Laser - thiết bị và nguyên tắc hoạt động

Tính chất bình thường của ánh sáng khi truyền qua môi trường

Thông thường, khi ánh sáng đi qua một môi trường, cường độ của nó giảm đi. Giá trị bằng số của sự suy giảm này có thể được tìm thấy từ định luật Bouguer:

Trong phương trình này, ngoài cường độ ánh sáng I đi vào và đi ra khỏi môi trường, còn có một yếu tố gọi là hệ số hấp thụ ánh sáng tuyến tính của môi trường. Trong quang học truyền thống, hệ số này luôn dương.

hấp thụ ánh sáng tiêu cực

Điều gì xảy ra nếu vì lý do nào đó mà hệ số hấp thụ âm? Sau đó thì sao? Sẽ có sự khuếch đại ánh sáng khi nó đi qua môi trường; trên thực tế, môi trường sẽ cho thấy sự hấp thụ âm.

Các điều kiện để quan sát một bức tranh như vậy có thể được tạo ra một cách giả tạo. Khái niệm lý thuyết liên quan đến cách thực hiện hiện tượng đề xuất được nhà vật lý Liên Xô Valentin Alexandrovich Fabrikant đưa ra vào năm 1939.

Trong quá trình phân tích một môi trường khuếch đại ánh sáng giả định đi qua nó, Fabrikant đã đề xuất nguyên lý khuếch đại ánh sáng. Và năm 1955các nhà vật lý Liên Xô Nikolai Genadievich Basov và Alexander Mikhailovich Prokhorov đã áp dụng ý tưởng này của Fabrikant cho vùng tần số vô tuyến của quang phổ điện từ.

Xem xét khía cạnh vật lý của khả năng hấp thụ âm. Ở dạng lý tưởng hóa, các mức năng lượng của nguyên tử có thể được biểu diễn dưới dạng các đường thẳng — như thể các nguyên tử ở mỗi trạng thái chỉ có các năng lượng xác định nghiêm ngặt E1 và E2. Điều này có nghĩa là khi chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác, một nguyên tử phát ra hoặc hấp thụ riêng ánh sáng đơn sắc có bước sóng xác định chính xác.

Nhưng thực tế khác xa với lý tưởng, và trên thực tế, các mức năng lượng của nguyên tử có một chiều rộng hữu hạn nhất định, nghĩa là chúng không phải là các đường giá trị chính xác. Do đó, trong quá trình chuyển đổi giữa các mức, cũng sẽ có một dải tần số phát ra hoặc hấp thụ dv nhất định, phụ thuộc vào độ rộng của các mức năng lượng mà giữa đó quá trình chuyển đổi diễn ra. Các giá trị của E1 và E2 có thể được sử dụng để chỉ biểu thị các mức năng lượng giữa của nguyên tử.

Vì vậy, vì chúng ta đã giả sử rằng E1 và E2 là trung điểm của các mức năng lượng, nên chúng ta có thể coi một nguyên tử ở hai trạng thái này. Đặt E2>E1. Một nguyên tử có thể hấp thụ hoặc phát ra bức xạ điện từ khi nó đi qua giữa các mức này. Giả sử rằng, ở trạng thái cơ bản E1, một nguyên tử hấp thụ bức xạ bên ngoài có năng lượng E2-E1 và chuyển sang trạng thái kích thích E2 (xác suất của sự chuyển đổi như vậy tỷ lệ thuận với hệ số Einstein B12).

Ở trạng thái kích thích E2, nguyên tử dưới tác dụng của bức xạ ngoài có năng lượng E2-E1 phát ra một lượng tử có năng lượng E2-E1 và buộc phải chuyển về trạng thái cơ bản có năng lượng E1 (xác suất của sự chuyển đó tỉ lệ thuận với hệ số Einstein B21).

Nếu một chùm bức xạ đơn sắc song song có mật độ phổ thể tích w (v) đi qua một chất có lớp có diện tích tiết diện đơn vị và độ dày dx thì cường độ của nó sẽ thay đổi theo giá trị:

Ở đây n1 là nồng độ nguyên tử ở trạng thái E1, n2 là nồng độ nguyên tử ở trạng thái E2.

Thay các điều kiện ở vế phải của phương trình, giả sử rằng B21 = B12, rồi thay biểu thức cho B21, chúng ta thu được phương trình cho sự thay đổi cường độ ánh sáng ở các mức năng lượng hẹp:

Trong thực tế, như đã đề cập ở trên, các mức năng lượng không phải là vô cùng hẹp, vì vậy chiều rộng của chúng phải được tính đến. Để không làm bài viết trở nên lộn xộn với phần mô tả các phép biến đổi và một loạt công thức, chúng tôi chỉ cần lưu ý rằng bằng cách nhập một dải tần số rồi lấy tích phân trên x, chúng tôi sẽ thu được công thức tìm hệ số hấp thụ thực của trung bình:

Vì hiển nhiên trong điều kiện cân bằng nhiệt động, nồng độ n1 của các nguyên tử ở trạng thái năng lượng thấp E1 luôn lớn hơn nồng độ n2 của các nguyên tử ở trạng thái cao hơn E2, nên ở điều kiện thường không thể hấp thụ âm, không thể khuếch đại ánh sáng chỉ bằng cách đi qua một môi trường thực tế mà không cần thực hiện bất kỳ biện pháp bổ sung nào...

Để có thể hấp thụ âm, cần tạo điều kiện khi nồng độ nguyên tử ở trạng thái kích thích E2 trong môi trường sẽ lớn hơn nồng độ nguyên tử ở trạng thái cơ bản E1, nghĩa là cần tổ chức sự phân bố ngược lại của các nguyên tử trong môi trường theo trạng thái năng lượng của chúng.

Nhu cầu bơm năng lượng của môi trường

Để tổ chức một quần thể đảo ngược các mức năng lượng (để thu được môi trường hoạt động), bơm (ví dụ: quang học hoặc điện) được sử dụng. Bơm quang liên quan đến sự hấp thụ bức xạ hướng vào chúng bởi các nguyên tử, do đó các nguyên tử này chuyển sang trạng thái kích thích.

Bơm điện trong môi trường khí liên quan đến sự kích thích của các nguyên tử do va chạm không đàn hồi với các điện tử trong quá trình phóng điện khí. Theo Fabrikant, một số trạng thái năng lượng thấp của nguyên tử phải được loại bỏ bằng các tạp chất phân tử.

Thực tế không thể thu được môi trường hoạt động bằng cách sử dụng bơm quang học trong môi trường hai cấp, vì về mặt định lượng, sự chuyển đổi của các nguyên tử trên một đơn vị thời gian từ trạng thái E1 sang trạng thái E2 và ngược lại (!) trong trường hợp này sẽ tương đương, có nghĩa là cần phải sử dụng ít nhất một hệ thống ba cấp.

Hãy xem xét một hệ thống bơm ba giai đoạn. Cho bức xạ ngoài có năng lượng phôtôn E3-E1 tác dụng lên môi trường thì các nguyên tử trong môi trường chuyển từ trạng thái có năng lượng E1 sang trạng thái có năng lượng E3. Từ trạng thái năng lượng E3, có thể chuyển đổi tự phát sang trạng thái E2 và sang E1. Để thu được quần thể đảo ngược (khi có nhiều nguyên tử có mức E2 trong một môi trường nhất định), cần phải làm cho mức E2 tồn tại lâu hơn mức E3. Đối với điều này, điều quan trọng là phải tuân thủ các điều kiện sau:

Việc tuân thủ các điều kiện này có nghĩa là các nguyên tử ở trạng thái E2 tồn tại lâu hơn, nghĩa là xác suất chuyển đổi tự phát từ E3 sang E1 và từ E3 sang E2 vượt quá xác suất chuyển đổi tự phát từ E2 sang E1. Sau đó, cấp độ E2 sẽ tồn tại lâu hơn và trạng thái như vậy ở cấp độ E2 có thể được gọi là siêu bền. Vì vậy, khi ánh sáng có tần số v = (E3—E1)/h đi qua môi trường hoạt chất như vậy thì ánh sáng này sẽ được khuếch đại. Tương tự, có thể sử dụng hệ thống bốn cấp độ, khi đó cấp độ E3 sẽ siêu bền.

thiết bị laze

Do đó, laser bao gồm ba thành phần chính: môi trường hoạt động (trong đó tạo ra sự nghịch đảo dân số của các mức năng lượng của các nguyên tử), hệ thống bơm (thiết bị để thu được sự nghịch đảo dân số) và bộ cộng hưởng quang học (khuếch đại bức xạ nhiều lần và tạo thành chùm tia có hướng của đầu ra). Môi trường hoạt động có thể là rắn, lỏng, khí hoặc plasma.

Bơm được thực hiện liên tục hoặc xung. Với việc bơm liên tục, việc cung cấp môi trường bị hạn chế do môi trường quá nóng và hậu quả của việc quá nhiệt này. Trong bơm xung, năng lượng hữu ích được đưa từng phần vào môi trường thu được nhiều hơn do công suất lớn của từng xung riêng lẻ.

Laser khác nhau - bơm khác nhau

Laser trạng thái rắn được bơm bằng cách chiếu vào môi trường làm việc bằng các tia phóng điện khí mạnh, ánh sáng mặt trời hội tụ hoặc một loại laser khác. Đây luôn là bơm xung vì công suất cao đến mức thanh công việc sẽ bị sập khi hoạt động liên tục.

Laser lỏng và khí được bơm bằng phóng điện.Laser hóa học giả định xảy ra các phản ứng hóa học trong môi trường hoạt động của chúng, do đó, quần thể nguyên tử đảo ngược thu được từ các sản phẩm của phản ứng hoặc từ các tạp chất đặc biệt có cấu trúc cấp độ thích hợp.

Laser bán dẫn được bơm bằng dòng điện thuận qua tiếp giáp pn hoặc bằng chùm điện tử. Ngoài ra, còn có các phương pháp bơm như quang phân ly hoặc phương pháp động khí (làm lạnh đột ngột khí nóng).

Bộ cộng hưởng quang - trái tim của laser

Bộ cộng hưởng quang học là một hệ thống gồm một cặp gương, trong trường hợp đơn giản nhất, hai gương (lõm hoặc song song) cố định đối diện nhau và giữa chúng dọc theo một trục quang học chung có một môi trường hoạt động ở dạng tinh thể hoặc tinh thể. cuvet chứa khí. Các photon truyền theo một góc xuyên qua môi trường để lại nó ở một bên và những photon chuyển động dọc theo trục, bị phản xạ nhiều lần, được khuếch đại và thoát ra ngoài qua một gương mờ.

Điều này tạo ra bức xạ laze - một chùm các photon kết hợp - một chùm tia có hướng nghiêm ngặt. Trong một lần ánh sáng đi qua giữa các gương, cường độ khuếch đại phải vượt quá một ngưỡng nhất định — lượng bức xạ thất thoát qua gương thứ hai (gương truyền càng tốt thì ngưỡng này phải càng cao).

Để quá trình khuếch đại ánh sáng được thực hiện có hiệu quả, không những cần tăng đường đi của ánh sáng bên trong môi trường hoạt chất mà còn phải đảm bảo các sóng ra khỏi bộ cộng hưởng cùng pha với nhau, khi đó các sóng giao thoa sẽ cho biên độ lớn nhất có thể.

Để đạt được mục tiêu này, điều cần thiết là mỗi sóng trong bộ cộng hưởng quay trở lại một điểm trên gương nguồn và nói chung, tại bất kỳ điểm nào trong môi trường hoạt động, phải cùng pha với sóng sơ cấp sau một số lần phản xạ hoàn hảo tùy ý. . Điều này có thể xảy ra khi đường quang truyền đi của sóng giữa hai lần trở lại thỏa mãn điều kiện:

trong đó m là một số nguyên, trong trường hợp này độ lệch pha sẽ là bội số của 2P:

Bây giờ, vì mỗi sóng khác pha so với sóng trước 2pi, điều này có nghĩa là tất cả các sóng rời khỏi bộ cộng hưởng sẽ cùng pha với nhau, tạo ra giao thoa biên độ cực đại. Bộ cộng hưởng sẽ có bức xạ song song gần như đơn sắc ở đầu ra.

Hoạt động của các gương bên trong bộ cộng hưởng sẽ cung cấp khả năng khuếch đại các chế độ tương ứng với sóng dừng bên trong bộ cộng hưởng; các chế độ khác (phát sinh do đặc thù của điều kiện thực tế) sẽ bị suy yếu.

Laser hồng ngọc - trạng thái rắn đầu tiên

Thiết bị thể rắn đầu tiên được chế tạo vào năm 1960 bởi nhà vật lý người Mỹ Theodore Maiman. Đó là tia laser hồng ngọc (hồng ngọc — Al2O3, trong đó một số vị trí mạng tinh thể — trong phạm vi 0,5% — được thay thế bằng crom bị ion hóa ba lần; càng nhiều crom, màu của tinh thể hồng ngọc càng đậm).

Tia laser hoạt động thành công đầu tiên được thiết kế bởi Tiến sĩ Ted Mayman vào năm 1960.

Một hình trụ hồng ngọc làm bằng tinh thể đồng nhất nhất, có đường kính từ 4 đến 20 mm và chiều dài từ 30 đến 200 mm, được đặt giữa hai chiếc gương được làm dưới dạng các lớp bạc được dán vào các đầu được đánh bóng cẩn thận của nó. hình trụ. Đèn phóng điện khí hình xoắn ốc bao quanh một hình trụ dọc theo toàn bộ chiều dài của nó và được cung cấp điện áp cao thông qua một tụ điện.

Khi bật đèn, viên ruby ​​​​được chiếu xạ mạnh, trong khi các nguyên tử crom chuyển từ cấp 1 sang cấp 3 (chúng ở trạng thái kích thích này trong thời gian ngắn hơn 10-7 giây), đây là nơi có nhiều khả năng chuyển sang cấp độ 2 được thực hiện - đến cấp độ siêu bền. Năng lượng dư thừa được truyền vào mạng tinh thể hồng ngọc. Chuyển tự phát từ cấp độ 3 lên cấp độ 1 không đáng kể.

Việc chuyển đổi từ cấp 2 sang cấp 1 bị cấm bởi các quy tắc lựa chọn, vì vậy thời lượng của cấp này là khoảng 10-3 giây, dài hơn 10.000 lần so với cấp 3, do đó, các nguyên tử tích tụ trong hồng ngọc ở cấp 2 — đây là quần thể đảo ngược của cấp 2.

Phát sinh tự phát trong quá trình chuyển đổi tự phát, các photon có thể gây ra sự chuyển đổi cưỡng bức từ cấp 2 sang cấp 1 và gây ra một trận tuyết lở các photon thứ cấp, nhưng những chuyển đổi tự phát này là ngẫu nhiên và các photon của chúng lan truyền hỗn loạn, chủ yếu rời khỏi bộ cộng hưởng qua thành bên của nó.

Nhưng những photon đập vào trục trải qua nhiều lần phản xạ từ các gương, đồng thời gây ra sự phát xạ cưỡng bức của các photon thứ cấp, một lần nữa gây ra sự phát xạ kích thích, v.v. Các photon này sẽ di chuyển theo hướng tương tự như các photon sơ cấp và dòng dọc theo trục của tinh thể sẽ tăng lên giống như một trận tuyết lở.

Luồng photon nhân lên sẽ thoát ra qua gương trong mờ bên của bộ cộng hưởng dưới dạng một chùm ánh sáng định hướng nghiêm ngặt có cường độ khổng lồ. Laser hồng ngọc hoạt động ở bước sóng 694,3 nm, trong khi công suất xung có thể lên tới 109 W

Laser neon với heli

Laser helium-neon (helium/neon = 10/1) là một trong những loại laser khí phổ biến nhất. Áp suất trong hỗn hợp khí là khoảng 100 Pa.Neon đóng vai trò là khí hoạt động, nó tạo ra các photon có bước sóng 632,8nm ở chế độ liên tục. Chức năng của helium là tạo ra một quần thể đảo ngược từ một trong những mức năng lượng cao hơn của neon. Độ rộng phổ của tia laser như vậy là khoảng 5 * 10-3 Hz Độ dài kết hợp 6 * 1011 m, thời gian kết hợp 2 * 103 ° C.

Khi một tia laser helium-neon được bơm, một sự phóng điện cao áp sẽ tạo ra sự chuyển đổi của các nguyên tử helium sang trạng thái kích thích siêu bền ở cấp độ E2. Các nguyên tử heli này va chạm không đàn hồi với các nguyên tử neon ở trạng thái cơ bản E1, truyền năng lượng của chúng. Năng lượng của mức E4 của neon cao hơn mức E2 của heli 0,05 eV. Sự thiếu hụt năng lượng được bù đắp bằng động năng của các va chạm nguyên tử. Kết quả là, ở cấp độ E4 của neon, thu được một quần thể đảo ngược so với cấp độ E3.

Các loại laser hiện đại

Theo trạng thái của môi trường hoạt động, laser được chia thành: rắn, lỏng, khí, bán dẫn và cả tinh thể. Theo phương pháp bơm, chúng có thể là: quang học, hóa học, xả khí. Theo bản chất của thế hệ, laser được chia thành: liên tục và xung. Những loại laze này phát ra bức xạ trong dải phổ điện từ nhìn thấy được.

Laser quang học xuất hiện muộn hơn các loại khác. Chúng có khả năng tạo ra bức xạ trong dải hồng ngoại gần, bức xạ như vậy (ở bước sóng lên tới 8 micron) rất phù hợp cho thông tin liên lạc quang học. Laser quang học chứa một sợi quang trong lõi trong đó một số ion của các nguyên tố đất hiếm thích hợp đã được đưa vào.

Hướng dẫn ánh sáng, giống như các loại laser khác, được lắp đặt giữa một cặp gương.Để bơm, bức xạ laze có bước sóng cần thiết được đưa vào sợi quang, sao cho các ion của các nguyên tố đất hiếm chuyển sang trạng thái kích thích dưới tác động của nó. Quay trở lại trạng thái năng lượng thấp hơn, các ion này phát ra các photon có bước sóng dài hơn bước sóng của tia laser ban đầu.

Bằng cách này, sợi quang hoạt động như một nguồn ánh sáng laser. Tần số của nó phụ thuộc vào loại nguyên tố đất hiếm được thêm vào. Bản thân sợi quang được làm bằng florua kim loại nặng, dẫn đến việc tạo ra bức xạ laze hiệu quả ở tần số của dải hồng ngoại.

Laser tia X chiếm phía đối diện của quang phổ — giữa tia cực tím và gamma — đây là các bậc cường độ có bước sóng từ 10-7 đến 10-12 m. Các loại laser này có độ sáng xung cao nhất trong tất cả các loại laser.

Laser tia X đầu tiên được chế tạo vào năm 1985 tại Mỹ, tại Phòng thí nghiệm Livermore. Lawrence. Tia laser phát ra trên ion selen, dải bước sóng từ 18,2 – 26,3 nm và độ sáng cao nhất rơi vào vạch bước sóng 20,63 nm. Ngày nay, bức xạ laser với bước sóng 4,6 nm đã được thực hiện với các ion nhôm.

Laser tia X được tạo ra bởi các xung có thời lượng từ 100 ps đến 10 ns, tùy thuộc vào thời gian tồn tại của sự hình thành plasma.

Thực tế là môi trường hoạt động của laser tia X là plasma bị ion hóa cao, ví dụ, thu được khi một màng mỏng yttri và selen được chiếu xạ bằng tia laser công suất cao trong phổ hồng ngoại hoặc khả kiến.

Năng lượng của tia laser tia X trong một xung đạt tới 10 mJ, trong khi độ phân kỳ góc trong chùm tia xấp xỉ 10 milliradian. Tỷ lệ công suất bơm so với bức xạ trực tiếp là khoảng 0,00001.