Među njihovim mnogim aplikacijama, laseri se koriste u optičkim diskovima , laserskih pisača i barkod skenera , fiber-optičkih i slobodnog prostora optičkih komunikacija , laserske operacije i tretmani; za rezanje i zavarivanje materijali; vojni i policijski uređaji za označavanje ciljeva i mjerenje opseg i brzinu; i laser rasvjeta prikazuje u zabavu.
Osnove
Moderni teleskopi koriste laserske tehnologije kako bi se nadoknadila zamućivanja efekt Zemljine atmosfere. [3]
Laseri se razlikuju od drugih izvora svjetla po njihovoj dosljednosti . Prostorna usklađenost obično izražava kroz izlaz bude uskog snopa, koji je difrakcija-ograničen . Laserske zrake može biti usmjerena na vrlo sitne mrlje, postizanje vrlo visoke iradijanciju , ili oni mogu imati vrlo nisku divergenciju, kako bi se koncentrirati svoje snage na velikoj udaljenosti.
Vremenska (ili uzdužno) koherentnost podrazumijeva polariziran val na jednoj frekvenciji čiji faza je povezana na relativno velikoj udaljenosti (u dužini koherentnost ) duž zrake. [4] Zraka produced by toplinske ili drugog nesuvislim izvor svjetla ima trenutnu amplitudu i fazu koja nasumično variraju s obzirom na vrijeme i položaju, tako da imaju kratku usklađivanje.
Laseri karakterizira prema njihovom valnoj duljini u vakuumu. Većina "jednoj valnoj duljini" laseri zapravo proizvode zračenju na nekoliko načina koji imaju malo različite frekvencije (valne duljine), često nisu u jednoj polarizaciji. Iako vremenske koherencije podrazumijeva monochromaticity, postoje laseri koji emitiraju širok spektar svjetlosti ili emitiraju različite valne duljine svjetlosti istovremeno. Postoje neki laseri koji nisu pojedinačni prostorni način rada i prema tome imaju svjetlosne zrake koje odstupaju više nego što je potrebno od strane granice difrakcije . Međutim, svi takvi uređaji su klasificirani kao "laseri" na temelju njihove metodi za dobivanje svjetla, odnosno, stimulirana emisija. Laseri se koriste u aplikacijama gdje svjetlost potrebna prostornoj ili vremenskoj usklađenosti ne može biti proizveden pomoću jednostavnije tehnologije.
Terminologija
Laserske zrake u magli, što se odražava na vjetrobransko staklo na automobilu
Riječ laser nastala kao akronim za "pojačanje svjetla poticanjem emisije zračenja". U modernoj uporabi, izraz "Svjetlo" obuhvaća elektromagnetsko zračenje bilo koje frekvencije, a ne samo vidljivu svjetlost , dakle uvjete infracrveni laser, ultraljubičasto laser, X-ray laser, gama-zraka laser , i tako dalje. Zbog mikrovalnoj prethodnika laserom, Maser , razvijen je prvi uređaji ove vrste koji djeluju na mikrovalne i radio frekvencija se nazivaju "maserom", a ne "mikrovalne laseri" ili "radio lasera". U ranom stručnoj literaturi, posebno na Bellovi Laboratories , laser se naziva optički maser; ovaj pojam je sada zastario. [5]
Laser koji proizvodi svjetlost sama po sebi je tehnički optički oscilator a ne optičko pojačalo kako je predložio akronim. To je duhovito primijetio da je akronim gubitnik, za "svjetlo titranja stimuliranom emisijom zračenja", bilo bi ispravnije. [6] S rasprostranjenog korištenja originalnog akronim kao zajednička imenica, optička pojačala su došli da se iz kao "laserske pojačala", bez obzira na prividnu redundancije u toj oznaci.
Back-formirana glagol lase se često koristi na terenu, što znači "za proizvodnju laserske svjetlosti", [7] a posebno u odnosu na dobitak mediju lasera; kada je laser radi se kaže da je "postojan". Daljnja upotreba riječi laser i Maser u produženom smislu, ne misleći na laserske tehnologije ili uređaja, može se vidjeti u običajima, kao što su astrofizičkog Maser i atoma lasera .
Dizajn
Dijelovi tipičnog lasera:
1. Dobit medij
2. Laser crpljenje energije
3. Visoka reflektor
4. Izlaz sprežnik
5. laserskim snopom
File: Laserski, kvantna principle.ogv
Animacija objašnjavajući stimulirana emisija i laser princip
Glavni članak: Laser gradnja
Laser se sastoji od pojačanja medija , mehanizam da ga energizirati i nešto pružiti optičku povratnu informaciju . [8] Dobitak medij je tvar sa svojstvima koja omogućuju da se pojača svjetlo na način poticanjem emisije zračenja. Svjetlost određene valne duljine koja prolazi kroz dobitak medij je pojačan (povećanje snage).
Za dobitak medij za pojačavanje svjetlosti, ona mora biti napajan u procesu koji se zove pumpanje . Energija se obično nabavlja kao električnom strujom ili kao svjetlo na različite valne duljine. Svjetlo crpke mogu se osigurava bljesak svjetiljke ili druga laserom.
Najčešći tip lasera koristi povratnu informaciju od jednog optičkog šupljine -a par zrcala na oba kraja pojačanja medija. Svjetlo odskočiti natrag i naprijed između ogledala, prolazeći kroz dobitak medij i koji pojačavaju svaki put. Obično jedan od dva zrcala je izlaz sprežnik , djelomično transparentan. Neke od svjetlosti pobjegne kroz ovu ogledalo. Ovisno o dizajnu šupljine (bilo ogledala su ravna ili zakrivljena ), svjetlo koje dolazi iz lasera se može rasporediti ili čine uski snop . Analogno elektronskih oscilatora , ovaj uređaj se ponekad naziva laserski oscilator.
Većina praktične laseri sadrže dodatne elemente koji utječu na svojstva emitiranog svjetla, kao što je polarizacija, valnoj duljini i obliku zrake.
Laser fizike
Vidi također: Laser znanosti
Elektroni i kako su u interakciji s elektromagnetskim poljima su važni u našem razumijevanju kemije i fizike .
stimulirana emisija
Glavni članak: stimulirana emisija
U klasičnom prikazu , energija elektrona u orbiti atomsku jezgru je veća za orbitama dalje od jezgre jednog atoma . Međutim, kvantni mehanički efekti prisiljava elektrone da se na diskretnim mjestima u orbitala . Dakle, elektroni se nalaze u specifičnim energetskim razinama od atoma, od kojih su dvije prikazane su u nastavku:
poticanoj Emission.svg
Kada se elektron apsorbira energiju ili od svjetlosti ( fotona ) ili topline ( vrpcama ), prima taj incident kvantum energije. Ali prijelazi je dozvoljeno između diskretnih razina energije, kao što su to dvoje gore prikazano. To dovodi do emisije linije i apsorpcijskim linijama .
Kad bi se elektron uzbuđen s niže na višu razinu energije, ona neće ostati na taj način zauvijek. Elektron u pobuđenom stanju može pasti na niže energetsko stanje koje nije zauzeto, navodi se u određenom vremenskom konstantom koja karakterizira taj prijelaz. Kada se takav elektron propada bez vanjskih utjecaja, stvara foton, koji se zove " spontana emisija ". Faza povezan s fotona koja se emitira je slučajna. Materijal sa mnogo atoma u takvom pobuđenog stanja mogu tako dovesti do radijacije koja je vrlo spektralno ograničena (okupljenih oko jedne valne duljine svjetlosti), ali pojedinačne fotone ne bi imala zajednički odnos faza i da će proizaći u slučajnim smjerovima. To je mehanizam fluorescencije i toplinske emisije .
Vanjski elektromagnetsko polje na frekvenciji koja je povezana s prijelazom mogu utjecati na kvantno mehanička stanje atoma. Kako je elektron u atomu čini prijelaz između dva stacionarna stanja (od kojih niti prikazuje polje dipol), on ulazi u prijelazno stanje koje nema teren dipol, a koji djeluje kao mali električni dipol , a to dipol oscilira na karakteristična frekvencija. Kao odgovor na vanjskog električnog polja na toj frekvenciji, vjerojatnost atoma koji ulaze u ovu prijelazno stanje znatno se povećava. Dakle, stopa prijelaza između dva stacionarna stanja je pojačana preko toga zbog spontane emisije. Takav prijelaz na višu stanje se naziva apsorpciju , te uništava upadni foton (foton energija ide u napajanje povećanu energiju višem stanju). Prijelaz iz viših u niže energetsko stanje, međutim, stvara dodatnu foton; To je proces stimulirane emisije.
Dobitak srednje i šupljine
He-Ne laser demonstracija na Kastler-Brossel laboratorija na Univ. Pariz 6 . Ružičasta-narančasti sjaj prolazi kroz središte cijevi od električnog izboja koji proizvodi nepovezanim svjetlo, baš kao u neonskim cijevi. Ova sjajna plazma je uzbuđen, a zatim djeluje kao dobitak medij kroz koji prolazi unutrašnja greda, kao što se ogleda između dva ogledala. Lasersko zračenje izlaz kroz ulazna ogledalo se može vidjeti proizvoditi maleni (oko 1 mm u promjeru) intenzivne mjesto na zaslonu s desne strane. Iako je dubok i čista crvena boja, mrlje od laserskog svjetla su tako intenzivan da kamere obično preeksponiran i iskrivljuju njihovu boju.
Spektar je helij-neonski laser pojasniti vrlo visoku spektralnu čistoću (ograničeno mjerne opreme). 0,002 nm propusnost od trajan medij je i više od 10.000 puta uži od spektralne širine svjetlosna dioda (čiji spektar je prikazan ovdje radi usporedbe), uz propusnost od samo jednog uzdužnog modu bude mnogo uži i dalje.
Dobitak medij uzbuđen vanjskog izvora energije u pobuđeno stanje. U većini lasera ovaj medij sastoji se od populacije atoma koji su uzbuđeni u takvo stanje pomoću vanjskog izvora svjetla, ili električno polje koje opskrbljuju energijom za atomi apsorbiraju i biti pretvoren u njihove pobuđenom stanju.
Dobitak medij lasera je obično materijal kontrolirane čistoće, veličina, koncentracija i oblika, što pojačava greda prema postupku iz stimuliranog emisije je gore opisano. Ovaj materijal može biti bilo koje stanje : plin, tekućina, krutina, ili plazma . Dobitak medij apsorbira energiju crpke, čime se podiže neke elektrone u više-energiju ( " uzbuđuje ") kvantnih stanja . Čestice mogu komunicirati sa svjetlom od strane bilo koje apsorbiraju ili emitiraju fotone. Emisija može biti spontan ili stimulirana. U potonjem slučaju, foton se emitira u istom smjeru kao i svjetla koje se prolazi. Kada je broj čestica u jednom pobuđenom stanju veći od broja čestica u nekom niže energetsko stanje, stanovništvo inverzija postiže i količina stimulirane emisije zbog svjetlosti koja prolazi kroz veći od iznosa apsorpcije. Dakle, svjetlo se pojačavaju. Sama po sebi, ova čini optički pojačalo . Kad optičko pojačalo se nalazi unutar rezonantne optičke šupljine, dobiva laserski oscilator. [9]
U nekoliko slučajevima moguće je da se dobije postojan samo jednom prolazu EM zračenja kroz dobiti medija, a to stvara lasersku zraku bez potrebe za rezonantne i reflektirajućom šupljine (vidi, na primjer, dušika laser ). [10] Tako refleksija u rezonantnoj šupljini obično potrebno za laser, ali nije apsolutno neophodno.
Optički rezonator se ponekad naziva kao "optički šupljine", ali to je pogrešan naziv: laseri koriste otvorene rezonatori za razliku od doslovnog šupljinu koja će biti zaposlena na mikrovalnim frekvencijama u Maser . Rezonator obično se sastoji od dva ogledala između kojih koherentna zraka svjetlosti putuje u oba smjera, što odražava natrag na sebi, tako da je prosječna foton će proći kroz dobitak medij više puta prije nego što se emitira iz izlaznog otvora blende ili izgubio prahu ili apsorpcije. Ako se dobitak (pojačanje) u mediju veća od gubitaka rezonator, onda moć svjetlosti povratne može rasti eksponencijalno . Ali svaki stimulirana događaj emisija vraća atom iz svog pobuđenog stanja u osnovno stanje, čime se smanjuje dobit od medija. Uz povećanje snage snopa je neto dobit (dobit gubitak minus) svodi na jedinstvo, a dobitak medij rekao da se zasiti. U kontinuiranim valom (CW) laser, odnos snaga pumpe protiv dobitak zasićenja i šupljina gubitaka proizvodi ravnotežna vrijednost snage lasera unutar šupljine; ova ravnoteža određuje radnu točku lasera. Ako se primjenjuje snaga pumpe je premala, dobit nikada neće biti dovoljna da nadoknadi gubitke rezonator i lasersko svjetlo neće biti proizvedena. Minimalna snaga crpke potrebne za početak laserski akcija se zove postojan prag . Dobitak medij će pojačati sve fotone koji prolaze kroz njega, bez obzira na smjer; ali samo fotoni u prostornom načinu podržava rezonator će proći više od jednom putem medija i primiti znatnu pojačanje.
Svjetlost emitirana
Svjetlost nastaje stimuliranom emisijom je vrlo sličan signalu u smislu valne duljine, faze i polarizacije. To daje lasersko svjetlo odlikuje koherentnost, a omogućuje da se održavati ujednačenu polarizaciju i često monochromaticity utvrđuje optički dizajn šupljine.
Snop u šupljinu i izlazni snop lasera, vrijeme putovanja u slobodan prostor (ili homogene medija) umjesto valovoda (kao u optičko vlakno laserom), može se aproksimirati kao Gaussove grede u većini lasera; takvi nosači pokazuju minimalnu divergenciju za određenog promjera. Međutim, neke velike snage lasera može biti višemodno, s poprečnim načina često aproksimiranih koristeći Hermite - Gaussove ili Laguerre -Gaussian funkcije. Pokazalo se da su nestabilne laserske rezonatori (ne koristi se u većini laseri) proizvode fraktal u obliku zrake. [11] U blizini grede "struka" (ili žarišna područja ) je vrlo collimated : na valne fronte su planarne, okomito na smjer širenja , bez razdvajanje snopa u tom trenutku. Međutim, zbog difrakcije , koji može samo ostati vjeran i unutar raspona Rayleigh . Snop single transverzalni način (Gaussov snop) lasera na kraju odstupa pod kutom koji varira inverzno s promjerom snopa, kako to zahtijeva difrakcije teorije. Dakle, "olovka zrake" izravno generira zajedničkog He-Ne laser će raširi do veličine od možda 500 kilometara kad zasja na Mjesecu (s udaljenosti od Zemlje). S druge strane, svjetlo od poluvodičkog lasera obično izlazi maleni kristal s velikom divergencije: do 50 °. Međutim, čak i takva divergentne zrake može se pretvoriti u sličan nekolimirane zrake pomoću leća sustava, kao i uvijek uključen, na primjer, u laser pointer čija svjetlost potječe od laserske diode . Je to moguće zbog biće svjetlosti jednog prostornog način. Ova jedinstvena nekretnina laserske svjetlosti, prostornog koherentnosti , ne može se replicirati pomoću standardnih izvora svjetla (osim bacanjem većina svjetla), kao što se može vidjeti usporedbom snop iz svjetiljke (baklja) ili reflektora na onu gotovo bilo lasera.
Kvantna vs procesi klasična emisija
Mehanizam za proizvodnju zračenja u laser oslanja na stimuliranom emisijom , gdje se energija izvađen iz tranzicije atoma ili molekule. To je kvantni fenomen otkrio Einstein koji je izveden odnos između koeficijenta A opisuje spontani emisija i koeficijent B koja se odnosi na apsorpciju i stimulirana emisija. Međutim, u slučaju slobodnih elektrona laser , atomska razina energije nisu uključeni; čini se da će rad ovog prilično egzotične uređaja može se objasniti bez pozivanja na kvantne mehanike .
Kontinuirano i pulsirajućeg načina rada
LIDAR mjerenja lunarnog topografiju izradio Clementine misije.
Laserlink od točke do točke optički bežične mreže
Merkur Laser visinomjera (MLA) za MESSENGER letjelice
Laser može biti klasificirana kao u bilo kojoj stalno ili pulsirajući način, ovisno o tome da li je izlazna snaga je bitno kontinuirano tijekom vremena ili da li je izlaz u obliku impulsa svjetlosti na jednoj ili drugoj vremenskoj skali. Naravno, čak i laserom čiji izlaz je normalno kontinuirano može biti namjerno uključiti i isključiti u nekom omjeru kako bi se stvorili impulsi svjetlosti. Kada je stopa modulacije na vrijeme vage mnogo sporije od trajanja šupljine i vremenskom razdoblju tijekom kojeg se energija može biti pohranjen u trajan medij ili mehanizam za pumpanje, onda dalje je klasificiran kao "modulirani" ili "pulsirajućim" kontinuiranog lasera. Većina laserske diode u komunikacijskim sustavima spadaju u tu kategoriju.
Kontinuirani rad val
Neke primjene lasera ovisi o gredi čija je izlazna snaga je konstantna tijekom vremena. Takav laser je poznat kao kontinuirani val (CW). Mnoge vrste lasera može se raditi u kontinuiranom valu modu da zadovolji takav zahtjev. Mnogi od tih lasera zapravo lase u nekoliko uzdužnih načina u isto vrijeme, a tuče između neznatno različitih optičkih frekvencija tih oscilacija će zapravo proizvoditi amplituda varijacije na vremenskim skalama kraće od vremena obilaska (recipročna vrijednost razmaka frekvencije između modovi), u pravilu nekoliko nanosekundi ili manje. U većini slučajeva ovi laseri su još uvijek nazivaju "kontinuirani val" kao njihove izlazne snage je postojan kada prosjeku iznosi više od bilo duže vrijeme, s vrlo visokih frekvencija varijacija snage imaju mali ili nikakav utjecaj na primjenu. (Međutim pojam ne primjenjuje se na mod zaključana lasera, gdje je namjera stvoriti vrlo kratke pulseve po stopi od vremena obilaska).
Za kontinuirani rad vala je to potrebno za inverzije naseljenosti od pojačanja medija koji se stalno puniti stalan izvor pumpe. U nekim trajan medija to je nemoguće. U nekim drugim laserima to će zahtijevati pumpanje lasera na vrlo visokoj kontinuiranom snagom koja će biti nepraktično ili uništiti laser stvara prekomjerne topline. Takvi laseri ne mogu se izvoditi u CW modu.
pulsa
Pulsirajuće djelovanje lasera se odnosi na bilo laser nije klasificirano kao kontinuirani val, tako da je optička snaga pojavljuje se u impulsima neke trajanja u nekom ponavljanja stopa. To obuhvaća širok raspon tehnologija bave niz različitih motiva. Neki laseri su pulsiranje jednostavno zato što ne mogu se izvoditi u kontinuiranom modu.
U drugim slučajevima primjena zahtijeva proizvodnju pulseva kao veliku energiju što je više moguće. Budući da je energija pulsa je jednak prosječnom snagom podijeljena po stopi ponavljanja, taj cilj može ponekad biti zadovoljni smanjenjem stope impulsa, tako da se više energije može izgraditi na između impulsa. U laserska ablacija npr mali volumen materijala na površini radnog komada može se upari da se grije u vrlo kratkom vremenu, a snabdijeva energijom postupno će omogućiti topline da se apsorbira u masi komada nikad postizanje dovoljno visoku temperaturu na određenoj točki.
Druge aplikacije oslanjaju na vrh puls snage (radije nego energije u puls), naročito da bi se dobili nelinearne optičke efekte. Za danu impulsa energije, to zahtijeva stvaranje impulsa u najkraćem mogućem trajanju korištenjem tehnika kao što su Q-switching .
Optička propusnost od pulsa ne može biti uži od recipročna vrijednost širine pulsa. U slučaju vrlo kratkim impulsima, koja podrazumijeva trajan nad znatnom pojasa, sasvim suprotno vrlo uskim bandwidths tipičnim za CW lasera. Trajan medij u nekim dye lasera i vibronic čvrstog stanja lasera stvara optičku dobiti više širokog područja, izradu lasera moguće koje tako mogu generirati impulse svjetlosti što je kraće od nekoliko femtoseconds (10 -15 s).
Q-switching
Glavni članak: Q-switching
U laser Q-switched je inverzija populacije je dopušteno izgraditi uvođenjem gubitak unutar rezonatora koji prelazi dobit od medija; to također može biti opisan kao smanjenje faktora kvalitete ili "Q" šupljine. Zatim, nakon što je energija pumpe pohranjena u laserskom mediju približila najveću moguću razinu, uveden mehanizam gubitka (često elektro- ili akustičko-optički element) brzo se uklanja (ili koja se javlja samo po sebi u pasivni uređaj), čime postojan za početak, koji se brzo dobiva pohranjene energije u dobitak mediju. To rezultate u kratkom impuls koji uključuje tu energiju, a time i visoke vršne snage.
Način rada za zaključavanje
Glavni članak: Način-zaključavanje
Način zaključana laser je sposoban emitira vrlo kratke pulseve na red od nekoliko desetaka piko na manje od 10 femtoseconds . Ovi impulsi će se ponoviti u vrijeme obilaska, odnosno vrijeme koje je potrebno svjetlosti da završe jedan povratno putovanje između zrcala koji čine rezonator. Zbog granice Fourier (također poznat kao energetski vremenu nesigurnosti ), puls tako kratkom vremenskom dužinom ima spektar raštrkani znatnu propusnost. Tako je takav dobitak medij mora imati dobitak propusnost dovoljno širok da pojača tim frekvencijama. Primjer prikladnog materijala titana -doped, umjetno uzgaja safir ( Ti: safir ), koji ima vrlo širok dobitak propusnost i na taj način može proizvesti impulse samo nekoliko trajanju femtoseconds.
Ovakav vid zaključana laseri su najsvestraniji alat za istraživanje procese koji se odvijaju na izuzetno kratkom vremenu vage (poznat kao femtosekundnih fizike, femtosekundnih kemije i ultrabrzi znanosti ), za maksimiziranje učinka nelinearnosti u optičkim materijalima (npr drugi harmonijski generacije , parametarskih dolje-obraćenje , optičkih parametara oscilatora i slično) zbog velikog vršne snage, a ablacija aplikacija. [ citat potreban ] Opet, zbog iznimno kratkog trajanja impulsa, takav laser će proizvoditi impulse koji postižu izuzetno visoke vršne snage ,
pulsirajuće pumpanje
Druga metoda za postizanje pulsnog rad je da pumpa laserski materijal sa izvora koji je sam po sebi pulsirala, bilo putem elektronske naplate u slučaju bljesak svjetiljke, ili neki drugi laser koji je već pulsirao. Impulsna ispumpavanja je povijesno koristi s bojom lasera gdje je obrnut životni vijek stanovništva neke molekule boje je bio toliko kratak da visoke energije, brzo pumpa je potrebno. Način riješiti ovaj problem bio napunit velikih kondenzatora koji se zatim prebacio na isprazniti kroz bljeskalica, proizvodnju intenzivan bljesak. Također je potrebno pulsirajuće pumpanja za tri razine lasera u kojima je niža razina energije brzo postaje vrlo naseljena sprečavanje daljnjeg postojan dok ti atomi opustiti u osnovno stanje. Ovi laseri, kao što su eksimerskog lasera i laser s parama bakra, nikada ne može biti operiran u CW modu.
Povijest
Temelji
Godine 1917, Albert Einstein osnovana teorijske temelje za laser i Maser u papir Zur Quantentheorie der Strahlung (na kvantnu teoriju zračenja), preko ponovnog derivacija Max Planck 's zakonom zračenja, koncepcijski temelji na koeficijentima vjerojatnosti ( Einstein koeficijenti ) za apsorpciju, spontane emisije i stimulirane emisije elektromagnetskog zračenja. [12] u 1928, Rudolf W. Ladenburg potvrdio postojanje fenomena poticanjem emisije zračenja i negativne apsorpcije. [13] Godine 1939., Valentin A. Fabrikant predvidio je korištenje poticanjem emisije da pojača "kratki" valove. [14] U 1947, Willis E. Jaganjac i RC Retherford naći očitu stimulirana emisija u spektru vodikova i izvršiti prvu demonstraciju poticanjem emisije. [13] Godine 1950. Alfred Kastler (Nobelova nagrada za fiziku 1966) je predložio metodu optičke pumpanje , eksperimentalno potvrđeno, dvije godine kasnije, Brossel, Kastler, i zimi. [15]
Maser
Glavni članak: Maser
Aleksandr Prohorov
Godine 1951., Josip Weber podnio referat o korištenju stimulirane emisije napraviti mikrovalnu pojačalo u lipnju 1952. Institute of Radio Engineers vakuumska cijev za istraživanje konferenciji u Ottawi . [16] Nakon ove prezentacije, RCA pitao Weber dati seminar o ovoj ideji, i Charles Hard Townes ga je pitao za kopiju papira. [17]
Godine 1953. Charles Hard Townes i diplomskih studija James P. Gordon i Herbert J. Zeigerom proizveden prvi mikrovalna pojačala, uređaj koji rade na sličnim principima na laser, ali pojačava mikrovalna zračenja nego infracrveno ili vidljivo zračenje. Townes je maser bio u stanju neprekidnog izlaz. [ Citat potreban ] U međuvremenu, u Sovjetskom Savezu, Nikolaj Basov i Aleksandr Prokhorov samostalno radili na kvantnoj oscilator i riješio problem kontinuirana-output sustava pomoću više od dvije razine energije. Ovi medijski mogli objaviti stimulirana emisija između pobuđenog stanja i niže pobuđenom stanju, a ne u osnovno stanje, što olakšava održavanje je inverzija populacije . Godine 1955, Prohorov i Basov predložio optički pumpanje sustav na više razina kao metoda za dobivanje inverzija populacije, kasnije glavni metodu laserskog pumpanje.
Townes izvješća da je nekoliko istaknutih fizičara među njima je Niels Bohr , John von Neumann , a Llewellyn Thomas -argued maser povrijeđeno Heisenberg je načelo neodređenosti , pa stoga i ne može raditi. Drugi, kao što su Isidor Rabi i Polykarp Kusch Očekuje se da će to biti nepraktično i ne vrijedi truda. [18] Godine 1964. Charles H. Townes, Nikolaj Basov i Aleksandr Prohorov podijelio Nobelovu nagradu za fiziku ", za temeljni rad na terenu kvantne elektronike, koji su doveli do izgradnje oscilatora i pojačala na temelju maser-laserske principu ".
Laser
Godine 1957. Charles Hard Townes i Arthur Leonard Schawlow , a potom u Bell Labs , počeo ozbiljno proučavanje infracrvenog lasera. Kao razvijene ideje, napustili infracrveno zračenje umjesto koncentrirati na vidljivu svjetlost . Koncept je izvorno nazvan "optički maser". Godine 1958., Bell Labs je podnio patentnu prijavu za svoje planirane svjetlovodne Maser; i Schawlow i Townes podnio je rukopis svojim teoretskim proračunima u Physical Review , objavljen te godine u Volume 112, Issue broj 6.
LASER prijenosnik: Prva stranica bilježnice u kojoj Gordon Gould skovao LASER akronim, a opisao elemente za gradnju uređaja.
Istovremeno, na Sveučilištu Columbia , apsolvent Gordon Gould je rad na doktorskoj tezi o energetskim razinama uzbuđenih talij . Kad Gould i Townes upoznali, razgovarali su o zračenja emisije , kao opći predmet; nakon toga, u studenom 1957. godine, Gould je istaknuo svoje ideje za "laser", uključujući i korištenje otvorenog rezonator (kasnije bitna komponenta laserski uređaj). Osim toga, u 1958. Prokhorov samostalno predložio pomoću otvorenog rezonator, prvi objavljen izgled (SSSR) ove ideje. Na drugom mjestu, u SAD-u, Schawlow i Townes je pristala na otvorenom rezonator laserski dizajna - očito nesvjestan Prohorov publikacija i Gould je neobjavljeni laser rad.
Na konferenciji u 1959, Gordon Gould objavio pojam lasera u radu laser, pojačanje svjetla poticanjem emisije zračenja. [1] [6] Gould jezično Namjera je pomoću "-aser" česticu riječi kao sufiks - kako bi se točno označavaju spektar svjetla koje emitira uređaj LASER; time x-zrake: xaser, ultraljubičasto: uvaser, i tako dalje;nitko se etablirao kao diskretna pojam, iako je "raser" kratko je popularan za koji označava radio-frekvencije koje emitiraju uređaje.
Gould bilješke uključene moguće aplikacije za laserom, kao što je spektrometrije , interferometrije , radar , i nuklearne fuzije . On je nastavio razvijati ideju, i podnio patentnu prijavu u travnju 1959. američki patentni ured odbijen njegov zahtjev i dodijelio patent za Bell Labs , 1960. To je izazvalo dvadeset i osam godina je tužbu , s znanstveni ugled i novac kao ulozi. Gould je osvojio svoj prvi manji patent 1977. godine, ali to nije bio do 1987 da je osvojio prvi značajan patenta tužba pobjedu, kada je savezni sudac naredio američki patentni ured za izdavanje patenata za Gould za optički pumpa i na plinskim laserske uređaje. Pitanje koliko dodijeliti kredit za izmišljanje lasera ostaje neriješen povjesničara. [19]
16. svibnja 1960., Theodore H. Maiman djelovao prvi funkcioniranje laser [20] [21] na Hughes Research Laboratories , Malibu, Kalifornija, ispred nekoliko istraživačkih timova, uključujući i one Townesa , na sveučilištu Columbia , Arthur Schawlow , na Bell Labs , [22] i Gould, na Trgu tvrtke (Technical Research Group). Maiman je funkcionalna laser koristi solid-state bljeskalicom -pumped sintetski rubin kristal za proizvodnju crvene laserske svjetlosti, na 694 nanometara valne duljine; Međutim, uređaj samo da je sposoban pulsnog rada, zbog svoje tri razine pumpanje dizajn sheme. Kasnije te godine, iranski fizičar Ali Javan i William R. Bennett i Donald Herriott , konstruirao prvi laser plina , pomoću helija i neona koji je bio sposoban za kontinuirani rad u infracrvenom (US Patent 3149290); kasnije, Javan primio Einstein nagradu Albert 1993. Basov i Javan predložio poluvodički laser dioda koncept. Godine 1962. Robert N. Hall pokazala je prvi laser dioda uređaj, izrađen od galij arsenida i emitira se na 850 nm blišnjem infracrvenom dijelu spektra. Kasnije te godine, Nick Holonyak , Jr. pokazao prvi poluvodički laser sa vidljivim emisije. Ovaj prvi poluvodički laser može koristiti samo u funkciji impulsni grede, a kad se ohladi na tekući dušik temperature (77 K). Godine 1970., žores ivanovič alfjorov , u SSSR-u, a Izuo Hayashi i Morton Panish od Bell Telephone Laboratories također samostalno razvio sobne temperature, kontinuirana suradnja dioda laseri, koristeći heterospojnu strukturu.
Nedavne inovacije
Graf koji prikazuje povijest maksimalni intenzitet laserske puls tijekom posljednjih 40 godina.
Od ranog razdoblja laserske povijesti, laserska istraživanja je proizveo niz poboljšanih i specijaliziranih tipova lasera, optimizirane za različite ciljeve izvedbe, uključujući:
novi valne duljine trake
Najveća prosječna izlazna snaga
maksimalna vršna puls energije
maksimalna vršna impuls snage
Trajanje minimalni izlazni puls
Maksimalna energetska učinkovitost
minimalna cijena
a ovo istraživanje se nastavlja do današnjeg dana.
Postojan, bez da se medij održava uzbuđen u inverziji stanovništva [ sumnjivo - raspravljati ] otkriven je 1992. godine u natrijev plin i ponovno 1995. godine u rubidij . Plin od strane raznih međunarodnih timova [ citat potreban ] To je postignuto pomoću vanjskog Maser za indukciju "optički transparentnost "u mediju uvođenjem i destruktivno uplitanja elektron prijelaze na zemlji između dva puta, tako da je vjerojatnost za tlo elektrona da apsorbiraju energiju otkazan.
Vrste i principi
Za potpuniji popis laserskih vrsta vidjeti taj popis laserskih vrsta .
Valne duljine komercijalno dostupnih lasera. Vrste Laser s različitim laserske linije su prikazane iznad valne duljine traku, a ispod prikazani su laseri koji mogu ispuštati u rasponu valnih duljina. Boja kodira vrste laserskog materijala (vidi sliku opis za više detalja).
laseri plina
Glavni članak: Plin laser
Nakon izuma plinske lasera HeNe, mnogi drugi ispusti plin je pronađeno da pojača svjetlo koherentno. Plinski laseri koriste različite plinove su izgrađena i koristiti za mnoge svrhe. He-Ne laser (HeNe) može djelovati na nekoliko različitih valnih duljina, međutim velika većina su projektirana za lase na 633 nm; te relativno niske cijene, ali vrlo koherentna laseri su vrlo česte u optičkom istraživanje i obrazovnim laboratorijima. Poslovni ugljičnog dioksida (CO 2 ) laseri može emitirati više stotina vata u jednom prostornom koji način koji može koncentrirano u sićušne točke. Ova emisija je u termalnom infracrvenom na 10,6 mm; takvi laseri se redovito koristi u industriji za rezanje i zavarivanje. Učinkovitost je CO 2 lasera je neuobičajeno visok. Više od 30% [23] argon-ion laser može raditi na brojnim postojan prijelazima 351 i 528.7 nm. Ovisno o optički dizajn jedan ili više od ovih prijelaza može biti postojan istovremeno; najčešće koriste linije 458 nm, 488 nm i 514,5 nm. Dušikov poprečna električno pražnjenje u plinu pri atmosferskom tlaku (TEA) laser je jeftin plin laser, često dom izgrađen od strane hobisti, koji proizvodi, a nepovezanim UV svjetlo na 337.1 nm. [24] ion metala laseri su plinski laseri koji stvaraju duboku ultraljubičaste valne duljine. Helij -silver (HEAG) 224 nm i neon -bakar (NeCu) 248 nm dva primjera. Poput svih plinskih lasera niskog tlaka, dobit mediji ovih lasera imaju vrlo uske oscilacija linewidths , manje od 3 GHz (0.5 picometers ), [25] što ih čini kandidata za uporabu u fluorescencije potisnute Raman spektroskopija .
Kemijski laseri
Kemijski laseri su powered by kemijskom reakcijom dopušta veliku količinu energije da se brzo oslobodi. Takve vrlo visoke snage lasera posebno su od interesa za vojsku, no kontinuirani val kemijski laseri na vrlo visokim razinama snage, hranjene potoci plinova, razvijene su i neke industrijske aplikacije. Kao primjeri u lasera fluorovodikom (2700-2900 nm) i lasera deuterija fluorida (3800 nm) reakcija je kombinacija vodika ili deuterija plinom produkata sagorijevanja etilena u dušika trifluorida .
eksimerskog laseri
Eksimerskog laseri su posebna vrsta plinske lasera pokreće električni protok u kojem je trajan medij je excimer , točnije exciplex u postojećim konstrukcijama. To su molekule koje mogu egzistirati samo s jednim atomom u pobuđenom elektronskom stanju . Kada je molekula prenosi svoju pobude na fotona, zbog toga, njegova atoma više vezani jedan na drugi i molekule raspada. To drastično smanjuje broj stanovnika u niže energetsko stanje čime se uvelike olakšava se inverzija populacije. Excimers trenutno koriste su svi plemeniti plin spojevi ; plemeniti plinovi su kemijski inertni i mogu formirati samo spojeve dok je u pobuđenom stanju. Eksimerskog laseri obično rade na ultraljubičastih valnih duljina s glavnim aplikacijama, uključujući poluvodiča fotolitografije i LASIK oko kirurgija. Najčešće korišteni ekscimer molekule uključuju Arf (emisija na 193 nm), KrCl (222 nm), KRF (248 nm), XeCl (308 nm) i XEF (351 nm). [26] su molekularni fluor laser, oslobađajući pri 157 nm u vakuum ultraljubičastom ponekad se naziva eksimerskog lasera, no to čini se misnomer ukoliko F 2 je stabilan spoj.
Solid-state laser
50 W FASOR , na temelju Nd: YAG laser, a koristi se u StarFire Optical raspona .
Solid-state laser koristi kristalni ili stakleni štap koji je "omamljeni" s ionima koji pružaju potrebnu energiju stanja. Na primjer, prvi radni laser bio rubinski laser , izrađen od rubina ( krom -doped korund ). Inverzija populacije zapravo održavati u dopiranje. Ovi materijali se pumpa optički pomoću kraćom valnom duljinom od postojan valnoj duljini, često iz bljeskalicom ili iz nekog drugog lasera. Korištenje izraza "čvrstog stanja" u laser fizici je uži nego kod uobičajene upotrebe. Poluvodički laseri (lampama) u pravilu se ne spominju kao čvrstog stanja lasera.
Neodimij je čest primjesa u različitim laserskim kristalima čvrstog stanja, uključujući itrij ortovanadata ( Nd: Yvo 4 ), itrij litij-fluorid ( Nd: YLF ) i fazni aluminijske granat ( Nd: YAG ). Svi ovi laseri može proizvesti visoke ovlasti u infracrvenom spektru na 1064 nm. Oni se koriste za rezanje, zavarivanje i označavanje metala i drugih materijala, a također u spektroskopiji i za crpljenje dye lasera . Ovi laseri su također često frekvencija udvostručena , utrostručena ili učetverostručila proizvoditi 532 nm (zelena, vidljiva), 355 nm i 266 nm ( UV ) zrake, respektivno. Frekvencijski-udvostručio solid-state dioda-pumpa (DPSS) laseri se koriste kako bi svijetlo zelene laserske pokazivače.
Iterbijum , holmij , tulij i erbij su druge uobičajene "nečistoće" u čvrstog stanja lasera. Iterbijum se koristi u kristalima poput Yb: YAG, Yb: KGW, Yb: KYW, Yb: sys, Yb: Dječaci, Yb: CAF 2 , u pravilu posluje oko 1020-1050 nm. Oni su potencijalno vrlo efikasan i velike snage zbog malog kvantnog defekta. Ekstremno visoke ovlasti u ultra impulsa može se postići s Yb: YAG. Holmijevih -doped YAG kristali emitiraju na 2097 nm i formiraju učinkovitu laser koji radi na infracrvenim valnim duljinama snažno apsorbira vodu nosi tkiva. Ho-YAG obično radi na impulsnom modu, i prošao kroz optička vlakna kirurških uređaja za stradanja zglobova, ukloniti trulež od zuba, isparavati raka, a prah pretvaraju bubrega i žučni kamenci.
Titan -doped safira ( Ti: safir ) stvara vrlo melodičan infracrveni laser, najčešće se koristi za spektroskopiju . Također je poznat po upotrebi kao način zaključana laserskih proizvodnju ultra impulsa izuzetno visoke vršne snage.
Toplinski ograničenja čvrstog stanja lasera proizlaze iz nekonvertiranog snage pumpe koja zagrijava medij. Vrućina, u kombinaciji s visokom termički koeficijent optički (d n / d T ) može uzrokovati toplinsku leće kako i smanjiti kvantni učinkovitost. Diode-pumped tanki disk laseri prevladati te probleme koje imaju dobitak medij koji je mnogo tanji od promjera snopa pumpe. To omogućuje jednoličniju temperature u materijalu. Tanke disk laseri su pokazala da proizvode zrake do jednog kilovat. [27]
Fiber laseri
Glavni članak: Fiber laser
Solid-state laser ili laserski pojačala, gdje je svjetlost vođeni zbog ukupne unutarnje refleksije u single mode optičko vlakno umjesto nazivaju vlakana lasera . Vođenje svjetla omogućuje izuzetno dugo dobitak regije pruža dobre uvjete za hlađenje; vlakna imaju veliku površinu volumnom omjeru koji omogućava učinkovito hlađenje u. Osim toga, vlakna je vođenje vala svojstva imaju tendenciju da se smanjiti toplinske narušavanje zrakama. Erbij i iterbij ioni su česti aktivnih vrsta u takvim laserima.
Vrlo često, vlakna laser je zamišljen kao dvostruko oklopljen vlakana . Ova vrsta vlakana sastoji od jezgre vlakna, unutarnjom izolacijom i vanjskom izolacijom. Indeks tri koncentrične slojeve bira se tako da se vlakno jezgra djeluje kao single-mode vlakno za emisiju laserske dok je vanjski obloge djeluje kao vrlo multimodalnog jezgri za laser pumpe. Na taj način pumpa propagiraju veliku količinu energije u i kroz aktivnu osnovno područje unutarnje, dok još uvijek ima visok numerička apertura (NA) da se lako uvjete za spuštanje.
Svjetlo crpke može se koristiti učinkovitije stvaranjem vlakana disk laser , ili hrpu takvih lasera.
Fiber laseri imaju temeljno ograničenje u da je intenzitet svjetlosti u svjetlovodno ne može biti tako visoka da optički nelinearnosti inducirani od strane lokalnog električnog polja jakosti može postati dominantna i spriječiti lasersku operaciju i / ili dovesti do materijalnog uništenja vlakana. Taj se učinak naziva photodarkening . U rasutom stanju laserski materijala hlađenje nije tako učinkovita i teško je odvojiti učinke photodarkening od termalnih učinke, no eksperimenti u vlakna pokazuju da photodarkening može pripisati formiranje dugo živi centara boje . [ citat potreban ]
Raspodijeljeni kristalno laseri
Raspodijeljeni kristalno laseri su laseri na temelju nano-struktura koje pružaju moda porođaj i gustoću optički Ëlanicama (DOS) strukturu potrebnu za povratne informacije kako bi se održati. [ Razjašnjenja potrebna ] Oni su tipični mikrometra veličine [ sumnjivo - raspravljati ] i melodičan na bendova fotoničkim kristala. [28] [ razjašnjenja potrebna ]
Poluvodički laseri
5,6 mm 'zatvoren mogu' komercijalni laserske diode, vjerojatno iz CD ili DVD player
Poluvodički laseri su diode koje su električki pumpa. Rekombinacije elektrona i rupa stvorenih primijenjenoj struja uvodi optički dobitak. Razmišljanje s krajeva kristalu čine optički rezonator, iako rezonator može biti izvan poluvodiča u nekim nacrtima.
Komercijalni laserske diode emitiraju na valnoj dužini od 375 nm do 3500 nm. [29] niske do srednje snage laserske diode se koriste u laserske pokazivače , laserskih pisača i CD / DVD playeri. Laserski diode se također često koristi za optički pumpa drugih lasera s visokom učinkovitošću. Najviše snage industrijska lampama, uz snage do 10 kW (70 dBm) [ citat potreban ] , koriste se u industriji za rezanje i zavarivanje. Vanjski-šupljina poluvodički laseri imaju aktivnu medij poluvodiča u većem šupljini. Ovi uređaji mogu generirati visoke izlazne snage dobre kvalitete zrake, valne duljine-melodičan suženje linewidth zračenja ili ultra laserskih pulseva.
U 2012. godini, Nichia i OSRAM razvijen i proizveden komercijalni velike snage zelene laserske diode (515/520 nm), koje se natječu s tradicionalnim diode-pumped solid-state laser. [30] [31]
Površinski emitira laser okomite šupljine ( VCSELs ) su poluvodički laser izljev smjer je okomit na površinu na pločice. VCSEL uređaji obično imaju više kružni izlazni snop od konvencionalnih laserske diode. Od 2005. godine, samo 850 nm VCSELs su široko dostupni, s 1300 nm VCSELs početku biti komercijaliziran, [32] i 1550 nm uređaje područje istraživanja. VECSELs vanjsko-šupljina VCSELs. Kvantna kaskade laseri su poluvodički laseri koji su aktivni prijelaz između energije pod-bendova elektrona u strukturu koja sadrži više kvantne bunara .
Razvoj silicijevog lasera je važno u području optičkih računarstva . Silicij je materijal izbora za integriranih sklopova , pa elektroničkih i silikonske Raspodijeljeni komponente (kao što je optički povezuje ) mogu biti izrađeni na istom čipu. Nažalost, silicij je teško postojan materijal da se bave, jer ima određena svojstva koja blokiraju postojan. Međutim, nedavno su timovi proizvedene silicijski laser metodama kao što su izrade je postojan materijal od silicija i drugih poluvodičkih materijala, kao što je indija (III) fosfid ili galij (III) arsenid , materijali koji omogućuju koherentna svjetlost može proizvesti iz silicija. One se nazivaju hibridni silikonski laser . Druga vrsta je Raman laser , koji uzima prednost Raman raspršenja za izradu lasera od materijala kao što su silicij.
dye lasera
Close-up of a stolni dye lasera na temelju Rhodamin 6g
Dye lasera koristiti organske boje kao dobitak mediju. Široki dobitak spektar dostupnih boje, ili mješavina boja, omogućuje ovi laseri da se vrlo melodičan, ili za proizvodnju vrlo kratkog trajanja impulsa ( reda veličine nekoliko femtoseconds ). Iako su ti melodičan laseri su uglavnom poznati u tekućem obliku, istraživači su također pokazali uskog linewidth melodičan emisiju u disperzivnog oscilator konfiguracijama koje je ugrađena solid-state boju dobitak medija. [33] U svojoj najčešći vid ove solid state dye laser koriste tinte dopirani polimeri kao laser medija.
Laseri sa slobodnim elektronima
Slobodno elektron laser FELIX na FOM Instituta za Plasma Physics Rijnhuizen, Nieuwegein
Laseri sa slobodnim elektronima , ili Fels, generirati koherentnu, velike snage zračenja koje je široko melodičan, koji je trenutno u rasponu valne duljine od mikrovalova kroz terahercna zračenja i infracrvenog do vidljivog spektra, na mekim rendgenskim zrakama. Imaju najširi raspon frekvencija bilo laserskog tipa. Dok FEL grede dijele iste optičke osobine kao i druge lasera, kao što su koherentnog zračenja, FEL operacija je sasvim drukčiji. Za razliku od plina, tekućine ili čvrstog stanja lasera, koji se oslanjaju na uvezane atomskih ili molekulskih stanja, Fels koristiti relativistički elektronska zraka kao trajan medij, stoga pojam slobodnog elektrona .
Egzotični mediji
Potraga za high-kvantno-energije lasera pomoću prijelaza između izomerne stanja nekog atomske jezgre je bio predmet široke znanstvenog istraživanja od ranih 1970-ih. Mnogo toga se sažeti u tri pregledne članke. [34] [35] [36] Ovo istraživanje je međunarodna opsegu, ali uglavnom sa sjedištem u bivšem Sovjetskom Savezu i Sjedinjenim Američkim Državama. Iako su mnogi znanstvenici i dalje optimistični da proboj je blizu, operativno gama-zraka laser tek treba realizirati. [37]
Neki od ranih studija bili usmjereni prema kratkim impulsima neutrona uzbudljive gornji izomer stanju u krutoj tako gama-zraka tranzicija bi mogla imati koristi od linije sužavanje mössbauerov efekt . [38] [39] U vezi, očekivalo nekoliko prednosti od dvije faze dizanja sustava na tri razine. [40] to je conjectured da je jezgra atoma, ugrađen u skoroj području laserske-driven koherentno-oscilirajući oblaka elektrona će doživjeti veći dipolni polje od strukture vožnje lasera. [41] [42] Nadalje, nelinearnostima oscilirajući oblaka kako bi se proizvela oba prostorna i vremenska harmonike, pa nuklearni prijelazi visokog multipolarnosti također može biti upravljan na višekratnika laserske frekvencija. [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49]
U rujnu 2007. godine, BBC News je izvijestio da je bilo nagađanja o mogućnosti korištenja pozitronij uništenje voziti vrlo moćan gama zraka lasera. [50] Dr. David Cassidy od University of California, Riverside predložio da jedan takav laser može se koristiti za zapaliti nuklearne fuzije reakciju, zamjenjujući banke stotine lasera koji sada rade u inercijskih poroda fuzije eksperimenata. [50]
Prostor se temelji X-ray laseri pumpa nuklearne eksplozije također su predloženi kao proturaketni oružja. [51] [52] Takvi uređaji će biti jedan-shot oružja.
Žive stanice su korištene za proizvodnju lasersko svijetlo. [53] [54] Stanice su genetskim inženjeringom tako da se dobije zeleni fluorescentni protein (GFP). GFP se koristi kao lasera "dobitak medija", gdje je pojačanje svjetla odvija. Stanice su zatim stavljena između dva sitnih ogledala, samo 20 milijuntinkama jednog metra u promjeru, koji je djelovao kao "laser šupljine", u kojem se svjetlo može odbiti mnogo puta kroz ćeliju. Nakon kupanja ćeliju sa plavim svjetlom, može se vidjeti da emitiraju usmjerena i intenzivne zelene laserske svjetlosti.
Nema komentara:
Objavi komentar