7.6: Типи лазерів

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.

Малюнок$\PageIndex{1}$: Оптична накачування.

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).

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

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