Prvi princip laserja, katerega fizika je temeljila na Planckovem zakonu sevanja, je teoretično utemeljil Einstein leta 1917. Opisal je absorpcijo, spontano in stimulirano elektromagnetno sevanje z uporabo verjetnostnih koeficientov (Einsteinovih koeficientov).
Pionirji
Theodor Meiman je prvi pokazal princip delovanja rubinskega laserja, ki temelji na optičnem črpanju sintetičnega rubina z bliskavico, ki je proizvajala impulzno koherentno sevanje z valovno dolžino 694 nm.
Leta 1960 sta iranska znanstvenika Javan in Bennett ustvarila prvi plinski kvantni generator z uporabo mešanice He in Ne plinov v razmerju 1:10.
Leta 1962 je RN Hall demonstriral prvi galijev arzenid (GaAs) diodni laser, ki oddaja valovno dolžino 850 nm. Kasneje istega leta je Nick Golonyak razvil prvi polprevodniški kvantni generator vidne svetlobe.
Zasnova in princip delovanja laserjev
Vsak laserski sistem je sestavljen iz nameščenega aktivnega medijamed parom optično vzporednih in zelo odbojnih ogledal, od katerih je eno prosojno, in virom energije za njegovo črpanje. Ojačevalni medij je lahko trdna, tekoča ali plinasta snov, ki ima lastnost, da s stimulirano emisijo z električnim ali optičnim črpanjem poveča amplitudo svetlobnega vala, ki poteka skozi njega. Snov je postavljena med par ogledal tako, da svetloba, ki se odbije v njih, vsakokrat preide skozi njo in, ko doseže znatno ojačanje, prodre v prosojno ogledalo.
Dvotirna okolja
Razmislimo o principu delovanja laserja z aktivnim medijem, katerega atomi imajo samo dve energijski ravni: vzbujeno E2 in osnovno E1 . Če so atomi vzbujeni v stanje E2 s katerim koli mehanizmom črpanja (optičnim, električnim razelektritvijo, prenosom toka ali bombardiranjem z elektroni), potem se po nekaj nanosekundah vrnejo v zemeljski položaj in oddajajo fotone energije hν=E 2 - E1. Po Einsteinovi teoriji se emisija proizvaja na dva različna načina: bodisi jo povzroči foton, bodisi se zgodi spontano. V prvem primeru poteka stimulirana emisija, v drugem pa spontana emisija. Pri toplotnem ravnotežju je verjetnost stimulirane emisije veliko manjša od spontane emisije (1:1033), zato je večina običajnih svetlobnih virov nekoherentna, laserska generacija pa je možna tudi v drugih pogojih kot pri toplotnih ravnotežje.
Tudi z zelo močnimičrpanja, se lahko populacija dvonivojskih sistemov le izenači. Zato so za dosego inverzije populacije z optičnimi ali drugimi metodami črpanja potrebni tri- ali štiristopenjski sistemi.
Večstopenjski sistemi
Kakšen je princip tristopenjskega laserja? Obsevanje z intenzivno svetlobo frekvence ν02 črpa veliko število atomov z najnižje energetske ravni E0 na najvišjo energijsko raven E 2. Nesevalni prehod atomov iz E2 v E1 vzpostavi populacijsko inverzijo med E1 in E 0 , kar je v praksi možno le, če so atomi dlje časa v metastabilnem stanju E1, in prehod iz E2do E 1 gre hitro. Načelo delovanja trinivojskega laserja je izpolnjevanje teh pogojev, zaradi katerih se med E0 in E1 doseže populacijska inverzija in fotoni se ojačajo z energijo E 1-E0 inducirana emisija. Širša raven E2 bi lahko povečala območje absorpcije valovne dolžine za učinkovitejše črpanje, kar bi povzročilo povečanje stimulirane emisije.
Tristopenjski sistem zahteva zelo visoko moč črpalke, saj je nižja raven, ki sodeluje pri proizvodnji, osnovna. V tem primeru, da pride do inverzije populacije, je treba več kot polovico celotnega števila atomov črpati v stanje E1. Pri tem se izgublja energija. Moč črpanja je lahko precejšnjazmanjšati, če nižja generacijska raven ni osnovna, kar zahteva vsaj štiristopenjski sistem.
Odvisno od narave učinkovine so laserji razdeljeni v tri glavne kategorije, in sicer na trdne, tekoče in plinaste. Od leta 1958, ko je bilo lasersko žarenje prvič opaženo v kristalu rubina, so znanstveniki in raziskovalci preučevali najrazličnejše materiale v vsaki kategoriji.
Solid State Laser
Načelo delovanja temelji na uporabi aktivnega medija, ki nastane z dodajanjem kovine prehodne skupine v izolacijsko kristalno mrežo (Ti+3, Cr +3, V+2, С+2, Ni+2, Fe +2 itd.), ioni redkih zemelj (Ce+3, Pr+3, Nd +3, Pm+3, Sm+2, Eu +2, +3 , Tb+3, Dy+3, Ho+3 , Er +3, Yb+3 itd.) in aktinidi, kot je U+3. Energijske ravni ionov so odgovorne samo za nastajanje. Fizične lastnosti osnovnega materiala, kot sta toplotna prevodnost in toplotna ekspanzija, so bistvene za učinkovito delovanje laserja. Razporeditev atomov mreže okoli dopiranega iona spremeni njegove energijske ravni. Različne valovne dolžine generiranja v aktivnem mediju se dosežejo z dopiranjem različnih materialov z istim ionom.
holmijev laser
Primer polprevodniškega laserja je kvantni generator, v katerem holmij nadomesti atom osnovne snovi kristalne mreže. Ho:YAG je eden izmed materialov najboljše generacije. Načelo delovanja holmijevega laserja je, da je itrijev aluminijev granat dopiran s holmijevimi ioni, optično črpana z bliskavico in oddaja valovno dolžino 2097 nm v IR območju, ki ga tkiva dobro absorbirajo. Ta laser se uporablja za operacije na sklepih, pri zdravljenju zob, za izhlapevanje rakavih celic, ledvičnih in žolčnih kamnov.
Polprevodniški kvantni generator
Laserji kvantne vrtine so poceni, množično izdelani in jih je enostavno razširjati. Načelo delovanja polprevodniškega laserja temelji na uporabi diode p-n spoja, ki proizvaja svetlobo določene valovne dolžine z rekombinacijo nosilcev pri pozitivnem prednapetju, podobno kot pri LED. LED oddajajo spontano, laserske diode pa prisilno. Za izpolnitev pogoja inverzije populacije mora obratovalni tok preseči mejno vrednost. Aktivni medij v polprevodniški diodi ima obliko veznega območja dveh dvodimenzionalnih plasti.
Načelo delovanja te vrste laserja je takšno, da za vzdrževanje nihanja ni potrebno zunanje ogledalo. Za ta namen zadostuje odbojnost, ki jo ustvarita lomni količnik plasti in notranji odboj aktivnega medija. Končne površine diod so odrezane, kar zagotavlja, da so odbojne površine vzporedne.
Povezava, ki jo tvorijo polprevodniški materiali iste vrste, se imenuje homojunction, povezava, ustvarjena s povezavo dveh različnih, pa se imenujeheterojunction.
P- in n-tip polprevodnikov z visoko gostoto nosilcev tvorita p-n stičišče z zelo tanko (≈1 µm) plastjo izčrpavanja.
Plinski laser
Načelo delovanja in uporaba te vrste laserja vam omogoča ustvarjanje naprav skoraj katere koli moči (od milivatov do megavatov) in valovnih dolžin (od UV do IR) ter omogoča delo v impulznih in neprekinjenih načinih. Glede na naravo aktivnih medijev obstajajo tri vrste plinskih kvantnih generatorjev, in sicer atomski, ionski in molekularni.
Večina plinskih laserjev se črpa z električno razelektritvijo. Elektrone v razelektrični cevi pospešuje električno polje med elektrodama. Trčijo v atome, ione ali molekule aktivnega medija in povzročijo prehod na višje energetske ravni, da dosežejo stanje populacije inverzije in stimulirane emisije.
Molekularni laser
Načelo delovanja laserja temelji na dejstvu, da imajo molekule v atomskih in ionskih kvantnih generatorjih za razliko od izoliranih atomov in ionov široke energijske pasove diskretnih energijskih nivojev. Poleg tega ima vsaka elektronska energijska raven veliko število vibracijskih nivojev, ti pa imajo več rotacijskih nivojev.
Energija med nivoji elektronske energije je v UV in vidnem delu spektra, medtem ko med vibracijsko-rotacijskimi nivoji - v daljnem in bližnjem IRobmočja. Tako večina molekularnih kvantnih generatorjev deluje v daljnih ali blizu infrardečih območjih.
Excimer laserji
Excimeri so molekule, kot so ArF, KrF, XeCl, ki imajo ločeno osnovno stanje in so stabilne na prvi ravni. Načelo delovanja laserja je naslednje. Število molekul v osnovnem stanju je praviloma majhno, zato neposredno črpanje iz osnovnega stanja ni možno. Molekule nastanejo v prvem vzbujenem elektronskem stanju z združevanjem visokoenergijskih halogenidov z inertnimi plini. Populacija inverzije je zlahka dosežena, saj je število molekul na osnovni ravni premajhno v primerjavi z vzbujeno. Načelo delovanja laserja je skratka prehod iz vezanega vzbujenega elektronskega stanja v disociativno osnovno stanje. Populacija v osnovnem stanju vedno ostane na nizki ravni, ker se molekule na tej točki disociirajo na atome.
Naprava in princip delovanja laserjev je, da je odvodna cev napolnjena z mešanico halogenida (F2) in plina redkih zemelj (Ar). Elektroni v njem disociirajo in ionizirajo molekule halidov ter ustvarijo negativno nabite ione. Pozitivni ioni Ar+ in negativni F- reagirajo in proizvedejo molekule ArF v prvem vzbujenem vezanem stanju z njihovim kasnejšim prehodom v odbojno osnovno stanje in generiranjem koherentno sevanje. Excimer laser, katerega načelo delovanja in uporabe zdaj razmišljamo, se lahko uporablja za črpanjeaktivni medij na barvilih.
Tekoči laser
V primerjavi s trdnimi snovmi so tekočine bolj homogene in imajo večjo gostoto aktivnih atomov kot plini. Poleg tega so enostavni za izdelavo, omogočajo enostavno odvajanje toplote in jih je mogoče enostavno zamenjati. Načelo delovanja laserja je uporaba organskih barvil kot aktivnega medija, kot so DCM (4-dicianometilen-2-metil-6-p-dimetilaminostiril-4H-piran), rodamin, stiril, LDS, kumarin, stilben itd. …, raztopljen v ustreznem topilu. Raztopino molekul barvila vzbuja sevanje, katerega valovna dolžina ima dober absorpcijski koeficient. Načelo delovanja laserja, skratka, je generiranje na daljši valovni dolžini, ki se imenuje fluorescenca. Razliko med absorbirano energijo in oddanimi fotoni uporabljajo nesevalni energijski prehodi in segrejejo sistem.
Širši fluorescenčni pas tekočih kvantnih generatorjev ima edinstveno lastnost - uravnavanje valovne dolžine. Načelo delovanja in uporaba te vrste laserja kot nastavljivega in koherentnega vira svetlobe postaja vse pomembnejša v spektroskopiji, holografiji in biomedicinskih aplikacijah.
V zadnjem času so bili za ločevanje izotopov uporabljeni kvantni generatorji barvil. V tem primeru laser selektivno vzbudi enega od njih in jih spodbudi, da vstopijo v kemično reakcijo.
