7.6: Типи лазерів

Last updated

Oct 27, 2022
Save as PDF
- 7.5: Проблеми з роботою лазера
- Назад Матерія

$\newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} }$

$\newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

Існує безліч типів лазерів: газові, тверді, рідкі, напівпровідникові, хімічні, ексимерні, електронно-променеві, вільні електрони, волоконні і навіть хвилеводні лазери. Класифікуємо їх за насосним механізмом.

7.6.1 Оптична накачування

Енергію для перекладу атома $A$ з основного стану в збуджений стан забезпечує світло. Джерелом може бути інший лазер або некогерентний джерело світла, наприклад, розрядна лампа. Якщо атом $A$ знаходиться в основному стані і $A^{*}$ є збудженим атомом, ми маємо, $\hbar \omega_{02}+A \rightarrow A^{*} \nonumber$ де $\omega_{02}$ частота переходу, $0 \rightarrow 2$ як показано на малюнку $\PageIndex{7}$ . Рубіновий лазер, з якого складається підсилювальне середовище $\mathrm{Al}_{2} \mathrm{O}_{3}$ з $0.05$ ваговим відсотком $\mathrm{Cr}_{2} \mathrm{O}_{3}$ , був першим лазером, винайденим в 1960 році. Він випромінює імпульси світла довжини хвилі $694.3 \mathrm{~nm}$ і оптично накачується газорозрядною лампою. Інші оптично накачані лазери - це лазери YAG, скла, волокна, напівпровідника та барвника. У лазері барвника підсилювачем є рідина (наприклад, Rhodamine6G). Він оптично накачується аргоновим лазером і має величезну ширину посилення, яка охоплює майже повний видимий діапазон довжин хвиль. Ми можемо вибрати певну довжину хвилі, вставивши дисперсійний елемент, такий як порожнину Фабри-Перо всередині лазерної порожнини, і обертаючи його під прямим кутом, щоб вибрати потрібну довжину хвилі, як пояснено вище.

7.6.2 Насос для зіткнення електронів

Енергетичні електрони використовуються для зіткнення з атомами підсилювача, тим самим передаючи частину своєї енергії: $A+e\left(\mathcal{E}_{1}\right) \rightarrow A^{*}+e\left(\mathcal{E}_{2}\right), \nonumber$ де $e\left(\mathcal{E}_{1}\right)$ означає електрон з енергією, $\mathcal{E}_{1}$ а де $\mathcal{E}_{1}-\mathcal{E}_{2}$ дорівнює $\hbar \omega_{02}$ так, що атом переноситься. від землі держави до держави 2 для отримання інверсії населення. Прикладами є лазери HenE, Аргон, Криптон, Ксенон, Азот і Мідь. Електрони можуть створюватися розрядом або електронним пучком.

7.6.3 Атомне зіткнення

$B^{m}$ Дозволяти бути атомом $B$ в збудженому, так званому метастабільному стані. Це означає $B^{m}$ , що, хоча і нестабільний, має дуже тривалий час релаксації, тобто довше, ніж $1 \mathrm{~ms}$ або близько того. При $B^{m}$ зіткненні з атомом $A$ він передає енергію $A$ .

$B^{m}+A \rightarrow B+A^{*}, \nonumber$ $A^{*}$ збуджений стан, що використовується для стимульованого випромінювання. Якщо $\tau_{m 1}$ час релаксації метастабільного стану $B^{m}$ , то $\tau_{m 1}$ дуже великий і, отже, швидкість спонтанного викиду дуже мала. Це означає, що кількість метастабільних атомів як функція часу $t$ задається повільно розкладається експоненціальною функцією $\exp \left(-t / \tau_{m 1}\right)$ . Як можна отримати метастабільні атоми? Можна, наприклад, перекачувати атом B з його основного стану 1 до збудженого стану 3 вище стану $\mathrm{m}$ , таким чином, що швидкість спонтанного викиду $3 \rightarrow m$ велика. Накачування може здійснюватися електрично або будь-яким іншим способом. Якщо це робиться електрично, то у нас є $B+e\left(\mathcal{E}_{2}\right) \rightarrow B^{m}+e\left(\mathcal{E}_{1}\right), \nonumber$

Прикладами цих типів лазера є He-Ne, який випромінює червоним в $632 \mathrm{~nm}, \mathrm{~N}_{2}$ - $\mathrm{CO}_{2}$ і He-Cd. Все це залежить від зіткнень атома або молекул, де атом або молекула, які згадуються першою в назві, приводиться в метастабільний стан, а лазерування відбувається на довжині хвилі, що відповідає різниці рівнів другого згаданого атома або молекули. У найпростішому випадку метастабільні стани створюються електронами, що генеруються розрядом. $\mathrm{CO}_{2}$ Лазер випромінює $10 \mu \mathrm{m}$ і може досягти величезної потужності.

7.6.4 Хімічний насос

У деяких хімічних реакціях молекула створюється в збудженому стані з інверсією населення. Прикладом є: $A+B_{2} \rightarrow(A B)^{*}+B \nonumber$ Отже, у цьому випадку лазерування відбудеться для перенесення між станами молекули $A B$ . Лазери HF, DF, Ar-F, Cr-F, Xe-F і Xe-Cl хімічно накачуються.

7.6.5 Напівпровідниковий лазер

У цьому випадку накачування здійснюється за допомогою інжекції електронного струму. Це один з найбільш компактних лазерів, і все ж він зазвичай випромінює $20 \mathrm{~mW}$ потужність. Переходи відбуваються між провідністю і валентною смугами, близькими до $p-n$ стику. Електрони з зони провідності $n$ -шару будуть рекомбінуватися з дірками в $p$ -шарі. Порожнина отримують шляхом полірування торців, які перпендикулярні стику, щоб зробити їх високо відображають. Напівпровідникові лазери виробляються для довжин хвиль від $700 \mathrm{~nm}$ до $30 \mu \mathrm{m}$ і дають безперервний (CW) вихід.

7.6.1.jpg — Малюнок $\PageIndex{1}$ : Оптична накачування.

7.6.2.jpg — Малюнок $\PageIndex{2}$ : HeNe лазер із сферичними зовнішніми дзеркалами, розрядна трубка з гранями під кутом Брюстера для мінімізації відбиття та анодом та катодом для накачування розряду (від Wikimedia Commons drBob/cc BY-SA 3.0).

7.6.3.jpg — Малюнок $\PageIndex{3}$ : Накачування атомів $A$ до стану 2 шляхом зіткнення з метастабільними атомами $B^{m}$

7.6.4.jpg — Малюнок $\PageIndex{4}$ : Напівпровідниковий лазер з $\mathrm{p}-\mathrm{n}$ активним переходом, полірованими торцями і подачею струму для накачування.