Lazer mütləq üç əsas komponentdən ibarətdir:

1) aktiv mühit, əhalinin inversiyasına malik dövlətlərin yaradıldığı;

2) sistemlərinasos− aktiv mühitdə inversiya yaratmaq üçün qurğular;

3) optikrezonator haqqında− foton şüasının istiqamətini formalaşdıran cihaz.

Bundan əlavə, optik rezonator çoxsaylı gücləndirmə üçün nəzərdə tutulmuşdur lazer şüalanması.

Hal-hazırda kimi aktiv (işləyir) mühit lazerlər maddənin müxtəlif məcmu vəziyyətlərindən istifadə edir: bərk, maye, qaz, plazma.

Lazer mühitinin tərs populyasiyasını yaratmaq üçün müxtəlif nasos üsulları . Lazer davamlı və ya impulsla vurula bilər. Uzunmüddətli (davamlı) rejimdə aktiv mühitə daxil edilən nasosun gücü aktiv mühitin həddindən artıq istiləşməsi və əlaqəli hadisələrlə məhdudlaşdırılır. Tək nəbz rejimində, davamlı rejimdə eyni vaxta nisbətən aktiv mühitə əhəmiyyətli dərəcədə daha çox enerji daxil etmək mümkündür. Bu, tək bir nəbzin daha çox gücü ilə nəticələnir.

Mübaliğəsiz lazeri 20-ci əsrin ən mühüm kəşflərindən biri adlandırmaq olar.

Lazer nədir

Sadə sözlə, lazer güclü, dar istiqamətli işıq şüası yaradan cihazdır. "lazer" adı ( lazer) təşkil edən sözlərin ilk hərflərinin toplanması ilə əmələ gəlir İngilis ifadəsi l ay a amplifikasiya tərəfindən s stimullaşdırılıb e missiya of r adiasiya, yəni "stimullaşdırılmış emissiya ilə işığın gücləndirilməsi". Lazer o qədər güclü işıq şüaları yaradır ki, onlar saniyənin yalnız bir hissəsini sərf edərək, hətta çox davamlı materiallarda dəliklər yandırmağa qadirdirlər.

Adi işıq mənbədən müxtəlif istiqamətlərə səpilir. Onu bir şüaya toplamaq üçün müxtəlif optik linzalar və ya konkav güzgülər istifadə olunur. Və belə bir işıq şüası hətta yanğını alovlandıra bilsə də, o enerjini lazer şüasının enerjisi ilə müqayisə etmək olmaz.

Lazerin iş prinsipi

Lazer əməliyyatının fiziki əsası fenomendir məcbur, və ya induksiya edilmiş radiasiya . Onun mahiyyəti nədir? Hansı şüalanma stimullaşdırılmış adlanır?

Stabil vəziyyətdə bir maddənin atomu ən aşağı enerjiyə malikdir. Bu şərt nəzərə alınır əsas , və bütün digər dövlətlər - həyəcanlı . Bu vəziyyətlərin enerjisini müqayisə etsək, həyəcanlı vəziyyətdə əsas vəziyyətlə müqayisədə artıqdır. Atom həyəcanlı vəziyyətdən sabit vəziyyətə keçdikdə, atom kortəbii olaraq bir foton buraxır. Bu elektromaqnit şüalanma adlanır spontan emissiya.

Həyəcanlı vəziyyətdən sabit vəziyyətə keçid xarici (induksiya edən) fotonun təsiri altında zorla baş verirsə, o zaman enerjisi keçid səviyyələrinin enerjilərindəki fərqə bərabər olan yeni bir foton əmələ gəlir. Bu cür radiasiya deyilir məcbur .

Yeni foton radiasiyaya səbəb olan fotonun “dəqiq surətidir”. Eyni enerjiyə, tezlikə və fazaya malikdir. Ancaq atom tərəfindən udulmur. Nəticədə artıq iki foton var. Digər atomlara təsir edərək, yeni fotonların sonrakı görünüşünə səbəb olurlar.

Atom həyəcanlı vəziyyətdə olduqda, bir induksiya edən fotonun təsiri altında bir atom tərəfindən yeni bir foton buraxılır. Həyəcansız vəziyyətdə olan bir atom sadəcə olaraq induksiya edən fotonu udur. Buna görə işığın güclənməsi üçün həyəcanlanmamış atomlardan daha çox həyəcanlı atomlar olmalıdır. Bu vəziyyət adlanır əhalinin inversiyası.

Lazer necə işləyir?

Lazer dizaynı 3 elementdən ibarətdir:

1. Enerji mənbəyi lazer "nasos" mexanizmi adlanır.

2. Lazer işləyən maye.

3. Güzgülər sistemi və ya optik rezonator.

Enerji mənbələri müxtəlif ola bilər: elektrik, istilik, kimyəvi, işıq və s. Enerji mənbəyi deyilir mexanizmi"nasos" lazer . Onlar ola bilər kimyəvi reaksiya, başqa bir lazer, flaş lampa, elektrik boşaldıcı və s.

İşləyən maye , və ya lazer materialları , funksiyalarını yerinə yetirən maddələri adlandırın aktiv mühit. Lazer şüası məhz işçi mayedə yaranır. Bu necə baş verir?

Prosesin lap əvvəlində işçi maye termodinamik tarazlıq vəziyyətində, atomların çoxu isə normal vəziyyətdədir. Radiasiyaya səbəb olmaq üçün atomlara təsir etmək lazımdır ki, sistem bir vəziyyətə keçsin əhalinin inversiyası. Bu vəzifə lazer nasos mexanizmi ilə həyata keçirilir. Bir atomda yeni bir foton meydana çıxan kimi, digər atomlarda foton istehsal prosesini işə salacaq. Bu proses tezliklə uçquna çevriləcək. Nəticədə yaranan bütün fotonlar eyni tezlikdə olacaq və işıq dalğaları böyük gücə malik işıq şüası əmələ gətirəcək.

Bərk, maye, qaz və plazma maddələri. Məsələn, 1960-cı ildə yaradılmış ilk lazerdə aktiv mühit yaqut idi.

İşçi maye içəriyə yerləşdirilir optik rezonator . Onlardan ən sadəi iki paralel güzgüdən ibarətdir, onlardan biri şəffafdır. İşığın bir hissəsini əks etdirir və bir hissəsini ötürür. Güzgülərdən əks olunan işıq şüası geri qayıdır və güclənir. Bu proses dəfələrlə təkrarlanır. Lazerin çıxışında çox güclü işıq dalğası əmələ gəlir. Rezonatorda daha çox güzgü ola bilər.

Bundan əlavə, lazerlərdə başqa cihazlardan - fırlanma bucağını dəyişdirməyə qadir olan güzgülər, filtrlər, modulyatorlar və s. Onların köməyi ilə dalğa uzunluğunu, impulsun müddətini və digər parametrləri dəyişə bilərsiniz.

Lazer nə vaxt icad edilmişdir?

1964-cü ildə rus fizikləri Aleksandr Mixayloviç Proxorov və Nikolay Gennadieviç Basov, həmçinin amerikalı fizik Çarlz Hard Tauns laureat oldular. Nobel mükafatı bir-birindən asılı olmayaraq, ammonyak kvant osilatorunun (maser) işləmə prinsipini kəşf etdiklərinə görə onlara verilən fizika üzrə.

Aleksandr Mixayloviç Proxorov

Nikolay Gennadievich Basov

Demək lazımdır ki, maser bu hadisədən 10 il əvvəl, 1954-cü ildə yaradılmışdır. elektromaqnit dalğaları santimetr diapazonu və lazerin prototipinə çevrildi.

İlk işləyən optik lazerin müəllifi amerikalı fizik Teodor Maymandır. 16 may 1960-cı ildə qırmızı yaqut çubuğundan ilk qırmızı lazer şüasını aldı. Bu şüalanmanın dalğa uzunluğu 694 nanometr idi.

Teodor Mayman

Müasir lazerlər mikroskopik yarımkeçirici lazerlərdən tutmuş böyük, futbol meydançası ölçülü neodim lazerlərə qədər müxtəlif ölçülərdə olur.

Lazerlərin tətbiqi

Lazersiz təsəvvür etmək mümkün deyil müasir həyat. Lazer texnologiyaları müxtəlif sənaye sahələrində istifadə olunur: elm, texnologiya, tibb.

Gündəlik həyatda lazer printerlərdən istifadə edirik. Mağazalarda lazer barkod oxuyucularından istifadə olunur.

Sənayedə lazer şüalarının köməyi ilə səthləri emal etmək mümkündür ən yüksək dəqiqlik(kəsmə, çiləmə, əritmə və s.).

Lazer kosmik obyektlərə olan məsafəni santimetr dəqiqliyi ilə ölçməyə imkan verdi.

Lazerlərin tibbdə meydana gəlməsi çox dəyişdi.

Ən yüksək sterilliyi təmin edən və toxumanı dəqiq kəsən lazer skalpelləri olmadan müasir cərrahiyyəni təsəvvür etmək çətindir. Onların köməyi ilə faktiki olaraq qansız əməliyyatlar aparılır. Lazer şüası istifadə edərək, bədənin qan damarları xolesterol lövhələrindən təmizlənir. Lazer oftalmologiyada geniş istifadə olunur, burada görmə korreksiyası, tor qişa dekolmanı, katarakta və s. müalicəsində istifadə olunur.Böyrək daşlarını əzmək üçün istifadə olunur. Neyrocərrahiyyə, ortopediya, stomatologiya, kosmetologiya və s. sahələrdə əvəzolunmazdır.

Hərbi işlərdə lazer yerləşdirmə və naviqasiya sistemlərindən istifadə olunur.

Test

Yoğuşmuş MADDƏ LAZERLERİ

Giriş

2.2. Ruby lazer

3.2. Neodim lazer

3.7. Fiber lazerlər

5. Yarımkeçirici lazerlər

5.1. Əməliyyat prinsipi

5.2. DGS lazerləri

5.3. DFB və VRPI lazerləri

BİBLİOQRAFİYA

Giriş

Qatılaşdırılmış maddəyə əsaslanan lazerlərə aktiv mühiti aşağıdakılar tərəfindən yaradılan lazerlər daxildir:

1) bərk cisimlərdə, əsasən dielektrik kristallarda və şüşələrdə, burada aktiv hissəciklər aktinidlərin ionlaşmış atomları, nadir torpaqlar və kristalı doping edən digər keçid elementləri, həmçinin yarımkeçirici xüsusiyyətlərə malik kristallarda;

2) üzvi boyaların aktiv hissəcikləri və molekullarının daxil olduğu mayelərdə.

Bu mühitlərdə lazer şüalanması səbəbiylə stimullaşdırılırinduksiya edilmiş radiasiyaaktivləşdirici ionların enerji səviyyələri və ya molekulların şərtləri arasında keçidlər (1-ci bölməyə baxın). Yarımkeçirici strukturlarda sərbəst elektronların və dəliklərin rekombinasiyası nəticəsində stimullaşdırılmış emissiya baş verir. Qaz lazerlərindən fərqli olaraq (Bölmə 4-ə bax), bərk və maye lazerlərdə populyasiyanın inversiyası həmişə aktiv hissəciyin yeraltı enerji vəziyyətinə yaxın keçidlərdə yaranır.

Dielektrik kristallar elektrik cərəyanı keçirmədikləri üçün onlar üçün, eləcə də maye mühit üçün sözdə dielektrik kristallar istifadə olunur.optik nasos– köməkçi mənbədən optik şüalanma (işıq) ilə lazer keçidinin vurulması.

Yarımkeçirici lazerlər tez-tez elektrik cərəyanının nasosundan istifadə edir ( inyeksiya cərəyan) yarımkeçiricidən irəli istiqamətdə axan, daha az tez-tez digər nasos növləri: optik nasos və ya elektronlarla bombardmanla nasos.

1. Lazer aktiv mühitinin optik nasosunun xüsusiyyətləri

HE-nin mühüm xüsusiyyəti onun olmasıdır seçicilik , yəni: OH radiasiyasının dalğa uzunluğunu seçməklə aktiv hissəciklərin istənilən kvant vəziyyətini seçici şəkildə həyəcanlandırmaq olar. Optik nasos (OH) hesabına aktiv hissəciklərin həyəcanlanması prosesinin maksimum səmərəliliyini təmin edən şərtləri tapaq, bunun nəticəsində aktiv hissəcik enerji vəziyyətindən kvant keçidini yaşayır. i enerji miqyasında daha yüksək həyəcanlı vəziyyətə k . Bunun üçün şüalanmış mühitin aktiv hissəcikləri tərəfindən udulmuş OH mənbəyinin şüalanma gücü ifadəsindən istifadə edəcəyik (bax. bölmə 1.9).

. (1)

(1) OH mənbəyi şüalanmasının spektral enerji sıxlığının tezlikdən asılılığını və mühitin udma xətti formasının funksiyasını, yəni. onun tezlikdən asılılığı (forma faktoru).

Aydındır ki, udma dərəcəsi və udulmuş gücün miqdarı aşağıdakı hallarda maksimum olacaqdır:

1) vəziyyətdəki hissəciklərin konsentrasiyası i ən böyük olacaq, yəni. OH aktiv hissəciklərin yüksək sıxlığında təsirli olur, yəni kondensasiya olunmuş vəziyyətdə (bərk və mayelər) media üçün bütün müxtəlif mühitlərdən;

2) TDR vəziyyətində hissəciklərin müxtəlif daxili (potensial) enerji dəyərlərinə malik dövlətlər arasında paylanması Boltzman düsturu ilə təsvir edilir, yəni: hissəciyin və bütövlükdə ansamblın əsas (ən aşağı) enerji vəziyyəti var. maksimum əhali. O vəziyyəti izləyir i hissəciyin əsas enerji vəziyyəti olmalıdır;

3) OH mənbəyinin enerjisinin ən tam udulması üçün (maksimum Δ Pik ) ilə bir mühitə sahib olması arzu edilir ən yüksək dəyər kvant keçidində udma əmsalı: (bax f-lu (1.35)) və Eynşteyn əmsalı ilə mütənasib olduğundan B k i , bir B ki A ki (bax, f-lu (1.11, b)), onda udma keçidinin "icazə verilən" və "rezonanslı" olması arzu edilir;

4) Arzu edilir ki, nasos mənbəyinin şüalanma spektrinin eni aktiv hissəciklərin udma konturunun enindən çox olmamalıdır. Lampalardan spontan radiasiya ilə pompalandıqda, bu, adətən əldə edilmir. Bu baxımdan ideal “ ardıcıl ” OH radiasiyasının bütün xəttinin (bütün spektrinin) udma konturuna “düşdüyü” monoxromatik lazer şüalanması ilə nasos nasosu. Bu udma rejimi 1.9-cu bölmədə tərəfimizdən nəzərdən keçirilmişdir;

5) aydındır ki, OH-nin səmərəliliyi daha yüksək olacaq, tələb olunan səviyyənin vurulması ilə kvant keçidi ilə radiasiyanın daha çox hissəsi aktiv hissəciklər tərəfindən udulacaqdır. Beləliklə, əgər aktiv mühit aktiv hissəciklərlə aşqarlanmış kristal (matris) olarsa, o zaman matris elə seçilməlidir ki, OH şüalanması onun tərəfindən udulmasın, yəni. belə ki, matris nasos radiasiyası üçün "şəffaf" olsun, bu da mühitin istiləşməsini istisna edir. Eyni zamanda, "OH mənbəyi lazer aktiv mühit" sisteminin ümumi səmərəliliyi adətən böyük dərəcədə nasos mənbəyinə yerləşdirilən elektrik enerjisinin onun şüalanmasına çevrilməsinin səmərəliliyi ilə müəyyən edilir;

6) Bölmə 1.9-da göstərildi ki, iki enerji səviyyəsi olan kvant sistemində, xarici şüalanmanın istənilən intensivliyində (yəni, optik nasos) populyasiyanın inversiyasını əldə etmək prinsipial olaraq mümkün deyil: →∞-də yalnız bərabərləşdirmək mümkündür. səviyyələrin əhalisi.

Buna görə də, optik şüalanma ilə kvant lazer keçidini vurmaq və onun üzərində populyasiya inversiyasını yaratmaq üçün bir və ya iki köməkçi enerji səviyyəsi olan aktiv mühit istifadə olunur ki, bu da lazer keçidinin iki səviyyəsi ilə birlikdə üç və ya dörd səviyyəli bir təbəqə meydana gətirir. aktiv mühitin enerji səviyyələrinin sxemi (quruluşu).

2. “Üç səviyyəli sxem” üzrə işləyən optik nasoslu kvant cihazları

2.1. Nəzəri təhlilüç səviyyəli sxem. Belə bir sxemdə (şəkil 1) aşağı lazer səviyyəsi “1” hissəciklər ansamblının yer enerjisi vəziyyətidir, yuxarı lazer səviyyəsi “2” nisbətən uzunömürlü səviyyədir və “3” səviyyəsi ilə əlaqəli sürətli qeyri-radiativ keçid ilə "2" səviyyəsi ilə, edirköməkçi. Optik nasos “1” → “3” kanalı ilə işləyir.

“2” və “1” səviyyələri arasında inversiyanın mövcudluğu şərtini tapaq. Səviyyələrin statistik çəkilərinin eyni olduğunu fərz etsək g 1 = g 2 = g 3 , gəlin stasionar yaxınlaşmada “3” və “2” səviyyələri üçün kinetik (tarazlıq) tənliklər sistemini, həmçinin səviyyələrdəki hissəciklərin sayı üçün əlaqəni yazaq:

(2)

burada n 1, n 2, n 3 1, 2 və 3 səviyyələrində hissəcik konsentrasiyası, 1 qalibiyyət və 3 qalibiyyət nasos radiasiyasının təsiri altında "1" və "3" səviyyələri arasında keçidlərdə udma və stimullaşdırılmış emissiya dərəcəsi, ehtimalı W; w ik səviyyələr arasında keçid ehtimalı, N

(2) dən səviyyəli əhalini tapa bilərik n 2 və n 1 W funksiyası kimi və onların fərqi Δ n şəklində

, (3)

doymamış qazancı müəyyən edənα 0 hissəciklər ansamblı “2” → “1” keçidində. Üçünα 0 >0, zəruridir ki, yəni. (3)-dəki pay müsbət olmalıdır:

, (4)

W haradadır ərəfəsində nasos səviyyəsi. Həmişəki kimi W por >0, bundan sonra belə çıxır w 32 > w 21 , yəni. “3” səviyyəsindən relaksasiya keçidləri ilə “2” səviyyəsinin vurulması ehtimalı onun “1” vəziyyətinə salınması ehtimalından çox olmalıdır.

Əgər

w 32 >> w 21 və w 32 >> w 31 , (5)

onda (3)-dən alırıq: . Və nəhayət, əgər W >> w 21, onda Δ n inversiyası belə olacaq: Δ n ≈ n 2 ≈ N , yəni. “2” səviyyəsində ətraf mühitin bütün hissəciklərini “toplaya” bilərsiniz. Qeyd edək ki, səviyyələrin relaksasiya dərəcələri üçün münasibətlər (5) “sünbüllərin” yaranması şərtlərinə uyğundur (bax: Bölmə 3.1).

Beləliklə, üç səviyyəli optik pompalanan sistemdə:

1) inversiya mümkündürsə w 32 >> w 21 və maksimum zaman w 32 >> w 31 ;

2) inversiya o zaman baş verir W > W por , yəni. yaradılış geyinir eşik xarakteri;

3) aşağı w 21 sərbəst lazer generasiyasının “sünbül” rejimi üçün şərait yaradılır.

2.2. Ruby lazer. Bu bərk vəziyyətdə olan lazer görünən dalğa uzunluğu diapazonunda işləyən ilk lazerdir (T. Meiman, 1960). Sintetik kristal yaqut adlanır l 2 O 3 0,05% aktivator ionlarının qarışığı ilə dəyişdirilmiş korund (matris) Cr 3+ (ion konsentrasiyası ~1,6∙10 19 sm 3 ) və A kimi təyin olunur l 2 O 3 : Cr 3+ . Yaqut lazer OH ilə üç səviyyəli bir sxemə görə işləyir (Şəkil 2, a). Lazer səviyyələri elektron səviyyələrdir Cr 3+ : Aşağı lazer səviyyəsi "1" yerin enerji vəziyyətidir A l 2 O 3-də Cr 3+ , yuxarı lazer səviyyəsi “2” ilə uzun ömürlü metastabil səviyyəτ 2 ~10 3 ilə. "3a" və "3b" səviyyələridirköməkçi. “1” → “3a” və “1” → “3b” keçidləri spektrin mavi (λ0,41 µm) və “yaşıl” (λ0,56 µm) hissələrinə aiddir və genişdir (Δ ilə).λ ~50 nm) udma konturu (zolağı).

düyü. 2. Ruby lazer. (a) Enerji səviyyəsi diaqramı Al 2 O 3-də Cr 3+ (korund); (b ) Q-köçmə ilə impuls rejimində işləyən lazerin konstruksiya diaqramı. 1 yaqut çubuq, 2 nasos lampası, 3 elliptik reflektor, 4a sabit rezonator güzgü, 4b fırlanan rezonator güzgü, Q, C rezonatorunu modulyasiya edən n saxlama kondansatörü, R şarj rezistoru " Kn » lampa vasitəsilə cərəyan impulsunu işə salmaq üçün düymə; soyuducu suyun girişi və çıxışı göstərilir.

Optik nasos üsulu “3a” və “3b” köməkçi səviyyələrinin seçmə populyasiyasını təmin edir. Cr 3+ ionlarla “1”→“3” kanalı vasitəsilə Cr 3+ ionları tərəfindən udulmuş zaman Cr 3+ impulslu ksenon lampadan radiasiya. Sonra nisbətən qısa müddətdə (~10 8 c) bu ionların “3a” və “3b” səviyyəsindən “2” səviyyəsinə qeyri-radiativ keçidi var. Bu vəziyyətdə ayrılan enerji vibrasiyaya çevrilir kristal qəfəs. Pompa mənbəyinin kifayət qədər radiasiya enerjisi sıxlığı ilə ρ: “2” → “1” keçidində populyasiyanın inversiyası baş verdikdə və spektrin qırmızı bölgəsində λ694,3 nm və λ692,9 nm-də şüalanma əmələ gəlir. . Səviyyələrin dövlət çəkiləri nəzərə alınmaqla həddi nasos dəyəri, λ0,56 μm ilə vurulduqda xüsusi radiasiya enerjisi tələb edən bütün aktiv hissəciklərin təxminən ⅓ hissəsinin “2” səviyyəsinə köçürülməsinə uyğundur. E məsamə >2 J/sm 3 (və güc P məsamə > 2 kVt/sm 3 nasosun nəbz müddətindəτ ≈10 3 s ). Lampaya və yaqut çubuğuna stasionar ON vəziyyətində qoyulan bu qədər yüksək güc onun məhvinə səbəb ola bilər, buna görə lazer impuls rejimində işləyir və suyun intensiv soyudulmasını tələb edir.

Lazer dövrəsi Şəkildə göstərilmişdir. 2, b. Nasosun səmərəliliyini artırmaq üçün bir nasos lampası (flaş lampası) və yaqut çubuq silindrik daxili səthi və ellips formalı kəsikli reflektorun içərisində yerləşir, lampa və çubuq ellipsin mərkəz nöqtələrində yerləşir. . Nəticədə, lampadan çıxan bütün radiasiya çubuqda fokuslanır. Lampanın işığının nəbzi, kontaktların " düyməsi ilə bağlandığı anda bir saxlama kondansatörünün boşaldılması ilə cərəyan impulsu keçdikdə baş verir. Kn " Reflektorun içərisinə soyuducu su vurulur. Nəbz başına lazer şüalanma enerjisi bir neçə joula çatır.

Bu lazerin impulslu iş rejimi aşağıdakılardan biri ola bilər (3-cü bölməyə baxın):

1) aşağı impulsun təkrar tezliyində “sərbəst nəsil” rejimi (adətən 0,1...10 Hz);

2) "Q-keçid" rejimi, adətən optik-mexaniki. Şəkildə. 2b, OOR-nin Q-dəyişi güzgünün fırlanması ilə həyata keçirilir;

3) “rejimin kilidlənməsi” rejimi: emissiya xəttinin eni Δν ilə bir neçə dəfə ~10 11 Hz,

uzununa rejimlərin sayı M~10 2 , nəbz müddəti ~10 ps.

Ruby lazer tətbiqlərinə aşağıdakılar daxildir: holoqrafik təsviri qeyd sistemləri, materialların emalı, optik məsafəölçənlər və s.

Tibbdə və lazerdə geniş istifadə olunur BeAl 2 O 4 : Cr 3+ (xrom və ya aleksandritlə ərintilənmiş xrizoberil), 0,7...0,82 mikron diapazonunda emissiya edir.

2.3. Erbium Fiber Optik Kvant Gücləndiricisi. Tez-tez adlanan bu gücləndirici EDFA ” (“” üçün abreviatura Erbium qatqılı lif gücləndirici "), elektron hallar arasında kvant keçidləri üzrə üç səviyyəli sxemə uyğun işləyir Er 3+ erbium qatqılı kvars lifində: SiO 2 : Er 3+ (Şəkil 3, a). Aşağı kvant vəziyyəti "1" yer elektron vəziyyətidir Er 3+ 4 I 15/2 . Üst kvant halları “2” bölünmüş elektron dövlətin aşağı alt səviyyələri qrupudur 4 I 13/2 . Bir-birinə yaxın olan bir sıra alt səviyyələrə parçalanma ionların qarşılıqlı təsiri nəticəsində baş verir Er 3+ kristaldaxili sahə ilə SiO2 (Stark effekti). Elektron dövlətin yuxarı alt səviyyələri 4 I 13/2 və ayrıca səviyyə 4 I 11/2 “3a” və “3b” köməkçi səviyyələridir.

980 nm (və ya 1480 nm) dalğa uzunluğunda nasos radiasiyasının təsiri altında ionlar Er 3+ “1” vəziyyətindən qısamüddətli “3a” və ya “3b” vəziyyətinə, sonra isə sürətli qeyri-radiativ keçidlərlə ( w 32 ~10 6 s 1 ) kvazi-metastabil olan “2” vəziyyətinə ( w 21 ~10 2 s 1 və τ 2 ~10ms). Beləliklə, tələb w 32 >> w 21 həyata keçirilir və "2" səviyyəsində hissəciklərin yığılması var, onların sayı nasosun səviyyəsi həddi aşdıqda W > W por , “1” səviyyəsinin əhalisini üstələyir, yəni. 1,52...1,57 µm diapazonunda dalğa uzunluqlarında əhalinin inversiya və gücləndirilməsi baş verəcək (Şəkil 3b). Məlum olur ki, inversiya həddinə hissəciklərin üçdə biri “2” səviyyəsinə köçürüldükdə çatılır. OH həddi səviyyəsi W por və qazancın tezlikdən asılılığı lif strukturu (Şəkil 3b), konsentrasiyası ilə müəyyən edilir Er 3+ və OH radiasiyasının dalğa uzunluğu. Nasosun səmərəliliyi, yəni doymamış qazancın OH mənbəyinin vahid gücünə nisbəti λ980 nm-dən 11 dB m-ə qədər nasos üçündir. 1 ∙mW 1 , və λ1480nma üçün təxminən 6dB m 1 ∙mW 1.

Tezlik diapazonunun uyğunluğunu qazanın EDFA kvars lifinin üçüncü "şəffaflıq pəncərəsi" bu cür gücləndiricilərin tezlik bölgüsü multipleksasiyası (sistemlər) ilə müasir fiber-optik rabitə xətlərinin (FOCL) xətti itkiləri üçün kompensator kimi istifadəsini müəyyən edir. WDM: Dalğa Boyu Bölmə Çoxalması və DWDM: Dalğa Uzunluğunu Bölmə Çoxalması ). Yarımkeçirici lazer şüalanması ilə pompalanan gücləndirici kabelin bir hissəsi kifayət qədər sadə bir fiber-optik əlaqə ilə bağlıdır (şəkil 3c). Fiber-optik bağlantılarda erbium lif gücləndiricilərinin istifadəsi siqnalın texniki cəhətdən daha mürəkkəb "bərpa" metodunu əvəz edir - zəif siqnalı təcrid etmək və onu bərpa etmək.

düyü. 3. Erbium fiber optik kvant gücləndiricisi ( EDFA ). (a) enerji səviyyəsinin diaqramı SiO 2-də Er 3+ (kvars), (b) müxtəlif əlavələrlə kvarsda siqnalın gücləndirilməsi, ( V )gücləndiricini fiber-optik xəttə qoşmaq üçün sadələşdirilmiş sxem: 1giriş şüalanması (ötürmə yolundan), 2 yarımkeçirici nasos lazeri, 3multipleksator ( birləşdirici), 4 EDFA (SiO 2 : Er 3+ lif ), 5optik izolyator, 6çıxış radiasiya (ötürmə yoluna).

3. “Dörd səviyyəli sxem” üzrə işləyən optik nasoslu lazerlər.

3.1. Dörd səviyyəli sxemin nəzəri təhlili. Belə səviyyə sxemində (şəkil 4) “0” səviyyəsi hissəciklər ansamblının əsas enerji vəziyyətidir, “0” səviyyəsi ilə kvant keçidi ilə əlaqəli “1” səviyyəsi, aşağı lazer səviyyəsidir, uzun- yaşamış səviyyə “2” yuxarı lazer səviyyəsidir, “3” isə köməkçidir. Pompa “0” → “3” kanalı ilə işləyir.

“2” və “1” səviyyələri arasında inversiyanın mövcudluğu şərtini tapaq. Səviyyələrin statistik çəkilərinin eyni olduğunu fərz etsək, həm də bunu fərz etsək

və, (6)

Stasionar yaxınlaşmada “3”, “2” və “1” səviyyələri üçün sadələşdirilmiş kinetik tənliklər sistemini, həmçinin bütün səviyyələrdə hissəciklərin sayına münasibətini yazaq:

(7)

burada n 0, n 1, n 2, n 3 , 0,1,2,3 səviyyələrində hissəciklərin konsentrasiyası; Qalib 0 və qalib 3 nasos radiasiyasının təsiri altında "0" və "3" səviyyələri arasında keçidlərdə udma və stimullaşdırılmış emissiya dərəcəsi, ehtimalı W; w ik səviyyələr arasında keçid ehtimalları, N vahid həcmdə aktiv hissəciklərin ümumi sayı.

(6 və 7)-dən səviyyələrin populyasiyalarını tapa bilərik n 1 və n 2 W funksiyası kimi və onların fərqi Δ n şəklində

, (8)

doymamış qazancını təyin edən α 0 “2” → “1” keçidində.

Aydındır ki, qazanc aşağıdakı hallarda müsbət və maksimum olacaqdır:

. (9)

Buradan belə nəticəyə gələ bilərik ki, (6) və (9) şərtlər yerinə yetirildikdə OH ilə dörd səviyyəli bir sxem ilə:

1) inversiya həddi xarakter daşımır və hər hansı biri üçün mövcuddur W;

2) (2.14) ifadəsi ilə təyin olunan lazer çıxış gücü optik nasos sürətindən asılıdır 0 qazandı.

3) üç səviyyəli ilə müqayisədə dörd səviyyəli sxem daha universaldır və əhalinin inversiyasını yaratmağa, həmçinin istənilən nasos səviyyələrində həm impulslu, həm də davamlı lasinq aparmağa imkan verir (qazanc OOR-dakı itkiləri aşdıqda) .

3.2. Neodim lazer. Lazer elektron enerji səviyyələri arasında kvant keçidindən istifadə edir Nd 3+ , lazer lazerləmə OH ilə dörd səviyyəli sxemə uyğun olaraq həyata keçirilir (şək. 5). İonlar üçün ən çox istifadə edilən kristal matris Nd 3+ itrium alüminium qranatdır: Y3Al5O12 , və qatqılı kristal kimi işarələnir Y 3 Al 5 O 12 : Nd 3+ və ya YAG: Nd 3+ . Nd 3+ konsentrasiyası , YAG kristalını 1,5%-ə qədər deformasiya etmir. Üçün digər matrislər Nd 3+ fosfat və silikat eynəklərdir (kimi qeyd olunur).şüşə: Nd 3+ ), gadolinium skandium qalium qranat kristalları (GSGG: Nd 3+ ), itrium-litium ftorid YLiF4:Nd3+ , itrium orthovanadate, orqanometal mayelər. Matrisin kubik quruluşuna görə, YAG-ın lüminesans spektri dar xətlərə malikdir və bu, həm impulslu, həm də davamlı lazer rejimlərində işləyə bilən bərk hallı neodim lazerlərinin yüksək qazancını müəyyən edir.

Sadələşdirilmiş elektron enerji səviyyəsi diaqramı Nd 3+ YAG-da Şəkil 5-də göstərilmişdir. Aşağı lazer səviyyəsi “1” 4 I 11/2 ən intensiv kvant keçidi Nd 3+ dalğa uzunluğu λ1,06 µm olan qrunt enerjisi “0” səviyyəsindən təxminən 0,25 eV yuxarıda yerləşir. 4 I 9/2 , və normal şəraitdə praktiki olaraq əhali yoxdur (yer dövlətinin əhalisinin 0,01%-i), bu lazerin aşağı lasing həddini müəyyən edir. Səviyyə 4 F 3/2 , ömrü 0,2 ms-dir, yuxarı lazer səviyyəsi “2”dir. Səviyyə qrupları (enerji “zonları”) “3a”…“3 d "3" köməkçi elektron səviyyə rolunu oynayır. Optik nasos “0” → “3” kanalı vasitəsilə həyata keçirilir, udma zolaqları 0,52-yə yaxın dalğa uzunluqlarına malikdir; 0,58; 0,75; 0,81 və 0,89 mikron. “3a” ... “3 d “Sürətli rahatlama lazerin yuxarı “2” vəziyyətinə qeyri-radiativ keçidlər səbəbindən baş verir.

Nasos üçün kripton və ksenon qaz boşalma lampaları, əlavələri olan halogen lampalar istifadə olunur. qələvi metallar doldurma qazında, həmçinin yarımkeçiricidə GaAs lazerlər (λ0.88 µm) və LED-lər əsasında Ga 1 x Al x As (λ0.81 µm) (Şəkil 6).

YAG lazer şüalanma gücü: Nd 3+ fasiləsiz rejimdə λ1.06 μm dalğa uzunluğu ilə 1 kVt-a çatır, impuls rejimində rekord dəyərlər əldə edilir: impuls enerjisi təxminən 200 kJ və nəbz müddəti ~ 1 ns olan güc 200 TW (lazer üzərində təcrübələr üçün yaradılmışdır) idarə olunan lazer termonüvə birləşməsi - LTS).

YAG kristalında lazer xətti var Nd 3+ λ1,06 μm ilə bərabər genişlənir (0,7 nm-ə qədər), şüşələrdə isə Stark effekti (Δ) səbəbindən əhəmiyyətli dərəcədə qeyri-homogen genişlənmə olur.ν bir deyil ≈3∙10 12 Hz,), uzununa rejimdə sinxronizasiya rejimindən uğurla istifadə etməyə imkan verir (bax. bölmə 3.3). M ~10 4 və təxminən 1 ps müddəti ilə ultraqısa impulslar qəbul edin.

Neodim pentafosfat kimi mühitlərdə aktivator ionlarının konsentrasiyasının artması ( NdP5O14 ), litium neodim tetrafosfat ( LiNdP 4 O 12 ) və s., yarımkeçirici lazer şüalarının millimetr fraksiyaları düzənli məsafələrdə effektiv udulmasını təmin edir ki, bu da adlanan miniatür modulları yaratmağa imkan verir. mini lazerlər : yarımkeçirici lazerneodim lazer.

λ1.06 µm olan neodim lazerin yüksək şüalanma gücü qeyri-xətti kristallardan istifadə edərək onun şüalanma tezliyini çevirməyə imkan verir. İkinci və daha yüksək optik harmoniklər yaratmaq üçün kvadrat və kub qeyri-xətti həssaslığa malik kristallar (kalium dihidrogen fosfat) KDP , kalium titanil fosfat KTP ), birbaşa və (və ya) ardıcıl (kaskad) çevrilmə ilə. Beləliklə, bir neodim lazeri buraxmaq üçün kristallar zəncirindən istifadə etsəniz, λ0,53 μm (yaşıl) dalğa uzunluğuna malik 2-ci, 4-cü və 5-ci harmoniklərin λ1.06 μm nəsli ilə əsas tezlikdə IR şüalanmasına əlavə olaraq əldə edə bilərsiniz. radiasiya); λ0.35 µm, λ0.26 µm və λ0.21 µm (UV şüalanması) (Şəkil 7).

Neodim lazerlərinin əsas tətbiq sahələri: texnoloji və tibbi qurğular, idarə olunan lazer termonüvə sintezi üzrə təcrübələr, radiasiyanın maddə ilə rezonans qarşılıqlı təsirinin tədqiqi, sualtı görmə və rabitə sistemlərində (λ0,53 μm), informasiyanın optik emalı; spektroskopiya, atmosferdəki çirklərin uzaqdan diaqnostikası (UV şüalanması) və s.

Matris kimi şüşədən (silikat, borat və s.) istifadə edilən lazerlərdə digər aktivləşdirici ionlardan uğurla istifadə etmək olar: Yb 3+ , Er 3+ , Tm 3+ , Ho 3+ 0,9...1,54 µm diapazonunda şüalanma ilə.

3.3. Qeyri-xətti mühitdə şüalanma tezliyinin çevrilməsi. İşıq dalğalarının tezliklərinin ikiqat artması və əlavə olunması fenomeni aşağıdakı kimidir. İşıq bir elektromaqnit dalğasının elektrik sahəsinin təsiri altında bir mühitdə yayıldıqda E , atom elektronlarının nüvələrə nisbətən müvafiq yerdəyişməsi var, yəni. mühit qütbləşir. Bir mühitin qütbləşmə qabiliyyəti vahid həcmdə elektrik dipol momentinin böyüklüyü ilə xarakterizə olunur - R , sahənin böyüklüyü ilə bağlıdır E mühitin dielektrik həssaslığı vasitəsiləχ : . Bu sahə kiçikdirsə, dielektrik həssaslıqχ = χ 0 = Const, р edir xətti funksiya-dan E : , və yüklərin yerdəyişməsi ilkin şüalanma ilə eyni tezlikdə şüalanmaya səbəb olur (“ xətti” optika).

Yüksək gücdə radiasiyanın elektrik sahəsi atomdaxili sahənin dəyərini aşmağa başlayanda qütbləşmə qeyri-xətti funksiyaya çevrilir. E : Yəni xətti asılı istisna olmaqla E kiçik müddət E , üçün ifadəsində xətti optika ilə məşğul olduğumuz zaman R ilə əlaqədar qeyri-xətti görünür E termini (“qeyri-xətti ” optika). Nəticədə, ν tezliyi olan "nasos" dalğası mühitdə yayıldıqda 0 və dalğa vektoru (mühitin sınma əmsalı haradadır), yeni dalğa tezliyi və dalğa vektoru ilə ikinci optik harmonik, eləcə də bir sıra yüksək dərəcəli harmoniklər görünür. Aydındır ki, tezlikli nasos dalğasının enerjisi, bu iki dalğanın yayılma sürətləri eyni olarsa, tezlikli yeni dalğaya ən səmərəli şəkildə vurulacaqdır, yəni. əgər sözdə: . Bu şərt, iki dalğanın əsas optik oxuna müəyyən bir açı ilə yayıldığı zaman iki qırılmalı bir kristaldan istifadə etməklə qarşılana bilər.

Tezlikləri və dalğa vektorları olan iki dalğa bir kristalda yayıldıqda və hər dalğanın harmonikasına əlavə olaraq, kristalda ümumi tezliyə malik bir dalğa yaranır: , və tezlik fərqi olan bir dalğa. Bu halda dalğa sinxronizmi şərti formaya malikdir: .

Təsvir edilən hadisələr müəyyən mənada qeyri-xətti kristalın əlaqəli optik nasosu zamanı harmoniklərin yaranması kimi qəbul edilə bilər.

3.4. Tənzimlənən boya lazerləri. Mürəkkəb üzvi birləşmələrin (o cümlədən boyalar: rodaminlər, kumarinlər, oksazollar və s.) spirtlərdə, asetonda və digər həlledicilərdə məhlullarından istifadə edən lazerlər qrupa aiddir. maye lazerlər. Belə məhlullar OH-də intensiv udma zolaqlarına və spektrin yaxın UV, görünən və ya yaxın İQ bölgələrində emissiya zolaqlarına malikdir. Onların əsas üstünlüyü geniş lüminesans xəttidir (50...100 nm-ə qədər), bu xətt daxilində lazerin işləmə tezliyini rəvan tənzimləməyə imkan verir.

Bu cür lazerlərdə istifadə edilən əksər boyaların elektron halları geniş, 0,1 eV-ə qədər, davamlı enerji zolaqlarıdır, yüzlərlə “üst-üstə düşən” vibrasiya və fırlanma alt səviyyələrinin əlavə edilməsi nəticəsində yaranır ki, bu da geniş, adətən struktursuz udma və lüminesans zolaqlarına səbəb olur. belə alt səviyyələr arasında "üst-üstə düşən" keçidlərin əlavə edilməsinin nəticəsi (şək. 8, a). Bu zonaların “daxili” alt səviyyələri arasında ehtimallarla sürətli qeyri-radiativ keçidlər baş verir. w ~10 10 …10 12 s 1 və elektron vəziyyətlər arasında relaksasiya keçidlərinin ehtimalları iki-dörd dərəcə aşağıdır (~10) 8 s 1).

Nəsil boya molekulunun ilk həyəcanlı təkli elektron vəziyyətinin aşağı vibrasiya alt səviyyələrindən keçidləri üzrə “dörd səviyyəli” sxemə əsasən baş verir. S 1 (Şəkil 8, a), Şəkildəki diaqramda "2" səviyyəsinin analoqları. 4 yer elektron dövlətinin yuxarı alt səviyyələrinə S 0 , “1” səviyyəli analoqlar. “0” səviyyəsinin analoqu əsas elektron terminin aşağı alt səviyyələri, “3” köməkçi səviyyəsinin analoqu isə həyəcanlı elektron terminin yuxarı vibrasiya alt səviyyələridir. S1.

Sürətli keçidlər elektron şərtlər daxilində baş verdiyi üçün ştatların əhalisinin bölgüsü Boltzman qanununa uyğundur: yuxarı “3” və “1” alt səviyyələri zəif məskunlaşıb, aşağı alt səviyyələr isə “0” və “2”. çox məskunlaşmışdır. “0” və “3” səviyyələri üçün bu nisbət onlar üçün “0” → “3” kanalı vasitəsilə OH-nin yüksək effektivliyini, “2” və “1” səviyyələri üçün nisbət isə populyasiyanın inversiyasını, gücləndirilməsini və generasiyasını müəyyən edir. bu keçid.

Dar lasing xəttini əldə etmək, həmçinin boya molekullarının geniş lüminesans diapazonu daxilində onu tezlikdə tənzimləmək üçün spektral seçici elementləri (prizmalar, difraksiya barmaqlıqları, interferometrlər və s.) olan dispersiv rezonatordan istifadə olunur (Şəkil 2). 8b).

Lüminesans xətti daxilində dalğa uzunluğunun tənzimlənməsinin mümkünlüyü (şək. 8, V ) güc itkisi olmadan, ehtimalı induksiya edilmiş keçidlərin ehtimalından çox olan "2" və "1" elektron terminləri daxilində sürətli qeyri-radiasiya keçidləri ilə müəyyən edilir. Beləliklə, rezonator “2” → “1” keçidinin lüminesans xətti daxilində istənilən dalğa uzunluğuna kökləndikdə, müvafiq “2” alt səviyyələri arasında keçiddə lazer şüalanması meydana çıxır.ʹ " və "1 ʹ ", nəticədə alt səviyyə "2ʹ " induksiya edilmiş keçidlərlə "təmizlənir" və "1ʹ » əlavə yaşayış. Bununla belə, müddət ərzində OH və qonşu alt səviyyələrdən sürətli keçidlər səbəbindən “yaradıcı” alt səviyyənin “2” əhalisiʹ » davamlı olaraq bərpa olunur. Eyni zamanda, alt səviyyə “1ʹ “Sürətli keçidlərlə o, davamlı olaraq təmizlənir və nəticədə “0” vəziyyətinə rahatlaşır. Beləliklə, "2" yuxarı elektron termininin bütün nasosu "2" keçidinin pompalanmasına çevrilir.ʹ »→«1 ʹ " və dispersiv rezonatorun tənzimləmə tezliyində dar zolaqlı monoxromatik lazer şüalanmasına çevrilir və bu tezlik dəyişə bilər.

Radiativ keçidlərə əlavə olaraq S 1 → S 0 (“2” → “1”) Nəsil səmərəliliyini azaldan bir sıra keçidlər də var. Bunlar keçidlərdir: S 1 → T 1 , əhalinin səviyyəsinin azaldılması “2ʹ ", keçidlər T 1 →"1", əhalinin sayının "1" səviyyəsinin artırılmasıʹ ", və keçidlər T 1 → T 2 , lazer radiasiyasını udmaq.

İki növ boya lazeri var: uyğunsuz (lampa) flaş lampalarından şüalanma ilə optik nasos və impulslu iş rejimi; və həmçinin ilə ardıcıl davamlı, kvazifasiləsiz və ya impulslu iş rejimlərində digər növ lazerlərdən (qaz və ya bərk haldan) radiasiya ilə nasos. Lazerdə boyaları dəyişdirirsinizsə və onlardan mindən çoxu məlumdursa, bu şəkildə spektrin bütün görünən və IR bölgəsinin bir hissəsini (0,33...1,8 mkm) şüalanma ilə "örtmək" olar. Koherent nasoslu lazerlərdə fasiləsiz rejim əldə etmək üçün nasos mənbəyi kimi ion ionlarından istifadə edilir. Ar - və ya Kr - qaz lazerləri. Qaz lazerləri impuls rejimində boyaları vurmaq üçün istifadə olunur. N 2 , mis buxarı, eksimerlər, eləcə də tezlik çarpma ilə yaqut və neodim lazerlər. Tez-tez boya məhlulunu pompalamaq lazımdır, bunun sayəsində nasos radiasiyasının təsiri altında dissosiasiyaya məruz qalmış molekullar aktiv zonadan çıxarılır və təzələri daxil edilir.

Δ olan boya lazerləriν bir deyil ~10 13 Hz və M>10 4 , ultraqısa radiasiya impulslarının yaranmasına imkan verin (τ~10 14…10 13 s).

Xüsusi qrup paylanmış rəy (DFB) boya lazerlərindən ibarətdir. DFB lazerlərində rezonatorun rolunu vaxtaşırı dəyişən qırılma indeksi və (və ya) qazancı olan bir quruluş oynayır. Adətən iki müdaxilə edən nasos şüasının təsiri altında aktiv mühitdə yaradılır. DFB lazeri dar bir lazer xətti ilə xarakterizə olunur (~10 2 sm 1 ), nasos şüaları arasındakı bucağı dəyişdirərək qazanc zolağı daxilində tənzimlənə bilər.

Boya lazerlərinin tətbiqi sahələri arasında: fotokimya, seçmə nasos kvant dövlətləri spektroskopiyada, izotopların ayrılmasında və s.

3.5 Tənzimlənən titan qatqılı sapfir lazer. Lazer dalğa uzunluğunun hamar tənzimlənməsi titanla aktivləşdirilmiş korund kristalına əsaslanan bərk cisimli lazerlə də təmin edilir ( Al 2 O 3 : Ti 3+), sapfir adlanır.

Hər bir elektron dövlət Ti 3+ , çoxlu sayda “üst-üstə düşən” vibrasiya alt səviyyələrindən ibarətdir ki, bu da belə alt səviyyələr arasında “üst-üstə düşən” keçidlərin əlavə edilməsi nəticəsində boyanınkindən daha geniş olan struktursuz udma və lüminesans zolaqlarına gətirib çıxarır. Bu dövlətlər daxilində ehtimallarla sürətli qeyri-radiativ keçidlər baş verir w ~10 9 s 1 , elektron vəziyyətlər arasında relaksasiya ehtimallarının 10 səviyyəsində olmasına baxmayaraq 5…10 6 s 1 .

Sapfir lazer sözdə qrupa aiddir. vibronik lazerlər, onların əsas elektron termini vibrasiya alt səviyyələri (kristal qəfəs) zolağı olması ilə xarakterizə olunur, bunun sayəsində lazer dörd səviyyəli bir sxemə uyğun işləyir və boya lazeri kimi, nəslin hamar şəkildə tənzimlənməsi imkanı yaradır. diapazon λ660...1180 nm. Absorbsiya zolağı λ0.49 μm-dən λ0.54 μm-ə qədər uzanır. Həyəcanlı vəziyyətin qısa ömrü "2" Ti 3+ bu lazerin lampa nasosunu səmərəsiz edir, bu, bir qayda olaraq, davamlı arqon lazeri (λ488 nm və λ514,5 nm), neodim lazerinin ikinci harmonikası (λ530 nm) və ya mis buxarından radiasiya impulsları ilə həyata keçirilir. lazer (λ510 nm).

Titan ilə sapfir lazerin şübhəsiz üstünlükləri işləyən maddənin deqradasiyası olmadan daha yüksək icazə verilən nasos gücü və daha geniş, qeyri-bərabər şəkildə genişlənmiş lüminesans xəttidir. Nəticədə, onlarla femtosaniyə (1 fs = 10) ardıcıllığı olan impulslar ardıcıllığı 15 c) və 0,6 fs-ə qədər qeyri-xətti optik liflərdə impulsların sonrakı sıxılması (sıxılması) ilə.

3.6. Rəng mərkəzlərində tənzimlənən lazerlər. Bu cür lazerlər, yuxarıda müzakirə edilən bərk cisimli lazerlər kimi, aktiv maddə kimi ion kristallarından istifadə edir, lakin rəng mərkəzləri adlanır. F - mərkəzlər , onların radiasiyasının yenidən qurulmasına imkan verir. Belə lazerlər üçün lazer materialları: ftoridlərin kristalları və qələvi metalların xloridləri ( Li, Na, K, Rb ), həmçinin flüoridlər Ca və Sr . Onların ionlaşdırıcı şüalanmaya məruz qalması: qamma kvantları, yüksək enerjili elektronlar, rentgen şüaları və sərt UV şüalanması, həmçinin qələvi metal buxarlarında kristalların kalsinasiyası kristal qəfəsdə nöqtə qüsurlarının yaranmasına, elektronların və ya dəliklərin lokallaşdırılmasına səbəb olur. Bir elektron tutan boşluq, elektron quruluşu hidrogen atomunun quruluşuna bənzəyən bir qüsur meydana gətirir. Bu rəng mərkəzində spektrin görünən və UV bölgələrində udma zolaqları var.

Rəng mərkəzlərində lazer generasiya sxemi üzvi boyalar üzərində maye lazerlərin sxemlərinə bənzəyir. İlk dəfə olaraq K kristallarında rəng mərkəzlərində stimullaşdırılmış emissiya generasiyası əldə edilmişdir Cl - Li impulslu optik nasosla. Aktiv Bu an nəsil müşahidə edilmişdir çox sayda koherent OH ilə impulslu və davamlı rejimlərdə IR radiasiya ilə müxtəlif rəng mərkəzləri. Şüalanma tezliyinin sazlanması rezonatorda yerləşdirilmiş dispersiv elementlərdən (prizmalar, difraksiya barmaqlıqları və s.) istifadə etməklə həyata keçirilir. Lakin zəif istilik və fotosabitlik bu cür lazerlərin geniş istifadəsinə mane olur.

3.7. Fiber lazerlər. Lif rezonatoru optik lif dalğa qurğusu əsasında qurulan lazerlər adlanır ki, bu da radiasiyanın yarandığı lazerin aktiv mühitidir (şək. 9). Kvars lifi qatqılı istifadə edir nadir torpaq elementləri ( Nd, Ho, Er, Tm, Yb və s.), və ya stimullaşdırılmış Raman səpilməsinin təsirindən istifadə edərək passiv lif. Sonuncu halda, optik rezonator lifə "yerləşdirilmiş" "Bragg" sındırma indeksi barmaqlıqları ilə birlikdə işıq bələdçisi təşkil edir. Belə lazerlər adlanır lif Raman ” lazerlər. Lazer şüalanması optik lifin içərisində yayılır və buna görə də fiber lazer rezonatoru sadədir və düzəliş tələb etmir. Fiber lazerdə həm tək tezlikli generasiya, həm də ultraqısa (femtosaniyə, pikosaniyə) işıq impulslarının generasiyasını əldə etmək mümkündür.

4. Parametrik işıq generasiyası

Parametrik işıq istehsalı(OGS) qeyri-xətti xassələri olan bərk kristallarda lazer optik nasos radiasiyasının təsiri altında həyata keçirilir və kifayət qədər yüksək çevrilmə əmsalı (onlarla faiz) ilə xarakterizə olunur. Bu halda, çıxış radiasiyasının tezliyini rəvan şəkildə tənzimləmək mümkündür. Müəyyən mənada, OPO, yuxarıda müzakirə edilən tezliklərin çoxalması və əlavə edilməsi fenomeni kimi, qeyri-xətti kristalın əlaqəli optik nasosu altında tənzimlənən şüalanmanın yaranması kimi qəbul edilə bilər.

OPO fenomeni, eləcə də tezliklərin çoxaldılması və əlavə edilməsi mediada qeyri-xətti optik hadisələrə əsaslanır. Tezliyə ν olan kifayət qədər yüksək intensivliyə malik lazer şüalanmasının qeyri-xətti xassələrə malik olan və açıq optik rezonatorda (OOR) yerləşən mühitlə qarşılıqlı əlaqədə olduğu halı nəzərdən keçirək. 0 (nasos). Bu dalğanın enerjisi ilə pompalanması səbəbindən mühitdə iki yeni işıq dalğası yarana bilər:

1) müəyyən tezlikli ν olan “səs-küy” təbiət dalğası 1 ;

2) tezlik fərqi olan dalğa (ν 0 ν 1 ), nasos radiasiyasının və ν tezlikli təsadüfi (səs-küy) dalğasının qeyri-xətti qarşılıqlı təsirinin nəticəsidir. 1 .

Bundan əlavə, tezliklər ν 1 və (ν 0 ν 1 ) OOR-nin təbii tezlikləri olmalıdır və hər üç dalğa üçün təmin edilməlidirdalğa sinxronizmi vəziyyəti: . Başqa sözlə, ν tezliyi olan nasos işıq dalğası 0 ν tezliyi olan köməkçi səs-küy dalğasından istifadə etməklə 1 , tezlikli dalğaya çevrilir (ν 0 ν 1).

OPO radiasiyasının tezlik tənzimlənməsi iki qırılmalı qeyri-xətti kristalın fırlanması ilə oriyentasiyasını seçməklə həyata keçirilir, yəni. yerinə yetirmək üçün onun optik oxu ilə rezonatorun oxu arasındakı bucağın dəyişdirilməsidalğa sinxronizmi vəziyyəti. Hər bir bucaq dəyəri ν tezliklərinin ciddi şəkildə müəyyən edilmiş birləşməsinə uyğundur 1 və (ν 0 ν 1 ), bunun üçün hazırda dalğa sinxronizmi şərti təmin edilir.

ASG-ni həyata keçirmək üçün iki sxemdən istifadə etmək olar:

1) ν tezlikli dalğalar yarandıqda “iki rezonator” sxemi 1 və (ν 0 ν 1 ) bir OOR-da yaranır və onlar üçün OOR itkisi az olmalıdır;

2) "tək boşluq" sxemi, tezlikli yalnız bir dalğa olduqda (ν 0 ν 1).

Bir kristal aktiv mühit kimi istifadə edilə bilər LiNbO3 (litium niobat), YAG-nin ikinci harmonik şüalanması ilə vurulur: Nd 3+ (λ0.53 µm) və hamar tənzimləmə 10% daxilində λ3.5 µm-ə qədər diapazonda həyata keçirilə bilər. Müxtəlif qeyri-xətti və şəffaflıq bölgələrinə malik optik kristallar dəsti 16 mikrona qədər İR bölgəsində tənzimləməyə imkan verir.

5. Yarımkeçirici lazerlər

YarımkeçiriciBunlara aktiv mühit (işçi maddə) kimi kvant keçidində populyasiya inversiyasına malik müxtəlif tərkibli yarımkeçirici kristalların istifadə edildiyi bərk cisimli lazerlər deyilir. Belə lazerlərin yaradılmasında və təkmilləşdirilməsində həmvətənlərimiz N.Q.Basov, Z.İ.Alferov və onların əməkdaşları həlledici töhfə vermişlər.

5.1. Əməliyyat prinsipi. Yarımkeçirici lazerlərdə, digər lazer növlərindən (digər bərk cisimlər də daxil olmaqla) fərqli olaraq, radiasiya keçidləri atomların, molekulların və ionların təcrid olunmuş enerji səviyyələri arasında deyil, bir-biri ilə qarşılıqlı təsir göstərməyən və ya zəif qarşılıqlı təsirdə olanlar arasında istifadə olunur.enerji zonalarıkristal. Yarımkeçiricilərdə emissiya (lüminessensiya) və stimullaşdırılmış emissiyanın yaranması elektronların həm keçiricilik və valentlik zolaqlarının enerji səviyyələri arasında, həm də bu zolaqların səviyyələri ilə çirklilik səviyyələri arasında kvant keçidləri ilə əlaqədardır: keçidlər donor səviyyəsi-akseptor səviyyəsi, keçiricilik zolağı akseptor səviyyəsi, donor səviyyəli valentlik zolağı, o cümlədən eksitonik vəziyyətlər vasitəsilə. Hər bir enerji zolağı çox böyük (~10 23 …10 24 ) icazə verilən dövlətlərin sayı. Elektronlar fermionlar kimi təsnif olunduğundan; sonra, məsələn, valentlik zona tam və ya qismən elektronlarla doldurula bilər: atomlarda Boltsman paylanmasına bənzər enerji miqyasında aşağıdan yuxarıya doğru azalan sıxlıq ilə.

Yarımkeçiricilərin şüalanması fenomenə əsaslanırelektrolüminessensiya. Akt nəticəsində bir foton buraxılır rekombinasiya yük daşıyıcı elektron və “deşik” (keçirici zolağından olan elektron valentlik zolağında boş yer tutur) və radiasiya dalğasının uzunluğu müəyyən edilir.band boşluğu. Əgər rekombinasiyadan əvvəl elektron və dəliyin kosmosun eyni bölgəsində olması üçün şərait yaratsanız, bu kifayətdir. uzun müddətə, və bu anda kvant keçidinin tezliyi ilə rezonansda olan tezliyə malik foton kosmosun bu bölgəsindən keçəcək, sonra ikinci fotonun emissiyası ilə rekombinasiya prosesini induksiya edə bilər və onun istiqaməti, vektoru. polarizasiya və faza birinci fotonla eyni xüsusiyyətlərə tam uyğun olacaq. Məsələn, in sahibi ("təmiz", "çirksiz") yarımkeçiricilər, dolu valent zolağı və demək olar ki, sərbəst keçiricilik zolağı var. Zolaqlararası keçidlər zamanı inversiyanın baş verməsi və generasiyanın baş verməsi üçün yük daşıyıcılarının həddindən artıq qeyri-tarazlıq konsentrasiyalarını yaratmaq lazımdır: keçiricilik zolağında elektronlar və valentlik zolağında dəliklər. Bu halda, kvazi-Fermi səviyyələri arasındakı interval band boşluğundan artıq olmalıdır, yəni. bir və ya hər iki kvazi-Fermi səviyyələri icazə verilən zonaların daxilində məsafədən çox olmayan məsafələrdə yerləşdiriləcəkdir kT sərhədlərindən. Və bu, yaratdığı o qədər intensivliyin həyəcanını nəzərdə tutur degenerasiya keçiricilik zolağında və valentlik zolağında.

İlk yarımkeçirici lazerlər qallium arsenidindən (GaAs) istifadə edirdi, impuls rejimində işləyirdi, IR diapazonunda radiasiya yayırdı və intensiv soyutma tələb edirdi. Əlavə tədqiqatlar bu tip lazerlərin fizikası və texnologiyasında bir çox əhəmiyyətli irəliləyişlərə səbəb oldu və onlar indi həm görünən, həm də UV diapazonlarında yayılır.

Yarımkeçiricinin degenerasiyası onu yüksək çirkli konsentrasiyada güclü şəkildə dopinq etməklə əldə edilir, belə ki, çirkin xassələri öz yarımkeçiricinin xüsusiyyətlərini deyil, əsasən özünü göstərir. Hər atom donor Çirklilik elektronlarından birini kristalın keçiricilik zolağına verir. Əksinə, bir atomqəbul edənÇirklilik kristal tərəfindən paylaşılan və valentlik zolağında yerləşən bir elektronu tutur. Degenerasiyanməsələn, əlavə etməklə yarımkeçirici əldə edilirGaAstellur çirkləri (konsentrasiyası 3...5 1018 santimetr3 ) və degenerasiyasəhyarımkeçirici sink çirkləri (konsentrasiya 1019 santimetr3 ). Yaratma 0,82 µm-dən 0,9 µm-ə qədər olan IR dalğa uzunluqlarında həyata keçirilir. Substratlarda yetişdirilən strukturlar da yaygındırInP(İQ bölgəsi λ1...3 µm).

Ən sadə lazer diodunun “homo-qovşaq” üzərində işləyən yarımkeçirici kristalı (şəkil 10) çox nazik düzbucaqlı boşqab formasına malikdir. Belə bir lövhə əslində optikdirdalğa bələdçisiradiasiyanın yayıldığı yerdə. Kristalın üst təbəqəsidopingyaratmaq üçünsəhsahəsi, aşağı təbəqədə isə yaradılırnbölgə. Nəticə düzdürsəhngeniş ərazi keçidi. iki tərəflər Açıq optik boşluq meydana gətirən hamar paralel əks etdirici təyyarələr yaratmaq üçün kristalın (ucları) qırılır və cilalanır.-Fabry-Perot interferometri. Bir təyyarədə yayılan spontan emissiyanın təsadüfi fotonusəhnreflektorlara perpendikulyar keçid, boşluq boyunca keçən, məcburi rekombinasiya keçidlərinə səbəb olacaq, eyni parametrlərə malik daha çox foton yaradır, yəni. Radiasiya güclənəcək və nəsil başlayacaq. Bu halda, lazer şüası optik dalğa ötürücü boyunca təkrar keçid və uclardan əks olunması səbəbindən yaranacaq.

Yarımkeçirici lazerlərdə ən vacib nasos növüdürinyeksiyanasos. Bu halda aktiv hissəciklər qeyri-taraz keçirici elektronlar və boşluqlar olan sərbəst yük daşıyıcılarıdır.iynə vurulurVp-n-keçid (aktiv mühit), ondan keçərkən elektrik cərəyanı potensial maneənin hündürlüyünü azaltmaqla "irəli" yerdəyişmə ilə "irəli" istiqamətdə. Bu, elektrik enerjisini (cari) koherent şüalanmaya birbaşa çevirməyə imkan verir.

Digər nasos üsullarına elektrik qəzası (sözdəaxınçılarlazerlər), elektron şüa nasosu və optik nasos.

5.2. DGS lazerləri. Daha dar olan bir təbəqə yerləşdirsənizqadağan olunmuş ərazi(aktiv bölgə) daha geniş bant boşluğu olan iki təbəqə arasında, sözdə.heterostruktur. Onu istifadə edən lazer ikiqat lazer adlanır.heterostruktur(DGS lazer və ya "ikiqat heterostruktur”, DHS- lazer). Bu quruluş birləşdirildikdə formalaşırqallium arsenid(GaAs) vəalüminium qallium arsenid(AlGaAs). Belə lazerlərin üstünlüyü orta təbəqənin kiçik qalınlığıdır - elektronların və dəliklərin lokallaşdırıldığı aktiv bölgə: işıq əlavə olaraq heteroqovşaqlardan əks olunur və radiasiya maksimum qazanc bölgəsi ilə məhdudlaşacaq.

Mərkəzi olanlarla müqayisədə GVD lazer kristalının hər iki tərəfinə daha aşağı sındırma indeksi olan daha iki təbəqə əlavə edilərsə, o zaman xatırladanişıq bələdçisiradiasiyanı daha səmərəli saxlayan struktur (GD lazerayrı saxlama ilə, və ya "ayrı həbs heterostrukturu”, SCHS- lazer). Ən çox lazer istehsal olunur son onilliklər, məhz bu texnologiya ilə istehsal edilmişdir. Müasir optoelektronikanın və günəş enerjisinin inkişafı kvant heterostrukturlarına əsaslanır: daxil olmaqla. kvant “dəlikləri”, kvant “nöqtələri” ilə.

5.3. DFB və VRPI lazerləri. ilə lazerlərdəpaylanmış rəy(ROS və ya "paylanmışdırrəy”– DFBlazer) yaxınsəh- nkeçid, eninə relyef “vuruşlar” sistemi tətbiq edilir, formalaşırdifraksiya barmaqlığı. Bu ızgara sayəsində yalnız bir dalğa uzunluğuna malik radiasiya rezonatora qayıdır və onun üzərində nəsil yaranır, yəni. Radiasiya dalğa uzunluğu sabitləşir (çoxtezlikli fiber-optik rabitə üçün lazerlər).

Yarımkeçirici "kənar" lazer, işıq saçan kristalın səthinə perpendikulyar istiqamətdə və “şaquli rezonator səthi emissiya edən lazer” adlanır (VRPI lazer və ya “şaquliboşluqsəthi- yayma”: V.C.S.E.lazer), kiçik divergensiya bucağı ilə simmetrik şüalanma nümunəsinə malikdir.

Yarımkeçirici lazerin aktiv mühitində çox yüksək qazanc əldə etmək olar (104 santimetr-1 ), buna görə P. l-in aktiv elementinin ölçüləri. lazerlər olduqca kiçikdir (rezonatorun uzunluğu 50 µm...1 mm). Kompaktlıqdan əlavə, xüsusiyyətlər yarımkeçirici lazerlər bunlardır: cari dəyərin dəyişdirilməsi ilə intensivliyə nəzarətin asanlığı, aşağı inersiya (~109 c), yüksək effektivlik (50%-ə qədər), spektral tənzimləmə imkanı və UV-dən orta IR-ə qədər görünən geniş spektral diapazonda generasiya üçün maddələrin böyük seçimi. Eyni zamanda, qaz lazerləri ilə müqayisədə yarımkeçirici lazerlər nisbətən aşağı monoxromatiklik və şüalanma koherentliyi ilə seçilir və eyni vaxtda müxtəlif dalğa uzunluqlarında emissiya edə bilməz. Yarımkeçirici lazerlər tək rejimli və ya çox rejimli ola bilər (böyük aktiv zona eni ilə). Çox rejimli lazerlər cihazdan yüksək radiasiya gücü tələb olunduğu və kiçik şüaların ayrılması şərtinin qoyulmadığı hallarda istifadə olunur. Yarımkeçirici lazerlərin tətbiqi sahələri bunlardır: informasiya emalı cihazları - skanerlər, printerlər, optik yaddaş qurğuları və s., ölçü cihazları, digər lazerləri vurmaq, lazer hədəf təyinediciləri, fiber optika və texnologiya.

BİBLİOQRAFİYA

1. Karlov N.V.Kvant elektronikası üzrə mühazirələr M.: Nauka, 1988. 2-ci nəşr, -336 s.
2. Zvelto O.Lazerlərin iş prinsipləri. M.: Mir, 1984, -395 s.; 3-cü nəşr. 1990, 560 s.; 4-cü nəşr. 1998, -540 s.
3. Pikhtin A.N.Optik və kvant elektronikası. M.: aspirantura məktəbi, 2001. -573 s.
4. Axmanov S.A., Nikitin S.Yu.Fiziki optika. M.: Moskva Dövlət Universitetinin nəşriyyatı, 2004. 2-ci nəşr - 656 s.
5. Malışev V.A.Fiziki əsaslar lazer texnologiyası. M.: Ali məktəb, 200 -543s.
6. Tarasov L.V.Koherent optik şüalanma generatorlarında proseslərin fizikası. M.: Radio və rabitə, 1981, -440 s.
7. Yakovlenko S.I., Evtuşenko G.S.Kvant elektronikasının fiziki əsasları. Tomsk: Nəşriyyat. TDU, 2006. -363 s.
8. İvanov İ.G., Latuş E.L., Sam M.F.Metal buxar ion lazerləri. M.: Energoatomizdat, 1990. -256 s.
9. Fiziki ensiklopediya. Saat 5-də: " rus ensiklopediyası" 1988-1998.
10. İvanov I.G.Qaz boşalması və onun fotonikada tətbiqi. Dərslik. Rostov n/d: Nəşriyyat. SFU, 2009. -96 s.
11. Elektronika. ensiklopedik lüğət. M.: Ensiklopediya, 1991. -688 s.
12. İvanov V.A., Privalov V.E.Lazerlərin dəqiq mexanika cihazlarında tətbiqi. Sankt-Peterburq: Politexnika, 1993. -216 s.;Golikova E.V., Privalov V.E.Yod istinadları ilə stabilləşdirilmiş lazerlər üçün udma xətlərinin hesablanması. Əvvəlcədən çap № 53. Sankt-Peterburq: RAS Analitik Cihazlar İnstitutu. 1992. -47c.
13. Kalaşnikov S.G.Elektrik. M.: Fizmətlit. 2003. -624 s.
14. Fiziki ensiklopediya // Kimyəvi lazer.URL: http://femto.com.ua/articles/part_2/4470.html
15. Kryukov P.G. Femtosaniyə impulsları. Lazer fizikasının yeni sahəsinə giriş. M.: Fizmətlit.2008. -208 ilə.
16. Yanovsky V. et al. Optik Ekspres. 2008. Cild. 16. N3, S.2109- 2114 .

Lazer (ingilis dilindən "stimulyasiya edilmiş şüalanma ilə işığın gücləndirilməsi" " - "şüalanmanı stimullaşdırmaqla işığın gücləndirilməsi") və ya optik kvant generatoru əks əlaqə ilə radiasiya mənbəyinin xüsusi bir növüdür, emissiya orqanı tərs məskunlaşmış bir mühitdir. Lazerin iş prinsipləri xassələrə əsaslanırlazer şüalanması: monoxromatik və yüksək uyğunluq (məkan və zaman). THəmçinin, radiasiyanın xüsusiyyətlərinə tez-tez aşağı bucaqlı divergensiya daxildir (bəzən "şüalanmanın yüksək istiqaməti" termininə rast gələ bilərsiniz), bu da öz növbəsində lazer radiasiyasının yüksək intensivliyi haqqında danışmağa imkan verir. Beləliklə, lazerin iş prinsiplərini başa düşmək üçün lazer şüalanmasının xarakterik xüsusiyyətləri və tərs məskunlaşmış mühit - lazerin üç əsas komponentindən biri haqqında danışmaq lazımdır.

Lazer şüalanmasının spektri. Monoxromatik.

Hər hansı bir mənbənin şüalanmasının xüsusiyyətlərindən biri onun spektridir. Günəş və məişət işıqlandırma cihazları müxtəlif dalğa uzunluqlarına malik komponentləri ehtiva edən geniş radiasiya spektrinə malikdir. Gözümüz belə şüalanmanı ağ işıq kimi qəbul edir, əgər onun müxtəlif komponentlərinin intensivliyi təqribən eynidirsə və ya hansısa kölgə ilə işıq kimi (məsələn, Günəşimizin işığında yaşıl və sarı komponentlər üstünlük təşkil edir).

Lazer şüalanma mənbələri, əksinə, çox dar bir spektrə malikdir. Müəyyən bir yaxınlaşma üçün deyə bilərik ki, lazer şüalanmasının bütün fotonları eyni (və ya oxşar) dalğa uzunluqlarına malikdir. Beləliklə, yaqut lazerin şüalanması, məsələn, qırmızı işığa uyğun gələn 694,3 nm dalğa uzunluğuna malikdir. İlk qaz lazeri olan helium-neon da nisbətən yaxın dalğa uzunluğuna malikdir (632,8 nm). Arqon ionlu qaz lazeri isə 488,0 nm dalğa uzunluğuna malikdir və bu, gözlərimiz tərəfindən firuzəyi rəng (yaşıl və mavi arasında aralıq) kimi qəbul edilir. Titan ionları ilə qatlanmış sapfir əsasında lazerlər infraqırmızı bölgədə dalğa uzunluğuna malikdir (adətən 800 nm), ona görə də onların şüalanması insanlar üçün görünməzdir. Bəzi lazerlər (məsələn, fırlanan yarımkeçirici difraksiya barmaqlığıçıxış güzgüsü kimi) onların şüalanmasının dalğa uzunluğunu tənzimləyə bilər. Bütün lazerlərin ortaq cəhəti odur ki, onların radiasiya enerjisinin əsas hissəsi dar spektral bölgədə cəmləşir. Lazer şüalanmasının bu xüsusiyyətinə monoxromatiklik (yunanca “bir rəng” sözündən) deyilir. Şəkildə. Bu xassəni göstərmək üçün Şəkil 1-də Günəşin radiasiya spektrləri (atmosferin xarici təbəqələri səviyyəsində və dəniz səviyyəsində) və şirkətin istehsal etdiyi yarımkeçirici lazer göstərilir. Thorlabs.

düyü. 1. Günəşin və yarımkeçirici lazerin radiasiya spektrləri.

Lazer radiasiyasının monoxromatiklik dərəcəsi lazer xəttinin spektral eni ilə xarakterizə edilə bilər (eni dalğa uzunluğu və ya maksimum intensivlikdən ayrılan tezlik kimi göstərilə bilər). Tipik olaraq spektral eni 1/2 ( FWHM ), 1/ e və ya maksimum intensivliyin 1/10 hissəsi. Bəzi müasir lazer sistemləri nanometrin milyardda birindən az lazer xəttinin eninə uyğun gələn bir neçə kHz emissiya pik eninə nail olmuşdur. Mütəxəssislər üçün qeyd edirik ki, lazer xəttinin eni spontan emissiya xəttinin enindən daha dar miqyaslı sifarişlər ola bilər ki, bu da lazerin fərqli xüsusiyyətlərindən biridir (məsələn, luminescent və superluminescent mənbələrlə müqayisədə).

Lazer koherensiyası

Monoxromatiklik lazer şüalanmasının vacib, lakin yeganə xüsusiyyəti deyil. Lazer radiasiyasının digər təyinedici xüsusiyyəti onun koherentliyidir. Adətən onlar məkan və zaman bağlılığından danışırlar.

Təsəvvür edək ki, lazer şüası yarımşəffaf güzgü ilə yarıya bölünür: şüa enerjisinin yarısı güzgüdən keçdi, digər yarısı əks olundu və istiqamətləndirici güzgülər sisteminə keçdi (şək. 2). Bundan sonra, ikinci şüa yenidən birinci ilə bir araya gətirilir, lakin bir qədər gecikmə ilə. Şüaların müdaxilə edə biləcəyi maksimum gecikmə müddəti (yəni, radiasiyanın fazasını nəzərə alaraq, yalnız onun intensivliyini nəzərə alaraq qarşılıqlı təsir göstərir) lazer radiasiyasının koherens vaxtı və ikinci şüanın əlavə etdiyi yolun uzunluğu adlanır. onun sapmasına görə keçilən uzununa koherensiyanın uzunluğudur. Müasir lazerlərin uzununa uyğunluq uzunluğu bir kilometri keçə bilər, baxmayaraq ki, əksər tətbiqlər üçün (məsələn, sənaye materiallarını emal edən lazerlər) lazer şüasının belə yüksək məkan koherensiyası tələb olunmur.

Lazer şüasını başqa bir şəkildə ayıra bilərsiniz: şəffaf bir güzgü yerinə, tamamilə əks etdirən bir səth qoyun, ancaq bütün şüanı deyil, yalnız bir hissəsini bloklayın (şəkil 2). Sonra yayılan radiasiyanın qarşılıqlı təsiri müxtəlif hissələrşüa. Radiasiyanın müdaxilə edəcəyi şüanın nöqtələri arasındakı maksimum məsafəyə lazer şüasının eninə koherens uzunluğu deyilir. Əlbəttə ki, bir çox lazerlər üçün transvers koherens uzunluğu sadəcə olaraq lazer şüasının diametrinə bərabərdir.

düyü. 2. Zaman və məkan ahəngdarlığı anlayışlarının izahına doğru

Lazer şüalanmasının açısal divergensiyası. Parametr M 2 .

Lazer şüasını paralel etmək üçün nə qədər səy göstərsək də, həmişə sıfırdan fərqli bucaq fərqi olacaqdır. Lazer şüalanmasının minimum mümkün fərqlilik bucağıα d (“diffraksiya həddi”) böyüklük sırasına görə aşağıdakı ifadə ilə müəyyən edilir:

α d~ λ /D, (1)

Harada λ lazer şüalanmasının dalğa uzunluğudur və D lazerdən çıxan şüanın enidir. Hesablamaq asandır ki, dalğa uzunluğu 0,5 mikron (yaşıl şüalanma) və lazer şüasının eni 5 mm olduqda, divergensiya bucağı ~10 -4 rad və ya 1/200 dərəcə olacaqdır. Bu kiçik dəyərə baxmayaraq, bucaq fərqi bəzi tətbiqlər üçün (məsələn, döyüş peyk sistemlərində lazerlərin istifadəsi üçün) kritik ola bilər, çünki əldə edilə bilən lazer gücü sıxlığına yuxarı hədd təyin edir.

Ümumiyyətlə, lazer şüasının keyfiyyəti parametrlə müəyyən edilə bilər M 2 . Qauss şüasına fokuslanarkən ideal linzanın yaratdığı minimum əldə edilə bilən ləkə sahəsi bərabər olsun S . Sonra eyni lens müəyyən bir lazerdən gələn şüanı sahənin bir nöqtəsinə yönəldirsə S 1 > S , parametr M 2 lazer şüalanması bərabərdir:

M 2 = S 1 / S (2)

Ən yüksək keyfiyyət üçün lazer sistemləri parametr M 2 birliyə yaxındır (xüsusən, parametrli lazerlər M 2 , 1,05-ə bərabərdir). Bununla belə, nəzərə alınmalıdır ki, bu gün lazerlərin bütün sinifləri bu parametrin aşağı dəyərinə malik deyil, bu da müəyyən bir tapşırıq üçün lazer sinfi seçərkən nəzərə alınmalıdır.

Lazer radiasiyasının əsas xüsusiyyətlərini qısaca ümumiləşdirdik. İndi lazerin əsas komponentlərini təsvir edək: populyasiyanın inversiya mühiti, lazer boşluğu, lazer pompası və lazer səviyyəli dövrə.

Ters çevrilmiş əhali ilə mühit. Lazer səviyyələrinin düzülüşü. Kvant çıxışı.

Xarici mənbənin enerjisini (elektrik, lazersiz şüalanmanın enerjisi, əlavə nasos lazerinin enerjisi) işığa çevirən əsas element bir cüt səviyyənin tərs populyasiyasının yaradıldığı mühitdir. “Populyasiya inversiyası” termini o deməkdir ki, mühitin struktur hissəciklərinin (molekullar, atomlar və ya ionlar) müəyyən bir hissəsinin həyəcanlanmış vəziyyətə keçməsi və bu hissəciklərin müəyyən bir cüt enerji səviyyələri üçün (yuxarı və aşağı lazer səviyyələri) orada aşağı enerji səviyyəsindən daha çox hissəciklər var.

Ters populyasiyası olan bir mühitdən keçərkən, aktiv mərkəzlərin bir hissəsinin (atomların/molekulların) həyəcanını aradan qaldırmaqla, kvantları iki lazer səviyyəsinin enerjiləri fərqinə bərabər enerjiyə malik olan şüalanma gücləndirilə bilər. ionları). Gücləndirmə, orijinal kvantla eyni dalğa uzunluğuna, yayılma istiqamətinə, fazaya və qütbləşmə vəziyyətinə malik olan yeni elektromaqnit şüalanma kvantlarının əmələ gəlməsi nəticəsində baş verir. Beləliklə, lazer eyni (enerji baxımından bərabər, koherent və eyni istiqamətdə hərəkət edən) foton paketlərini yaradır (şəkil 3), lazer şüalanmasının əsas xassələrini müəyyən edir.

düyü. 3. Stimullaşdırılmış emissiya zamanı koherent fotonların yaranması.

Bununla belə, klassik yaxınlaşmada yalnız iki səviyyədən ibarət sistemdə tərs məskunlaşmış mühit yaratmaq mümkün deyil. Müasir lazerlər adətən lasing ilə məşğul olan üç və ya dörd səviyyəli səviyyələr sisteminə malikdir. Bu halda, həyəcan mühitin struktur vahidini ən yüksək səviyyəyə köçürür, hissəciklər qısa müddətdə rahatlaşır, daha aşağı enerji dəyərinə - yuxarı lazer səviyyəsinə. Lazer generasiyası həmçinin əsas səviyyələrdən birini - üç səviyyəli sxemdə atomun əsas vəziyyətini və ya dörd səviyyəli sxemdə aralıq vəziyyətini əhatə edir (şəkil 4). Dörd səviyyəli sxem, aralıq səviyyənin adətən əsas vəziyyətindən daha az sayda hissəciklər tərəfindən doldurulması səbəbindən daha üstünlük təşkil edir; müvafiq olaraq, tərs populyasiya yaratmaq (həyəcanlanan hissəciklərin sayından çox olan aşağı lazer səviyyəsindəki atomlar) daha sadə olur (lazer istehsalına başlamaq üçün ətrafı daha az enerji ilə məlumatlandırmaq lazımdır).

düyü. 4. Üç səviyyəli və dörd səviyyəli səviyyəli sistemlər.

Beləliklə, lazer lazerlə iş mühitinə verilən enerjinin minimum dəyəri sistemin ən yüksək səviyyəsinin həyəcan enerjisinə bərabərdir və lasing iki arasında baş verir. aşağı səviyyələr. Bu, lazer səmərəliliyinin ilkin olaraq həyəcan enerjisinin lazer keçid enerjisinə nisbəti ilə məhdudlaşdığını müəyyən edir. Bu nisbət lazerin kvant səmərəliliyi adlanır. Qeyd etmək lazımdır ki, adətən elektrik şəbəkəsindən lazerin səmərəliliyi onun kvant çıxışından bir neçə dəfə (və bəzi hallarda hətta bir neçə onlarla dəfə) aşağı olur.

Yarımkeçirici lazerlər enerji səviyyələrinin xüsusi strukturuna malikdir. Yarımkeçirici lazerlərdə radiasiyanın əmələ gəlməsi prosesi yarımkeçiricinin iki zolağından olan elektronları əhatə edir, lakin işığın yayılmasını təşkil edən çirklər səbəbindən. p-n keçid zamanı diodun müxtəlif hissələrində bu zonaların sərhədləri bir-birinə nisbətən yerdəyişmə olur. Bölgədə tərs əhali p-n belə lazerlərdə keçid elektronların keçiricilik zolağından keçid bölgəsinə axması hesabına yaranır n - valentlik zolağından sahə və deşiklər səh - süjet. Yarımkeçirici lazerlər haqqında daha ətraflı məlumatı xüsusi ədəbiyyatda tapa bilərsiniz.

Müasir lazerlər əhalinin inversiyasını və ya lazer nasosunu yaratmaq üçün müxtəlif üsullardan istifadə edirlər.

Lazer nasosu. Nasos üsulları.

Lazerin radiasiya yaratmağa başlaması üçün onun aktiv mühitinə enerji vermək lazımdır ki, onda tərs populyasiya yaransın. Bu proses lazer pompası adlanır. Müəyyən bir lazerdə tətbiqi aktiv mühitin növündən asılı olan bir neçə əsas nasos üsulu var. Beləliklə, impuls rejimində işləyən eksimer və bəzi qaz lazerləri üçün (məsələn, CO2 - lazer) lazer mühitinin molekullarını elektrik boşalması ilə həyəcanlandırmaq mümkündür. Davamlı qaz lazerlərində nasos üçün parıltı boşalması istifadə edilə bilər. Yarımkeçirici lazerlər bir gərginlik tətbiq edilərək pompalanır p‑n lazer keçidi. Bərk vəziyyətdə olan lazerlər üçün qeyri-koherent radiasiya mənbəyindən (flaş lampası, xətt və ya işıq yayan diodlar massivi) və ya dalğa uzunluğu çirk atomunun yer və həyəcanlanmış halları arasındakı enerji fərqinə uyğun gələn başqa bir lazerdən istifadə edə bilərsiniz. (bərk vəziyyətdə olan lazerlərdə, bir qayda olaraq, matris şəbəkəsində həll olunan atomlar və ya ion çirkləri üzərində lasing baş verir - məsələn, yaqut lazer üçün xrom ionları aktiv çirkdir).

Xülasə etmək üçün deyə bilərik ki, lazerin nasos üsulu onun növü və lazer mühitinin aktiv mərkəzinin xüsusiyyətləri ilə müəyyən edilir. Bir qayda olaraq, hər bir xüsusi lazer növü üçün ən çoxu var təsirli üsul aktiv mühitə enerji vermək üçün sistemin növünü və dizaynını təyin edən nasos.

Lazer rezonatoru. Lazer generasiya vəziyyəti. Stabil və qeyri-sabit rezonatorlar.

Aktiv mühit və ona enerji ötürmək sistemi lazer generasiyasının baş verməsi üçün hələ kifayət deyil, baxmayaraq ki, onların əsasında bəzi qurğular (məsələn, gücləndirici və ya superlüminessent şüalanma mənbəyi) qurmaq artıq mümkündür. Lazer generasiyası, yəni. monoxromatik koherent işığın emissiyası yalnız əks əlaqə və ya lazer boşluğunun mövcudluğunda baş verir.

Ən sadə halda rezonator bir cüt güzgüdür, onlardan biri (lazer çıxış güzgüsü) yarı şəffafdır. Bir qayda olaraq, lazerin "hər iki istiqamətdə" şüalanmasının və lazımsız enerji itkisinin qarşısını almaq üçün başqa bir güzgü kimi 100%-ə yaxın lazer dalğa uzunluğunda əks etdirmə əmsalı olan reflektor ("kar güzgü") quraşdırılır.

Lazer rezonatoru radiasiyanın bir hissəsinin yenidən aktiv mühitə qayıtmasını təmin edir. Bu şərt koherent və monoxromatik şüalanmanın yaranması üçün vacibdir, çünki mühitə qayıdan fotonlar eyni tezlik və fazalı fotonların emissiyasına səbəb olacaqdır. Müvafiq olaraq, aktiv mühitdə yeni yaranan radiasiya kvantları artıq rezonatordan çıxanlarla əlaqəli olacaqdır. Beləliklə, lazer şüalanmasının xarakterik xüsusiyyətləri əsasən lazer boşluğunun dizaynı və keyfiyyəti ilə təmin edilir.

Lazer rezonatorunun çıxış şəffaf güzgüsünün əks etdirilməsi, maksimum lazer çıxış gücünü təmin edəcək şəkildə və ya istehsalın texnoloji sadəliyinə əsaslanaraq seçilir. Beləliklə, bəzi fiber lazerlərdə lif işıq bələdçisinin bərabər şəkildə kəsilmiş ucu çıxış güzgüsü kimi istifadə edilə bilər.

Sabit lazer lazerinin açıq şərti lazer boşluğundakı optik itkilərin (boşluq güzgüləri vasitəsilə radiasiya çıxışında itkilər də daxil olmaqla) və aktiv mühitdə radiasiya qazancının bərabərliyi şərtidir:

exp( a× 2L) = R 1 × R 2 × exp( g× 2L) × X,(3)

harada L = aktiv mühitin uzunluğu,a- aktiv mühitdə qazanc, R 1 və R 2 - rezonator güzgülərinin əks əmsalları vəg- aktiv mühitdə "boz" itkilər (yəni, sıxlığın dəyişməsi ilə bağlı radiasiya itkiləri, lazer mühitindəki qüsurlar, radiasiyanın səpilməsi və birbaşa udulma istisna olmaqla, mühitdən keçərkən radiasiyanın zəifləməsinə səbəb olan digər optik itkilər); mühitin atomları tərəfindən şüalanma kvantlarının). Son çarpan " X » lazerdə mövcud olan bütün digər itkiləri ifadə edir (məsələn, lazerə xüsusi uducu element daxil edilə bilər ki, lazer qısamüddətli impulslar əmələ gətirsin), onlar olmadıqda 1-ə bərabərdir. İnkişaf üçün şərt əldə etmək üçün kortəbii buraxılan fotonlardan lazer generasiyasının ">" işarəsi ilə əvəz edilməli olduğu aydındır.

Bərabərlikdən (3) çıxış lazer güzgüsünü seçmək üçün aşağıdakı qaydaya əməl olunur: boz itkiləri nəzərə alaraq aktiv mühitin radiasiya gücləndirmə əmsalı (a- g) × L kiçik, çıxış güzgüsünün əksi R 1 böyük seçilməlidir ki, lazer nəsli boşluqdan çıxan radiasiya səbəbindən çürüməsin. Qazanc kifayət qədər böyükdürsə, adətən daha aşağı bir dəyər seçmək mantiqidir. R 1 , çünki yüksək əks etdirmə rezonatorun daxilində radiasiya intensivliyinin artmasına gətirib çıxaracaq ki, bu da lazerin ömrünə təsir edə bilər.

Bununla belə, lazer boşluğunun tənzimlənməsi lazımdır. Tutaq ki, rezonator iki paralel, lakin tənzimlənməmiş güzgülərdən ibarətdir (məsələn, bir-birinə bucaq altında yerləşir). Belə rezonatorda radiasiya aktiv mühitdən bir neçə dəfə keçərək lazerdən kənara çıxır (şək. 5). Radiasiyanın son vaxtda hüdudlarını aşdığı rezonatorlar qeyri-sabit adlanır. Belə rezonatorlar bəzi sistemlərdə istifadə olunur (məsələn, xüsusi dizaynın yüksək güclü impulslu lazerlərində), lakin, bir qayda olaraq, praktik tətbiqlərdə boşluqların qeyri-sabitliyindən qaçınmağa çalışırlar.

düyü. 5. Yanlış düzülmüş güzgülərlə qeyri-sabit rezonator; sabit rezonator və

içindəki stasionar radiasiya şüası.

Rezonatorun dayanıqlığını artırmaq üçün güzgü kimi əyri əks etdirici səthlər istifadə olunur. Yansıtıcı səthlərin radiusunun müəyyən dəyərlərində bu rezonator kiçik tənzimləmə pozuntularına qarşı həssas olur, bu da lazerlə işi əhəmiyyətli dərəcədə asanlaşdırmağa imkan verir.

Lazer yaratmaq üçün minimum tələb olunan elementlər dəstini və lazer şüalanmasının əsas xüsusiyyətlərini qısaca təsvir etdik.

Belə bir sxemdə (şəkil 1) aşağı lazer səviyyəsi “1” hissəciklər ansamblının əsas enerji vəziyyətidir, yuxarı lazer səviyyəsi “2” nisbətən uzunömürlü səviyyədir və “3” səviyyəsidir. sürətli qeyri-radiativ keçidlə “2” səviyyəsi ilə əlaqələndirilir, köməkçidir. Optik nasos "1">"3" kanalı ilə işləyir.

düyü. 1. Optik nasosla "üç səviyyəli" sxem

“2” və “1” səviyyələri arasında inversiyanın mövcudluğu şərtini tapaq. Səviyyələrin statistik çəkilərinin eyni g1=g2=g3 olduğunu fərz etsək, stasionar yaxınlaşmada “3” və “2” səviyyələri üçün kinetik (tarazlıq) tənliklər sistemini, həmçinin onların sayı üçün əlaqəni yazırıq. səviyyələrdə hissəciklər:

burada n1, n2, n3 1, 2 və 3 səviyyələrində hissəciklərin konsentrasiyası, Wn1 və Wn3 nasos şüalanmasının təsiri altında “1” və “3” səviyyələri arasında keçidlərdə udma və stimullaşdırılmış emissiya dərəcələridir, ehtimal olan W; wik - səviyyələr arasında keçid ehtimalları, N - vahid həcmdə aktiv hissəciklərin ümumi sayı.

(2)-dən biz n2 və n1 səviyyələrinin populyasiyalarını W-nin funksiyası kimi, onların fərqini isə Dn şəklində tapa bilərik.

bu da "2">"1" keçidində hissəciklər ansamblının doymamış qazancını b0 təyin edir. b0>0 olması üçün zəruridir, yəni. (3)-dəki pay müsbət olmalıdır:

burada Wthr həddi nasos səviyyəsidir. Wthr>0 həmişə olduğundan, buradan belə nəticə çıxır ki, w32>w21, yəni. “3” səviyyəsindən relaksasiya keçidləri ilə “2” səviyyəsinin vurulması ehtimalı onun “1” vəziyyətinə salınması ehtimalından çox olmalıdır.

Əgər

w32 >>w21 və w32 >>w31, (5)

onda (3)-dən alırıq: . Və nəhayət, əgər W>>w21, onda Dn-in inversiyası belə olacaq: Dn?n2?N, yəni. "2" səviyyəsində ətraf mühitin bütün hissəciklərini "toplaya" bilərsiniz. Qeyd edək ki, səviyyənin boşalma dərəcələri üçün münasibətlər (5) “sünbüllərin” yaranması şərtlərinə uyğundur (bax. Bölmə 3.1).

Beləliklə, üç səviyyəli optik pompalanan sistemdə:

1) inversiya w32>>w21 olduqda və maksimum w32>>w31 olduqda mümkündür;

2) inversiya W>Wthr-də baş verir, yəni. yaradılış sondur;

3) aşağı w21-də sərbəst lazer generasiyasının “sünbül” rejimi üçün şərait yaradılır.

Bu bərk vəziyyətdə olan lazer görünən dalğa uzunluğu diapazonunda işləyən ilk lazerdir (T. Meiman, 1960). Yaqut 0,05% aktivator ionları Cr3+ (ion konsentrasiyası ~1,6 1019 sm_3) qarışığı olan Al2O3 dəyişdirilmiş korunddan (matris) sintetik kristaldır və Al2O3:Cr3+ kimi təyin edilmişdir. Yaqut lazer OH ilə üç səviyyəli bir sxemə görə işləyir (Şəkil 2, a). Lazer səviyyələri Cr3+ elektron səviyyələridir: aşağı lazer səviyyəsi “1” Al2O3-də Cr3+-nın yer enerji vəziyyətidir, yuxarı lazer səviyyəsi “2” f2~10_3s ilə uzunmüddətli metastabil səviyyədir. "3a" və "3b" səviyyələri köməkçidir. “1”>”3a” və “1”>”3b” keçidləri spektrin mavi (λ0.41 μm) və “yaşıl” (λ0.56 μm) hissələrinə aiddir və geniş (L ~ 50 ilə) təmsil edir. nm) udma konturları (zolaqlar ).

düyü. 2. Ruby lazer. (a) - Al2O3-də (korund) Cr3+ enerji səviyyələrinin diaqramı; (b) - Q-köçürmə ilə impuls rejimində işləyən lazerin dizayn diaqramı. 1 - yaqut çubuq, 2 - nasos lampası, 3 - elliptik reflektor, 4a - sabit rezonator güzgüsü, 4b - rezonatorun keyfiyyət amilini modulyasiya edən fırlanan rezonator güzgü, CH - saxlama kondansatörü, R - doldurma rezistoru, "Kn" - düymə lampa vasitəsilə cərəyan nəbzini işə salmaq üçün; soyuducu suyun girişi və çıxışı göstərilir.

Optik nasos üsulu, Cr3+ ionları impulslu ksenon lampadan radiasiyanı udduğu zaman Cr3+ ionları ilə “1”>”3” kanalı boyunca “3a” və “3b” köməkçi səviyyələrinin seçmə populyasiyasını təmin edir. Sonra nisbətən qısa müddətdə (~10_8 s) bu ionların “3a” və “3b” səviyyəsindən “2” səviyyələrinə qeyri-radiativ keçidi baş verir. Bu halda ayrılan enerji kristal şəbəkənin titrəyişlərinə çevrilir. Nasos mənbəyindən kifayət qədər radiasiya enerjisi sıxlığı ilə: “2”>”1” keçidində populyasiyanın inversiyasının baş verməsi və l694,3 nm və l692,9 nm-də spektrin qırmızı bölgəsində radiasiyanın yaranması. Səviyyələrin dövlət çəkiləri nəzərə alınmaqla həddi nasos dəyəri təxminən "2" səviyyəsinə keçidə uyğundur? l0,56 μm ilə vurulduqda xüsusi şüalanma enerjisi tələb edən bütün aktiv hissəciklər Epor>2 J/sm 3 (və nasosun impulsunun müddəti f? 10_3 s ilə güc Rpore>2 kVt/sm 3). Lampaya və yaqut çubuğuna stasionar ON vəziyyətində qoyulan bu qədər yüksək güc onun məhvinə səbəb ola bilər, buna görə lazer impuls rejimində işləyir və suyun intensiv soyudulmasını tələb edir.

Lazer dövrəsi Şəkildə göstərilmişdir. 2, b. Nasosun səmərəliliyini artırmaq üçün bir nasos lampası (flaş lampası) və yaqut çubuq silindrik daxili səthi və ellips formalı kəsikli reflektorun içərisində yerləşir, lampa və çubuq ellipsin mərkəz nöqtələrində yerləşir. . Nəticədə, lampadan çıxan bütün radiasiya çubuqda fokuslanır. Lampanın işığının nəbzi, kontaktların "Kn" düyməsi ilə bağlandığı anda bir saxlama kondansatörünün boşaldılması ilə cərəyan impulsunun keçdiyi zaman meydana gəlir. Reflektorun içərisinə soyuducu su vurulur. Nəbz başına lazer şüalanma enerjisi bir neçə joula çatır.

Bu lazerin impulslu iş rejimi aşağıdakılardan biri ola bilər (3-cü bölməyə baxın):

1) aşağı nəbz təkrar tezliyində "sərbəst nəsil" rejimi (adətən 0,1-10 Hz);

2) "Q-keçid" rejimi, adətən optik-mexaniki. Şəkildə. 2b, OOR-nin Q-dəyişi güzgünün fırlanması ilə həyata keçirilir;

3) "rejimin kilidlənməsi" rejimi: emissiya xəttinin eni Dnnone ~ 1011Hz ilə,

uzununa rejimlərin sayı M~102, impuls müddəti ~10 ps.

Ruby lazer tətbiqlərinə aşağıdakılar daxildir: holoqrafik təsviri qeyd sistemləri, materialların emalı, optik məsafəölçənlər və s.

BeAl2O4:Cr3+ (xrom və ya aleksandritlə aşqarlanmış xrizoberil) əsasında 0,7-0,82 mikron diapazonunda emissiya edən lazer də tibbdə geniş istifadə olunur.