7.6: Типи лазерів

Last updated
Save as PDF

Page ID: 78865

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

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.