเพื่อการสูบน้ำที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น ส่งผลให้มีการปล่อยก๊าซเรือนกระจกเพิ่มขึ้น

ระบบสามระดับต้องการกำลังของปั๊มที่สูงมาก เนื่องจากระดับล่างที่เกี่ยวข้องกับการสร้างเป็นระดับพื้นฐาน ในกรณีนี้ เพื่อให้เกิดการผกผันของประชากร จะต้องสูบมากกว่าครึ่งหนึ่งของจำนวนอะตอมทั้งหมดไปยังสถานะ E_{1 การทำเช่นนี้สิ้นเปลืองพลังงาน กำลังปั๊มสามารถมีนัยสำคัญลดลงหากระดับรุ่นที่ต่ำกว่าไม่ใช่รุ่นพื้นฐาน ซึ่งต้องมีระบบสี่ระดับเป็นอย่างน้อย}

ขึ้นอยู่กับลักษณะของสารออกฤทธิ์ เลเซอร์แบ่งออกเป็นสามประเภทหลัก ๆ คือ ของแข็ง ของเหลว และก๊าซ ตั้งแต่ปีพ. ศ. 2501 เมื่อพบการเลืองครั้งแรกในผลึกทับทิม นักวิทยาศาสตร์และนักวิจัยได้ศึกษาวัสดุที่หลากหลายในแต่ละหมวดหมู่

โซลิดสเตตเลเซอร์

หลักการทำงานขึ้นอยู่กับการใช้สื่อที่ใช้งานอยู่ซึ่งเกิดขึ้นจากการเพิ่มโลหะกลุ่มทรานซิชันลงในโครงผลึกที่เป็นฉนวน (Ti⁺³, Cr ^{+3, V}+2^{, С}+2^{, Ni}+2, Fe ⁺², etc.), แรร์เอิร์ธไอออน (Ce⁺³, Pr^{+3, Nd +3}, Pm⁺³, Sm⁺², Eu +2, +3 ^{, Tb}+3^{, Dy}+3^{, โฮ}+3 ^Er +3^{, Yb}+3 ^{ฯลฯ) และแอคติไนด์อย่าง U}+3. ระดับพลังงานของไอออนมีหน้าที่ในการสร้างเท่านั้น คุณสมบัติทางกายภาพของวัสดุฐาน เช่น การนำความร้อนและการขยายตัวทางความร้อน มีความจำเป็นต่อการทำงานของเลเซอร์อย่างมีประสิทธิภาพ การจัดเรียงอะตอมของโครงตาข่ายรอบๆ ไอออนเจือปนจะเปลี่ยนระดับพลังงานของมัน ความยาวคลื่นที่แตกต่างกันของการสร้างในตัวกลางที่ใช้งานนั้นทำได้โดยการเติมวัสดุที่แตกต่างกันด้วยไอออนเดียวกัน

เลเซอร์โฮลเมียม

ตัวอย่างของเลเซอร์โซลิดสเตตคือเครื่องกำเนิดควอนตัม ซึ่งโฮลเมียมเข้ามาแทนที่อะตอมของสารฐานของตาข่ายคริสตัลHo:YAG เป็นหนึ่งในวัสดุที่ดีที่สุดรุ่นหนึ่ง หลักการทำงานของเลเซอร์โฮลเมียมคือโกเมนอะลูมิเนียมอิตเทรียมเจือด้วยไอออนของโฮลเมียม ปั๊มด้วยแสงด้วยแสงแฟลชและปล่อยที่ความยาวคลื่น 2097 นาโนเมตรในช่วง IR ซึ่งเนื้อเยื่อดูดซับได้ดี เลเซอร์นี้ใช้สำหรับผ่าตัดข้อต่อ รักษาฟัน สำหรับการระเหยของเซลล์มะเร็ง ไต และนิ่วในถุงน้ำดี

เครื่องกำเนิดควอนตัมเซมิคอนดักเตอร์

เลเซอร์บ่อควอนตัมมีราคาไม่แพง ผลิตได้จำนวนมาก และปรับขนาดได้ง่าย หลักการทำงานของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์มีพื้นฐานมาจากการใช้ไดโอดชุมทาง p-n ซึ่งให้แสงที่ความยาวคลื่นหนึ่งโดยการรวมตัวของพาหะอีกครั้งที่อคติบวก คล้ายกับไฟ LED LED ปล่อยตามธรรมชาติและเลเซอร์ไดโอด - บังคับ เพื่อให้เป็นไปตามเงื่อนไขการผกผันของประชากร กระแสไฟปฏิบัติการต้องเกินค่าเกณฑ์ สารออกฤทธิ์ในเซมิคอนดักเตอร์ไดโอดมีรูปแบบของพื้นที่เชื่อมต่อของสองชั้นสองมิติ

หลักการทำงานของเลเซอร์ประเภทนี้คือไม่ต้องใช้กระจกภายนอกเพื่อรักษาการสั่น การสะท้อนแสงที่สร้างขึ้นโดยดัชนีการหักเหของแสงของชั้นและการสะท้อนภายในของตัวกลางที่ใช้งานอยู่นั้นเพียงพอสำหรับจุดประสงค์นี้ พื้นผิวด้านท้ายของไดโอดถูกบิ่น ซึ่งช่วยให้มั่นใจได้ว่าพื้นผิวสะท้อนแสงจะขนานกัน

การเชื่อมต่อที่เกิดจากวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ประเภทเดียวกันเรียกว่าโฮโมจังชัน และการเชื่อมต่อที่สร้างโดยการเชื่อมต่อของสองสิ่งที่แตกต่างกันเรียกว่าheterojunction

เซมิคอนดักเตอร์ชนิด P- และ n ที่มีความหนาแน่นของตัวพาสูงสร้างจุดเชื่อมต่อ p-n ที่มีชั้นพร่องบาง (≈1 µm)

เลเซอร์แก๊ส

หลักการทำงานและการใช้เลเซอร์ประเภทนี้ช่วยให้คุณสร้างอุปกรณ์เกือบทุกกำลัง (ตั้งแต่มิลลิวัตต์ถึงเมกะวัตต์) และความยาวคลื่น (จาก UV ถึง IR) และช่วยให้คุณทำงานในโหมดพัลซิ่งและต่อเนื่อง. ตามลักษณะของสารออกฤทธิ์ เครื่องกำเนิดควอนตัมก๊าซมีสามประเภท ได้แก่ อะตอม ไอออนิก และโมเลกุล

เลเซอร์ก๊าซส่วนใหญ่ถูกปั๊มด้วยการปล่อยไฟฟ้า อิเล็กตรอนในท่อระบายจะถูกเร่งโดยสนามไฟฟ้าระหว่างอิเล็กโทรด พวกมันชนกับอะตอม ไอออน หรือโมเลกุลของตัวกลางที่แอคทีฟ และทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงไปสู่ระดับพลังงานที่สูงขึ้น เพื่อให้ได้สถานะการผกผันของประชากรและการปล่อยก๊าซที่ถูกกระตุ้น

เลเซอร์โมเลกุล

หลักการทำงานของเลเซอร์มีพื้นฐานมาจากข้อเท็จจริงที่ว่าโมเลกุลในเครื่องกำเนิดอะตอมและไอออนควอนตัมต่างจากอะตอมและไอออนที่แยกตัวออกมาต่างหากที่มีแถบพลังงานกว้างของระดับพลังงานที่ไม่ต่อเนื่อง นอกจากนี้ ระดับพลังงานอิเล็กทรอนิกส์แต่ละระดับยังมีระดับการสั่นไหวจำนวนมาก และระดับนั้นก็มีหลายระดับในการหมุนด้วย

พลังงานระหว่างระดับพลังงานอิเล็กทรอนิกส์อยู่ในรังสี UV และบริเวณที่มองเห็นได้ของสเปกตรัม ในขณะที่ระดับระหว่างระดับการสั่นสะเทือน-การหมุน - ในอินฟราเรดไกลและใกล้พื้นที่ ดังนั้น เครื่องกำเนิดควอนตัมโมเลกุลส่วนใหญ่จึงทำงานในพื้นที่อินฟราเรดใกล้หรือไกล

เลเซอร์เอ็กไซเมอร์

Excimers เป็นโมเลกุลเช่น ArF, KrF, XeCl ซึ่งมีสถานะพื้นแยกและมีความเสถียรในระดับแรก หลักการทำงานของเลเซอร์มีดังนี้ ตามกฎแล้วจำนวนโมเลกุลในสถานะพื้นดินมีขนาดเล็ก ดังนั้นจึงไม่สามารถสูบน้ำโดยตรงจากสถานะพื้นดินได้ โมเลกุลถูกสร้างขึ้นในสถานะอิเล็กทรอนิกส์ที่ถูกกระตุ้นครั้งแรกโดยการรวมเฮไลด์ที่มีพลังงานสูงเข้ากับก๊าซเฉื่อย ประชากรของการผกผันเกิดขึ้นได้ง่าย เนื่องจากจำนวนโมเลกุลที่ระดับฐานมีขนาดเล็กเกินไปเมื่อเทียบกับโมเลกุลที่ถูกกระตุ้น หลักการทำงานของเลเซอร์ กล่าวโดยย่อคือ การเปลี่ยนจากสถานะอิเล็คทรอนิคส์ที่ถูกตื่นเต้นที่ถูกผูกไว้เป็นสถานะกราวด์ที่แยกจากกัน ประชากรในสภาพพื้นดินยังคงอยู่ในระดับต่ำเสมอ เนื่องจากโมเลกุล ณ จุดนี้แยกตัวออกเป็นอะตอม

อุปกรณ์และหลักการทำงานของเลเซอร์คือหลอดระบายที่เต็มไปด้วยส่วนผสมของเฮไลด์ (F₂) และก๊าซแรร์เอิร์ท (Ar) อิเล็กตรอนในนั้นแยกตัวและแตกตัวเป็นไอออนโมเลกุลของเฮไลด์และสร้างไอออนที่มีประจุลบ ไอออนบวก Ar⁺ และประจุลบ F^{- ทำปฏิกิริยาและผลิตโมเลกุล ArF ในสถานะที่ถูกผูกไว้ตื่นเต้นครั้งแรก โดยจะเปลี่ยนไปเป็นสถานะฐานที่น่ารังเกียจและการสร้าง รังสีที่สอดคล้องกัน เลเซอร์ excimer ซึ่งเป็นหลักการของการทำงานและการใช้งานที่เรากำลังพิจารณาอยู่นั้น สามารถนำมาใช้เพื่อปั๊มได้สารออกฤทธิ์ในสีย้อม}

เลเซอร์เหลว

เมื่อเทียบกับของแข็ง ของเหลวมีความเป็นเนื้อเดียวกันมากกว่าและมีความหนาแน่นของอะตอมที่แอคทีฟสูงกว่าก๊าซ นอกจากนี้ ยังผลิตได้ง่าย ช่วยให้ระบายความร้อนได้ง่าย และเปลี่ยนได้ง่าย หลักการทำงานของเลเซอร์คือการใช้สีย้อมอินทรีย์เป็นสารออกฤทธิ์ เช่น DCM (4-dicyanomethylene-2-methyl-6-p-dimethylaminostyryl-4H-pyran), rhodamine, styryl, LDS, coumarin, stilbene เป็นต้น.., ละลายในตัวทำละลายที่เหมาะสม สารละลายของโมเลกุลของสีย้อมถูกกระตุ้นด้วยรังสีที่ความยาวคลื่นมีค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนที่ดี หลักการทำงานของเลเซอร์ กล่าวโดยย่อคือ ให้มีความยาวคลื่นยาวขึ้น เรียกว่า ฟลูออเรสเซนซ์ ความแตกต่างระหว่างพลังงานดูดซับและโฟตอนที่ปล่อยออกมานั้นถูกใช้โดยการเปลี่ยนภาพพลังงานที่ไม่แผ่รังสีและทำให้ระบบร้อนขึ้น

แถบเรืองแสงที่กว้างขึ้นของเครื่องกำเนิดควอนตัมเหลวมีคุณสมบัติพิเศษ - การปรับความยาวคลื่น หลักการทำงานและการใช้เลเซอร์ชนิดนี้เป็นแหล่งกำเนิดแสงที่ปรับค่าได้และเชื่อมโยงกันกำลังมีความสำคัญมากขึ้นเรื่อยๆ ในด้านสเปกโทรสโกปี ภาพสามมิติ และการใช้งานด้านชีวการแพทย์

เมื่อเร็วๆ นี้ เครื่องกำเนิดควอนตัมสีย้อมถูกนำมาใช้เพื่อแยกไอโซโทป ในกรณีนี้ เลเซอร์จะเลือกกระตุ้นหนึ่งในนั้น กระตุ้นให้พวกเขาทำปฏิกิริยาเคมี