Резюме Физически основи на лазерната работа
БЕЛОБЪЛГАРСКИ ДЪРЖАВЕН УНИВЕРСИТЕТ ПО ИНФОРМАТИКА И РАДИОЕЛЕКТРОНИКА
ОБОБЩЕНИЕ по темата:
“Физически основи на лазерната работа. Механизъм на възбуждане"
Физически принципи на работа на лазера
Процес на лазерно излъчване
Процесът на стимулирано излъчване е в основата на лазерното усилване. За да се използва този процес, е необходимо да се прехвърли електрон, например в атом (йон, молекула, твърдо тяло) от по-ниско към по-високо енергийно ниво. За да се осъществи на практика процесът на лазерно усилване, това състояние трябва да се осигури не само за отделен атом, но и за целия ансамбъл от атоми. Броят на атомите, заемащи по-високото горно лазерно ниво, винаги трябва да бъде по-голям от населението на долното лазерно ниво. Това явление се нарича инверсия на населението.
Какви са възможностите за получаване на такава инверсия на населението? Отоплението не е подходящо, тъй като според закона на Планк за радиацията (фиг. 1.), високите нива винаги са по-малко населени от ниските.
Съгласно радиационния закон на Планк, при нагряване съотношението n2 / n1 на броя на населението клони към 1. Инверсия на населението не може да бъде постигната.
Облъчването със светлина (оптично изпомпване) на система само с две енергийни нива, дори при значителна интензивност на изпомпване, дава една и съща популация на двете нива. Причината е, че високият интензитет на облъчване, освен абсорбцията, т.е. населението на горното енергийно ниво също води до много емисии, т.е. до намаляване на населението на горното ниво. По този начин двустепенна система не може да извърши инверсия на населението, използвайки оптично изпомпване. Ситуацията е различна всистеми с три или повече нива.
Тристепенна система
Ако в система с три енергийни нива (фиг. 2.) се извършва инжектиране от ниво 1 до ниво 3, то при спонтанна емисия, т.е. разпад на горното ниво, може да бъде населено ниво 2. Ако това е дълготрайно ниво, тогава населението му се увеличава с времето.
Ориз. 2. В тристепенна лазерна система, с много интензивно изпомпване от ниво 1 до ниво 3, може да се получи по-голяма популация на ниво 2, отколкото на ниво 1.
При много високо напомпване популацията на това второ ниво може да бъде, поне за кратко време, по-висока от популацията на по-ниското лазерно ниво (основно състояние).
Въпреки това, когато лазерът започне да работи, инверсията на населението бързо ще намалее. Тогава мощността на помпата е недостатъчна, за да поддържа инверсията на населението, така че лазерите с три нива практически винаги са импулсни лазери.
Лазер с четири нива.
Ако тристепенната система се разшири с още едно ниво 2' между ниво 1 и ниво 2 (фиг. 3), тогава проблемите на тристепенния лазер по отношение на инверсията на популацията за кратко време могат да бъдат избегнати, при условие че ниво 2' е много краткотрайно. Ако лазерният преход се извършва от ниво 2 към ниво 2', тогава ниво 2' по време на работа на лазера, поради краткото си съществуване, постоянно се изпразва до основното ниво. В тази конфигурация, дори при ниска мощност на помпата, инверсията на населението между нива 2 и 2' може да се поддържа постоянно. Следователно лазерите с 4 нива могат да работят непрекъснато.
Ориз. 3. В лазерна система с 4 нива, дори и при слабо напомпване,инверсия на населението на дългоживеещо ниво 2 по отношение на краткотрайно ниво 2'.
Трябва да се обърне внимание на факта, че за всички механизми на възбуждане промените в популацията на отделните нива се случват в кръг, т.е. приключи на основно ниво, което ни позволява да влезем в нов цикъл на изпомпване. В много случаи този цикъл на изпомпване завършва, поне отчасти, на така наречените "метастабилни триплетни нива" (фиг. 4). Те практически не се разпадат в основно състояние, така че атомите вече са напълно изпомпани в тези метастабилни състояния и впоследствие не могат да бъдат използвани в цикъла на лазерно изпомпване, като по този начин лазерното излъчване спира. Този проблем може да бъде частично решен, ако лазерната среда се променя постоянно, например чрез изпомпване. Друг начин е да добавите така наречения буферен газ. Продължителността на съществуване на метастабилното ниво в този случай се съкращава поради сблъсъци на атоми и молекули, участващи в лазерното генериране, с атоми или молекули на буферния газ.
Ориз. 4. Ако долното лазерно ниво е частично изпразнено до метастабилното триплетно ниво, след известно време генерирането на лазерно лъчение спира.
Лазерна активна среда
Всички материали, за които може да се осигури инверсия на населението, могат да се използват като лазерна среда. Това е възможно със следните материали:
а) свободни атоми, йони, молекули, йони на молекули в газове или пари;
б) молекули на багрилото, разтворени в течности;
в) атоми, йони, вградени в твърдо тяло;
г) легирани полупроводници;
д) свободни електрони.
Само в неоновия елемент се наблюдават около 200 различни лазерни прехода.
отТипът лазерна активна среда разграничава газови, течни, полупроводникови и твърдотелни лазери. Като любопитство трябва да се отбележи, че човешкият дъх, състоящ се от въглероден диоксид, азот и водни ларви, е подходяща активна среда за слаб CO2 лазер, а някои разновидности на джин вече генерират лазерно лъчение, тъй като съдържат достатъчно количество хинин със синя флуоресценция.
Известни са линии за генериране на лазер от ултравиолетовата област на спектъра (100 nm) до милиметрови дължини на вълните в далечния инфрачервен диапазон. Там лазерите плавно се трансформират в мазери.
Провеждат се интензивни изследвания в областта на лазерите в диапазона на рентгеновите вълни. Но само две до три дузини вида лазери са придобили практическо значение.
Медицинските приложения вече са ограничени до CO2 лазери, аргонови и криптонни йонни лазери, Nd:YAG лазери в непрекъснат и импулсен режим и багрилни лазери в непрекъснат и импулсен режим. He-Ne-лазери и GaAs-лазери. Експерименталните лазери, Nd:YAG лазерите за удвояване на честотата, Er:YAG лазерите и лазерите с метални пари също се използват все повече в медицината.
Фигура 5. Типове лазери, най-често използвани в медицината.
В допълнение, лазерните активни среди могат да бъдат разграничени по това дали образуват дискретни лазерни линии, т.е. само в много тесен специфичен диапазон от дължини на вълните или излъчват непрекъснато в широк диапазон от дължини на вълните.
Свободните атоми и йони имат, поради своите добре дефинирани енергийни нива, дискретни лазерни линии. Много твърдотелни лазери също излъчват на дискретни линии (рубинени лазери, Nd:YAG лазери).
Разработени са обаче и твърдотелни лазери (лазери с цветни центрове, александритни лазери,диамант), чиито дължини на вълните на излъчване могат непрекъснато да се променят в голяма спектрална област. Това се отнася по-специално за лазерите с багрила, при които тази техника е напреднала в най-голяма степен. Поради лентовата структура на енергийните нива на полупроводниците, полупроводниковите лазери също нямат дискретни ясни лазерни генериращи линии.
Както вече беше споменато, генерирането на лазерно лъчение може да се постигне, ако има инверсия на населението на двете енергийни нива. За да се получи тази инверсия на населението, енергията в подходяща форма трябва да бъде въведена в лазерната среда. Това може да се постигне по различни начини, независимо от конкретния лазерен процес. Въпреки това, един или друг метод на възбуждане трябва да бъде избран и оптимизиран специално за съответния тип лазер. Основните методи за възбуждане са възбуждане с много интензивна светлина, така нареченото „оптично напомпване“ и възбуждане с електрически газов разряд. В полупроводниковите лазери възбуждането се извършва директно от електрически ток. Химичните реакции също могат да се използват за възбуждане.
Ако лазерната среда е облъчена с интензивна светлина, могат да бъдат заселени по-високи енергийни нива поради абсорбция. Този процес се нарича "оптично изпомпване". Използваните източници на светлина в повечето случаи са много интензивни светкавици, непрекъснато излъчващи лампи с високо налягане и други лазери. Тъй като флаш лампите излъчват в широк спектрален диапазон, лазерните среди с много нива на възбуждане или дори ленти на възбуждане са особено подходящи за оптично изпомпване, тъй като изпомпването се извършва само при дължини на вълните, които точно съответстват на енергийната разлика между двете нива. Тъй като заАко само част от енергията на възбуждане се използва за стимулиране на лазерния преход, тогава дължината на генерираната лазерна вълна винаги е по-голяма от дължината на вълната на възбуждане.
Фигура 6. Пример за колинеарно лазерно изпомпване от друг лазер (лазер с помпа). Дължината на вълната на генериране винаги е по-дълга от дължината на вълната на помпата, така че лъчът на помпата и лазерният лъч могат да бъдат разделени от дисперсионна призма.
Газовите разряди могат да се използват за създаване на инверсия на населението в газообразна или парообразна лазерна активна среда. При газов разряд неутрален газ частично се разлага на йони и електрони. В резултат на електрическото поле, създадено при разряда, електроните се ускоряват и се сблъскват с атоми или йони. В този случай кинетичната енергия на електроните се предава на сблъскващия се партньор. Тази енергия може директно да се използва за населението на горното лазерно ниво.
Плътността на тока при газови разряди може да достигне много висока стойност. Поради това е необходимо да се използват скъпи системи за охлаждане на изпускателната тръба. За затваряне на разряда в много тесни канали са необходими и значителни магнитни полета: намотките, които ги създават, също изискват охлаждане.
За да се увеличи ефективността на създаване на инверсия на популацията, към активната среда често се добавя помпа газ, който има метастабилно ниво, от което горното лазерно ниво може да бъде възбудено от сблъсъци от втори ред. За да бъде ефективно това сблъсково възбуждане, метастабилното ниво и горното лазерно ниво трябва да имат приблизително еднаква енергия. Поради радиационни преходи от други нива, които се възбуждат от газови разряди, населението на това метастабилно ниво се увеличава, където, така да се каже, се натрупва възбуждане на много нива.
Когато атомът на помпата в метастабилно състояние се сблъска с лазерния атом в основно състояние, енергията на възбуждане се прехвърля към лазерния атом (фиг. 7).
Ориз. 7. Схема на процеса на възбуждане с използване на помпа газ.
Малка част от високоенергийните електрони на газовия разряд възбуждат високи нива на изпомпвания газ. Възбудените състояния се разпадат до метастабилно ниво, където енергията на възбуждане се натрупва. Чрез сблъсъци енергията на помпата се прехвърля към горното лазерно ниво.
Фигура 8. Няколко примера за връзката между енергията на помпата и енергията на генерираното лъчение.
Ефективността на различните видове лазери е различна.
Например при йонните лазери първо трябва да се осигури йонизационна енергия, а след това енергията на възбуждане в йонизирано състояние. Въпреки това, само малка част от приложената енергия на помпата може да се използва за лазерния преход.
Положението е много по-добро, например при CO2 лазерите. Тук се достига горното лазерно ниво с много по-ниска консумация на енергия. Няколко примера за връзката между енергията на помпата и генерираната енергия са показани на фиг. 8.
1. Белова А.Н. Неврорехабилитация .-М. Антидор, 2000 - 568s.
2. Приложна лазерна медицина. Изд. H.P. Берлиен, Г.И. Мюлер.- М.: Интерекспорт, 2007.
3. Александровски А.А. Компютъризирана кардиология. Саранск; "Червен октомври" 2005: 197.
4. Разработване и производство на медицински изделия. Държавен стандарт на Република Беларус STB 1019-2000.
5. Щарк М.Б., Скок А.Б. Приложение на електроенцефалографския биофийдбек в клиничната практика. М. - 2004
6. Боголюбов В.М., Пономаренко Г.Н. Обща физиотерапия. М., Санкт Петербург:SLP, 2008 г.