Фізичні основи роботи лазера
БІЛОукраїнський ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІНФОРМАТИКИ ТА РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ
РЕФЕРАТ на тему:
«Фізичні засади роботи лазера. Механізм збудження»
Фізичні засади роботи лазера
Процес лазерного випромінювання
Процес вимушеного випромінювання є основою лазерного посилення. Щоб використовувати цей процес, необхідно електрон, наприклад, в атомі (іоні, молекулі, твердому тілі) перевести з нижчого на вищий енергетичний рівень. Щоб практично реалізувати процес лазерного посилення, зазначений стан необхідно забезпечити у окремого атома, а й у цілого ансамблю атомів. Число атомів, що займають більш високий верхній лазерний рівень, має бути завжди більше заселеності низького лазерного рівня. Це називають інверсією населеності.
Які є можливості отримання такої інверсії населеності? Нагрівання не підходить, оскільки за законом випромінювання Планка (рис. 1.) високі рівні завжди заселені менше ніж низькі.
За законом випромінювання Планка при нагріванні відношення n2/n1 чисел населення прагне 1. Інверсії населеності досягти не можна.
Опромінення світлом (оптична накачування) системи лише з двома енергетичними рівнями навіть за значної інтенсивності накачування дає однакову населеність обох рівнів. Причина у тому, велика інтенсивність опромінення крім поглинання, тобто. заселення верхнього енергетичного рівня, призводить також до багатьох емісіям, тобто. до зниження населення верхнього рівня. Таким чином, за допомогою оптичного накачування дворівневої системи не можна зробити інверсію населеності. По-іншому справа всистемах з трьома та великою кількістю рівнів.
Система з трьома рівнями
Якщо системі з трьома енергетичними рівнями (рис. 2.) проводиться закачування з рівня 1 до рівня 3, то за спонтанної емісії, тобто. розпаді верхнього рівня, може бути населений рівень 2. Якщо це довгоживучий рівень, то згодом величина його населення збільшується.
Мал. 2. У трирівневій лазерній системі при дуже інтенсивному накачуванні з рівня 1 на рівень 3 можна отримати на рівні 2 більшу населеність, ніж на рівні 1.
При дуже великому накачуванні населеність цього другого рівня може бути принаймні на короткий час вище, ніж населеність нижнього лазерного рівня (основний стан).
Однак, коли лазер почне працювати, інверсія населеності швидко зменшиться. Потужність накачування тоді виявляється недостатньою, щоб постійно підтримувати інверсію населеності, отже лазери з трьома рівнями завжди є імпульсними лазерами.
Лазер із чотирма рівнями.
Якщо систему з трьома рівнями розширити ще один рівень 2' між рівнем 1 і рівнем 2 (рис. 3), можна уникнути проблем трирівневого лазера щодо короткої за часом інверсії населеності, за умови, що рівень 2' дуже короткоживущим. Якщо лазерний перехід здійснюється з рівня 2 до рівня 2', то рівень 2' під час роботи лазера у вигляді його короткого існування постійно спустошується основний рівень. У цій конфігурації навіть за незначної потужності накачування можна зберігати інверсію населеності між рівнями 2 і 2'. Лазери з 4-ма рівнями можуть працювати в безперервному режимі.
Мал. 3. У лазерній системі з 4-ма рівнями можна забезпечити навіть при слабкому накачуванніінверсію населеності на довгоживучому рівні 2 стосовно короткоживучого рівня 2'.
Слід звернути увагу, щоб за всіх механізмах порушення зміни заселеності окремих рівнів відбувалися з колу, тобто. закінчувалися на основному рівні, що дозволяє вступити в новий цикл накачування. У багатьох випадках цей цикл накачування закінчується принаймні частково на так званих «метастабільних триплетних рівнях» (рис. 4). Вони практично не розпадаються на основний стан, так що атоми тимчасово повністю накачуються в ці метастабільні стани і згодом не можуть використовуватися в циклі лазерного накачування, таким чином лазерна генерація припиняється. Цю проблему можна частково вирішити, якщо лазерне середовище постійно змінювати, наприклад, за допомогою прокачування. Інший спосіб - додавання так званого буферного газу. Тривалість існування метастабільного рівня в цьому випадку скорочується через зіткнення атомів та молекул, що беруть участь у лазерній генерації, з атомами або молекулами буферного газу.
Мал. 4. Якщо нижній лазерний рівень частково спустошується на метастабільний триплетний рівень, через деякий час генерація лазерного випромінювання припиняється.
Лазерні активні середовища
Як лазерне середовище можуть застосовуватися всі матеріали, у яких можна забезпечити інверсію населеності. Це можливо у таких матеріалів:
а) вільні атоми, іони, молекули, іони молекул у газах чи парах;
б) молекули барвників, розчинені у рідинах;
в) атоми, іони, вбудовані у тверде тіло;
г) леговані напівпровідники;
д) вільні електрони.
В одному елементі неоні спостерігається близько 200 різних лазерних переходів.
завиду лазерного активного середовища розрізняють газові, рідинні, напівпровідникові та твердотільні лазери. Як курйоз слід зазначити, що людське дихання, що складається з двоокису вуглецю, азоту і водяних ларів є відповідним активним середовищем для слабкого СО2 - лазера, а деякі сорти джину генерували вже лазерне випромінювання, оскільки вони містять достатню кількість хініну з блакитною флуоресценцією.
Відомі лінії лазерної генерації від ультрафіолетової області спектру (100 нм) до міліметрових довжин хвиль у далекому ІЧ-діапазоні. Лазери плавно переходять там у мазери.
Інтенсивно проводять дослідження в області лазерів в діапазоні рентгенівських хвиль. Але практичного значення набули лише два – три десятки типів лазерів.
Медичне застосування обмежується зараз CO2 – лазерами, лазерами на іонах аргону та криптону, Nd:YAG – лазерами безперервного та імпульсного режиму, лазерами на барвниках безперервного та імпульсного режиму. He-Ne-лазерами і GaAs-лазерами. Експериментальні лазери, Nd:YAG- лазери з подвоєнням частоти, Er:YAG- лазери та лазери на парах металів також все ширше застосовуються в медицині.
Рисунок 5. Типи лазерів, що найчастіше застосовуються в медицині.
З іншого боку, лазерні активні середовища можна розрізняти у тому, формують вони дискретні лазерні лінії, тобто. тільки в дуже вузькому певному інтервалі довжин хвиль, або безперервно випромінюють в широкій області довжин хвиль.
Вільні атоми та іони мають через їх чітко визначені енергетичні рівні дискретні лазерні лінії. Багато твердотільних лазерів випромінюють також на дискретних лініях (рубінові лазери, Nd:YAG-лазери).
Були розроблені, однак, також твердотільні лазери (лазери на центрах фарбування, лазери на олександриті, наалмазі), довжини хвиль випромінювання у яких безперервно можуть змінюватися у великій спектральній області. Це стосується особливо лазерів на барвниках, у яких ця техніка прогресувала максимально. Лазери на напівпровідниках через зонну структуру енергетичних рівнів напівпровідників також мають дискретних чітких лазерних ліній генерації.
Як було згадано, генерація лазерного випромінювання може бути досягнута, якщо є інверсія населеності двох енергетичних рівнів. Щоб отримати цю інверсію населеності, у лазерне середовище має бути введена енергія у відповідній формі. Цього можна досягти по-різному, незалежно від специфічного лазерного процесу. Проте той чи інший метод збудження слід вибирати та оптимізувати спеціально для відповідного типу лазера. Основні методи збудження - це збудження дуже інтенсивним світлом, так звана оптична накачування, і збудження електричним газовим розрядом. У напівпровідникових лазерах збудження здійснюється безпосередньо електричним струмом. Для збудження можна використовувати також хімічні реакції.
Якщо лазерне середовище опромінюють інтенсивним світлом, завдяки поглинанню можуть бути населені більш високі енергетичні рівні. Цей процес називають "оптичним накачуванням". Як джерела світла в більшості випадків застосовуються дуже інтенсивні лампи-спалахи, безперервно випромінюючі лампи високого тиску, а також інші лазери. Так як лампи-спалахи випромінюють у широкому спектральному діапазоні, то лазерні середовища з багатьма рівнями збудження або навіть смугами збудження особливо підходять для оптичного накачування, бо накачування виконується тільки довжинами хвиль, які точно відповідають різниці енергії між двома рівнями. Тому що дляДля стимуляції лазерного переходу використовується тільки частина енергії збудження, то довжина генерованої лазерної хвилі завжди більша, ніж довжина хвилі збудження.
Рисунок 6. Приклад колінеарного накачування лазера іншим лазером (лазером накачування). Довжина хвилі генерації завжди більша, ніж довжина хвилі накачування, завдяки чому промінь накачування та лазерний промінь можуть бути розділені дисперсійною призмою.
Для створення інверсії населеності при газоподібних або пароподібних лазерних активних середовищах можна використовувати газові розряди. У газовому розряді нейтральний газ частково розпадається на іони та електрони. В результаті електричного поля, що створюється в розряді, електрони прискорюються і стикаються з атомами або іонами. При цьому кінетична енергія електронів передається партнеру зі зіткнення. Ця енергія безпосередньо може бути використана населення верхнього лазерного рівня.
Щільність струму газових розрядах може досягати дуже високої величини. Тому необхідно використовувати дорогі системи охолодження розрядної трубки. Щоб укласти розряд у дуже вузькі канали, необхідні також значні магнітні поля: котушки, що їх створюють, також вимагають охолодження.
Для підвищення ефективності створення інверсії населеності в активне середовище часто додається газ накачування, що має метастабільний рівень, з якого верхній рівень лазера може бути збуджений зіткненнями другого роду. Щоб це збудження за допомогою зіткнень було ефективним, метастабільний рівень і верхній лазерний рівень повинні мати приблизно однакову енергію. Завдяки випромінювальним переходам з інших рівнів, які збуджуються газовими розрядами, підвищується населеність цього метастабільного рівня, де накопичується збудження багатьох рівнів.
Коли атом накачування в метастабільному стані співпадає з лазерним атомом в основному стані, то енергія збудження передається лазерному атому (рис. 7).
Мал. 7. Схема процесу збудження з використанням газу накачування.
Невелика частина електронів високої енергії газового розряду збуджує високі рівні газу накачування. Порушені стани розпадаються на метастабільний рівень, де накопичується енергія збудження. За допомогою зіткнень енергія накачування переноситься на верхній рівень лазера.
Малюнок 8. Декілька прикладів співвідношення енергії накачування і енергії випромінювання, що генерується.
Коефіцієнт корисної дії лазерів різних типів різний.
Наприклад, в іонних лазерах потрібно спочатку забезпечити енергію іонізації, потім енергію збудження в іонізованому стані. Але для лазерного переходу можна використовувати лише малу частку застосованої енергії накачування.
Набагато краще справи, наприклад, з СО2 - лазерами. Тут досягають верхнього лазерного рівня із значно меншою витратою енергії. Декілька прикладів співвідношення енергії накачування та енергії генерації показано на рис. 8.
1. Бєлова А.М. Нейрореабілітація.-М. Антидор, 2000 р. - 568с.
2. Прикладна лазерна медицина. За ред. Х.П. Берлієна, Г.І. Мюллера. - М.: Інтерекспорт, 2007р.
3. Олександрівський А.А. Комп'ютеризована кардіологія. Саранськ; "Червоний Жовтень" 2005: 197.
4. Розробка та постановка медичних виробів на виробництво. Державний стандарт Республіки Білорусь у СТБ 1019-2000.
5. Штарк М.Б., Скок А.Б. Застосування електроенцефалографічного біоуправління у клінічній практиці. М. - 2004 р
6. Боголюбов В.М., Пономаренко Г.М. Загальна фізіотерапія. М., СПб.:СЛП, 2008.