Kanuni ya kwanza ya leza, ambayo fizikia ilitokana na sheria ya Planck ya miale, ilithibitishwa kinadharia na Einstein mwaka wa 1917. Alielezea ufyonzaji, mionzi ya papo hapo na yenye msisimko wa sumakuumeme kwa kutumia coefficients ya uwezekano (Einstein coefficients).
Waanzilishi
Theodor Meiman alikuwa wa kwanza kuonyesha kanuni ya uendeshaji wa laser ya rubi kulingana na kusukuma macho ya rubi ya syntetisk na taa ya flash, ambayo ilitoa mionzi ya mapigo madhubuti yenye urefu wa 694 nm.
Mnamo 1960, wanasayansi wa Iran Javan na Bennett waliunda jenereta ya kwanza ya gesi kwa kutumia mchanganyiko wa 1:10 wa gesi za He na Ne.
Mnamo 1962, RN Hall ilionyesha leza ya kwanza ya gallium arsenide (GaAs) inayotoa sauti kwa urefu wa nm 850. Baadaye mwaka huo huo, Nick Golonyak alitengeneza semiconductor ya kwanza inayoonekana ya jenereta ya quantum.
Muundo na kanuni ya uendeshaji wa leza
Kila mfumo wa leza hujumuisha kifaa amilifu kilichowekwakati ya jozi ya vioo sambamba optically na kuakisi sana, moja ambayo ni translucent, na chanzo cha nishati kwa ajili ya kusukuma yake. Kati ya amplification inaweza kuwa imara, kioevu au gesi, ambayo ina mali ya kuimarisha amplitude ya wimbi la mwanga linalopita kwa njia ya chafu iliyochochewa na kusukuma umeme au macho. Dutu huwekwa kati ya jozi ya vioo kwa njia ambayo mwanga unaoakisiwa ndani yake hupita ndani yake kila wakati na, baada ya kufikia mkuzaji mkubwa, hupenya kioo kinachoangaza.
Mazingira ya daraja mbili
Hebu tuzingatie kanuni ya utendakazi wa leza iliyo na kati amilifu, atomi zake ambazo zina viwango viwili vya nishati: E2 na msingi E1 . Ikiwa atomi zimesisimka kwa hali E2 kwa utaratibu wowote wa kusukuma (macho, utokaji wa umeme, upitishaji wa sasa au mlipuko wa elektroni), basi baada ya nanosekunde chache zitarudi kwenye nafasi ya chini, zikitoa fotoni. ya nishati hν=E 2 - E1. Kulingana na nadharia ya Einstein, utoaji hutolewa kwa njia mbili tofauti: ama unasababishwa na photon, au hutokea kwa hiari. Katika kesi ya kwanza, utoaji wa kuchochea hutokea, na katika pili, utoaji wa hiari. Katika msawazo wa joto, uwezekano wa utoaji unaochochewa ni wa chini zaidi kuliko utoaji wa moja kwa moja (1:1033), kwa hivyo vyanzo vingi vya mwanga vya kawaida haviungani, na utengenezaji wa leza unawezekana katika hali zingine isipokuwa za joto. usawa.
Hata kwa nguvu sanakusukuma, idadi ya watu wa mifumo ya ngazi mbili inaweza tu kufanywa sawa. Kwa hivyo, mifumo ya ngazi tatu au nne inahitajika ili kufikia mabadiliko ya idadi ya watu kwa njia ya macho au pampu nyingine.
Mifumo ya viwango vingi
Kanuni ya leza ya ngazi tatu ni ipi? Mwangaza wenye mwanga mwingi wa masafa ν02 husukuma idadi kubwa ya atomi kutoka kiwango cha chini kabisa cha nishati E0 hadi kiwango cha juu cha nishati E 2. Mpito usio na mionzi wa atomi kutoka E2 hadi E1 huanzisha ubadilishaji wa idadi ya watu kati ya E1 na E 0 , ambayo kiutendaji inawezekana tu wakati atomi ziko katika hali ya kumeta kwa muda mrefu E1, na mpito kutoka E2hadi E 1 inakwenda haraka. Kanuni ya utendakazi wa leza ya ngazi tatu ni kutimiza masharti haya, kutokana na ambayo kati ya E0 na E1 mabadiliko ya idadi ya watu hupatikana na fotoni. huimarishwa na nishati E 1-E0 utoaji unaosababishwa. Kiwango kikubwa zaidi cha E2 kinaweza kuongeza safu ya ufyonzaji wa urefu wa mawimbi kwa ajili ya kusukuma maji kwa ufanisi zaidi, na hivyo kusababisha ongezeko la utoaji unaochangamshwa.
Mfumo wa ngazi tatu unahitaji nguvu ya juu sana ya pampu, kwa kuwa kiwango cha chini kinachohusika katika uzalishaji ndicho cha msingi. Katika hali hii, ili mabadiliko ya idadi ya watu kutokea, zaidi ya nusu ya jumla ya idadi ya atomi lazima iingizwe kwenye hali E1. Kwa kufanya hivyo, nishati hupotea. Nguvu ya kusukuma inaweza kuwa kwa kiasi kikubwakupungua ikiwa kiwango cha kizazi cha chini si cha msingi, ambacho kinahitaji angalau mfumo wa ngazi nne.
Kulingana na asili ya dutu amilifu, leza zimegawanywa katika makundi makuu matatu, ambayo ni, kigumu, kioevu na gesi. Tangu 1958, wakati lasing ilipoonekana kwa mara ya kwanza kwenye fuwele ya akiki, wanasayansi na watafiti wamechunguza aina mbalimbali za nyenzo katika kila kitengo.
Laser ya Hali Imara
Kanuni ya utendakazi inategemea utumiaji wa kifaa amilifu, ambacho huundwa kwa kuongeza chuma cha kikundi cha mpito kwenye kimiani ya fuwele ya kuhami (Ti+3, Cr +3, V+2, С+2, Ni+2, Fe +2, n.k.), ayoni za dunia adimu (Ce+3, Pr+3, Nd +3, Pm+3, Sm+2, Eu +2, +3 , Tb+3, Dy+3, Ho+3 , Er +3, Yb+3, n.k.), na actinides kama U+3. Ngazi ya nishati ya ions ni wajibu tu kwa kizazi. Sifa za kimwili za nyenzo za msingi, kama vile conductivity ya mafuta na upanuzi wa joto, ni muhimu kwa uendeshaji bora wa laser. Mpangilio wa atomi za kimiani karibu na ioni iliyopunguzwa hubadilisha viwango vyake vya nishati. Urefu tofauti wa mawimbi ya uzalishaji katika hali amilifu hupatikana kwa kutumia dawa mbalimbali zenye ioni sawa.
Holmium laser
Mfano wa leza ya hali dhabiti ni jenereta ya quantum, ambayo holmium inachukua nafasi ya atomi ya dutu ya msingi ya kimiani ya fuwele. Ho:YAG ni mojawapo ya nyenzo bora zaidi za kizazi. Kanuni ya uendeshaji wa laser ya holmium ni kwamba garnet ya alumini ya yttrium inaingizwa na ions holmium, optically pumped na taa ya flash na hutoa kwa wavelength ya 2097 nm katika mbalimbali IR, ambayo ni vizuri kufyonzwa na tishu. Laser hii hutumika kwa upasuaji kwenye viungo, katika matibabu ya meno, uvukizi wa seli za saratani, figo na vijiwe vya nyongo.
Jenereta ya kiasi cha semicondukta
Vifaa vya laser vya Quantum ni vya bei nafuu, vinazalishwa kwa wingi na vinaweza kuongezwa kwa urahisi. Kanuni ya uendeshaji wa laser ya semiconductor inategemea matumizi ya diode ya makutano ya p-n, ambayo hutoa mwanga wa urefu fulani wa wimbi kwa recombination ya carrier kwa upendeleo mzuri, sawa na LEDs. LED hutoa kwa hiari, na diode za laser - kulazimishwa. Ili kutimiza hali ya ubadilishaji wa idadi ya watu, mkondo wa uendeshaji lazima uzidi thamani ya kizingiti. Kati amilifu katika diodi ya semicondukta ina umbo la eneo la kuunganisha la tabaka mbili za pande mbili.
Kanuni ya utendakazi wa aina hii ya leza ni kwamba hakuna kioo cha nje kinachohitajika ili kudumisha mzunguuko. Tafakari iliyoundwa na faharisi ya refractive ya tabaka na kutafakari kwa ndani ya kati ya kazi inatosha kwa kusudi hili. Nyuso za mwisho za diodi hukatwa, ambayo huhakikisha kuwa nyuso za kuakisi ziko sambamba.
Muunganisho unaoundwa na nyenzo za semicondukta za aina moja huitwa homojunction, na muunganisho unaoundwa na unganisho wa zile mbili tofauti huitwa.sehemu tofauti.
P- na n-aina ya semikondukta zenye msongamano mkubwa wa mtoa huduma huunda makutano ya p-n yenye safu nyembamba sana ya kupungua (≈1 µm).
Laser ya gesi
Kanuni ya utendakazi na matumizi ya aina hii ya leza hukuruhusu kuunda vifaa vya takriban nishati yoyote (kutoka milliwati hadi megawati) na urefu wa mawimbi (kutoka UV hadi IR) na hukuruhusu kufanya kazi katika hali ya kusukuma na kuendelea.. Kulingana na asili ya midia amilifu, kuna aina tatu za jenereta za quantum za gesi, ambazo ni atomiki, ionic na molekuli.
Leza nyingi za gesi husukumwa kwa kutokwa umeme. Elektroni katika bomba la kutokwa huharakishwa na uwanja wa umeme kati ya elektroni. Zinagongana na atomi, ayoni au molekuli za kati amilifu na kusababisha mpito hadi viwango vya juu vya nishati ili kufikia hali ya mabadiliko ya idadi ya watu na kuchochea utoaji.
Laser ya Molekuli
Kanuni ya uendeshaji wa leza inatokana na ukweli kwamba, tofauti na atomi na ioni zilizotengwa, molekuli katika jenereta za quantum za atomiki na ioni zina bendi pana za nishati za viwango tofauti vya nishati. Zaidi ya hayo, kila kiwango cha nishati ya kielektroniki kina idadi kubwa ya viwango vya mtetemo, na hizo, kwa upande wake, zina viwango kadhaa vya mzunguko.
Nishati kati ya viwango vya nishati ya kielektroniki iko katika UV na maeneo yanayoonekana ya wigo, wakati kati ya viwango vya mtetemo - katika IR ya mbali na karibu.maeneo. Kwa hivyo, jenereta nyingi za quantum za molekuli hufanya kazi katika maeneo ya mbali au karibu ya infrared.
Excimer lasers
Excimers ni molekuli kama vile ArF, KrF, XeCl, ambazo zina hali ya ardhi iliyotenganishwa na ni thabiti katika kiwango cha kwanza. Kanuni ya operesheni ya laser ni kama ifuatavyo. Kama sheria, idadi ya molekuli katika hali ya ardhi ni ndogo, kwa hivyo kusukuma moja kwa moja kutoka kwa ardhi haiwezekani. Molekuli huundwa katika hali ya kwanza ya elektroniki ya msisimko kwa kuchanganya halidi zenye nguvu nyingi na gesi ajizi. Idadi ya watu wa ubadilishaji hupatikana kwa urahisi, kwani idadi ya molekuli kwenye kiwango cha msingi ni ndogo sana ikilinganishwa na ile ya msisimko. Kanuni ya uendeshaji wa laser, kwa kifupi, ni mpito kutoka kwa hali ya elektroniki yenye msisimko hadi hali ya kujitenga. Idadi ya watu katika hali ya ardhini daima husalia katika kiwango cha chini, kwa sababu molekuli katika hatua hii hujitenga na kuwa atomi.
Kifaa na kanuni ya uendeshaji wa leza ni kwamba mirija ya kutoa uchafu hujazwa na mchanganyiko wa halide (F2) na gesi adimu ya ardhini (Ar). Elektroni ndani yake hutenganisha na ionize molekuli za halide na kuunda ioni zenye chaji hasi. Ioni chanya Ar+ na hasi F- huguswa na kutoa molekuli za ArF katika hali ya msisimko wa kwanza na mabadiliko yao ya baadae hadi kwenye hali ya msingi ya kuchukiza na kuzalisha mionzi madhubuti. Laser ya excimer, kanuni ya uendeshaji na matumizi ambayo tunazingatia sasa, inaweza kutumika kusukumahai kwenye rangi.
Laser ya Kioevu
Ikilinganishwa na yabisi, vimiminika vina uwiano sawa na vina msongamano mkubwa wa atomi amilifu kuliko gesi. Mbali na hili, ni rahisi kutengeneza, kuruhusu urahisi wa uharibifu wa joto na inaweza kubadilishwa kwa urahisi. Kanuni ya uendeshaji wa laser ni kutumia rangi za kikaboni kama nyenzo hai, kama vile DCM (4-dicyanomethylene-2-methyl-6-p-dimethylaminostyryl-4H-pyran), rhodamine, styryl, LDS, coumarin, stilbene, nk…, iliyoyeyushwa katika kiyeyushi kinachofaa. Suluhisho la molekuli za rangi husisimka na mionzi ambayo urefu wa wimbi una mgawo mzuri wa kunyonya. Kanuni ya uendeshaji wa laser, kwa kifupi, ni kuzalisha kwa urefu mrefu wa wavelength, inayoitwa fluorescence. Tofauti kati ya nishati iliyofyonzwa na fotoni zinazotolewa hutumiwa na mabadiliko ya nishati isiyo na mionzi na kupasha joto mfumo.
Bendi pana ya umeme ya jenereta za kiasi kioevu ina kipengele cha kipekee - urekebishaji wa urefu wa mawimbi. Kanuni ya uendeshaji na matumizi ya aina hii ya leza kama chanzo cha mwanga kinachoweza kusomeka na shikamani inazidi kuwa muhimu katika uchunguzi wa macho, holografia na matumizi ya matibabu.
Hivi karibuni, jenereta za quantum za rangi zimetumika kutenganisha isotopu. Katika hali hii, leza kwa kuchagua humsisimua mmoja wao, na kumfanya aingie kwenye mmenyuko wa kemikali.
