ในยุคของเราเป็นเรื่องยากที่จะหาคนที่จะไม่เคยได้ยินพระวจนะ "เลเซอร์"อย่างไรก็ตาม มีเพียงไม่กี่คนที่เข้าใจอย่างชัดเจนว่ามันคืออะไร

ครึ่งศตวรรษตั้งแต่การประดิษฐ์เลเซอร์ ประเภทต่างๆพบการประยุกต์ใช้ในหลากหลายด้านตั้งแต่การแพทย์ไปจนถึงเทคโนโลยีดิจิทัล เลเซอร์คืออะไร หลักการทำงานของมันคืออะไร และมีไว้เพื่ออะไร?

เลเซอร์คืออะไร?

อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ทำนายความเป็นไปได้ของการมีอยู่ของเลเซอร์ ซึ่งย้อนกลับไปในปี 1917 ได้ตีพิมพ์บทความเกี่ยวกับความเป็นไปได้ที่อิเล็กตรอนจะปล่อยแสงควอนตัมออกมาในความยาวระดับหนึ่ง ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าการปล่อยสารกระตุ้น แต่เป็นเวลานานถือว่าไม่สามารถทำได้จากมุมมองทางเทคนิค

อย่างไรก็ตาม ด้วยการพัฒนาความสามารถด้านเทคนิคและเทคโนโลยี การสร้างเลเซอร์จึงกลายเป็นเรื่องของเวลา ในปี 1954 นักวิทยาศาสตร์โซเวียต N. Basov และ A. Prokhorov ได้รับ รางวัลโนเบลสำหรับการพัฒนา maser ซึ่งเป็นเครื่องกำเนิดไมโครเวฟเครื่องแรกที่ขับเคลื่อนด้วยแอมโมเนีย และในปี 1960 ชาวอเมริกัน T. Maiman ได้ผลิตเครื่องกำเนิดควอนตัมของรังสีออปติกเครื่องแรก ซึ่งเขาเรียกว่าเลเซอร์ (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) อุปกรณ์แปลงพลังงานเป็นรังสีออปติกในทิศทางแคบ เช่น ลำแสง กระแสของควอนตัมแสง (โฟตอน) ที่มีความเข้มข้นสูง

หลักการทำงานของเลเซอร์

ปรากฏการณ์ที่อาศัยการทำงานของเลเซอร์เรียกว่าการแผ่รังสีกระตุ้นหรือเหนี่ยวนำของตัวกลาง อะตอมของสารบางชนิดสามารถปล่อยโฟตอนออกมาภายใต้การกระทำของโฟตอนตัวอื่น ในขณะที่พลังงานของโฟตอนที่ทำหน้าที่จะต้องเท่ากับความแตกต่างระหว่างระดับพลังงานของอะตอมก่อนและหลังการแผ่รังสี

โฟตอนที่ถูกปล่อยออกมามีความสอดคล้องกับโฟตอนที่ทำให้เกิดการปลดปล่อย นั่นคือ เช่นเดียวกับโฟตอนแรก เป็นผลให้ฟลักซ์แสงที่อ่อนแอในตัวกลางถูกขยายและไม่ได้สุ่ม แต่ไปในทิศทางเดียว ลำแสงของรังสีที่ถูกกระตุ้นจะก่อตัวขึ้น ซึ่งเรียกว่าเลเซอร์

การจำแนกประเภทของเลเซอร์

เมื่อมีการศึกษาธรรมชาติและคุณสมบัติของเลเซอร์ จึงมีการค้นพบลำแสงประเภทต่างๆ ตามสถานะของสารเริ่มต้น เลเซอร์สามารถ:

• แก๊ส;
• ของเหลว;
• สถานะของแข็ง
• บนอิเล็กตรอนอิสระ

ปัจจุบัน มีการพัฒนาวิธีการหลายวิธีในการรับลำแสงเลเซอร์:

• ด้วยความช่วยเหลือของแสงไฟฟ้าหรือการปล่อยอาร์คในตัวกลางที่เป็นก๊าซ - การปล่อยก๊าซ
• โดยการขยายก๊าซร้อนและสร้างการผกผันของประชากร - ไดนามิกของก๊าซ
• โดยการส่งกระแสผ่านเซมิคอนดักเตอร์ด้วยการกระตุ้นของตัวกลาง - ไดโอดหรือการฉีด
• โดยการปั๊มสื่อแสงด้วยแสงแฟลช, LED, เลเซอร์อื่น ฯลฯ ;
• โดยการสูบลำแสงอิเล็กตรอนของตัวกลาง
• การสูบน้ำนิวเคลียร์เมื่อได้รับรังสีจากเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์
• ด้วยความช่วยเหลือของพิเศษ ปฏิกริยาเคมี– เลเซอร์เคมี

พวกเขาทั้งหมดมีลักษณะและความแตกต่างของตัวเองขอบคุณที่พวกเขาใช้ เขตข้อมูลต่างๆอุตสาหกรรม.

การใช้งานจริงของเลเซอร์

จนถึงปัจจุบันเลเซอร์ ประเภทต่างๆถูกใช้ในอุตสาหกรรม การแพทย์ เทคโนโลยีไอที และกิจกรรมด้านอื่นๆ พวกเขาใช้เพื่อ:

• การตัดและการเชื่อมโลหะ พลาสติก วัสดุอื่นๆ
• วาดภาพ จารึก และทำเครื่องหมายพื้นผิวของผลิตภัณฑ์
• การเจาะรูบางเฉียบ การประมวลผลที่แม่นยำของชิ้นส่วนผลึกเซมิคอนดักเตอร์
• การก่อตัวของสารเคลือบผิวผลิตภัณฑ์โดยการฉีดพ่น การเคลือบผิว การเจือผิว ฯลฯ
• การส่งแพ็กเก็ตข้อมูลโดยใช้ไฟเบอร์กลาส
• ประสิทธิภาพของการผ่าตัดและผลการรักษาอื่น ๆ
• ขั้นตอนเครื่องสำอางสำหรับการฟื้นฟูผิว, การกำจัดการก่อตัวที่บกพร่อง, ฯลฯ ;
• การกำหนดเป้าหมาย ชนิดต่างๆอาวุธตั้งแต่อาวุธขนาดเล็กไปจนถึงอาวุธจรวด
• การสร้างและการใช้วิธีโฮโลแกรม
• การประยุกต์ใช้ในโครงการวิจัยต่างๆ
• การวัดระยะทาง พิกัด ความหนาแน่นของสื่อการทำงาน อัตราการไหล และพารามิเตอร์อื่น ๆ อีกมากมาย
• การเปิดตัวปฏิกิริยาเคมีสำหรับการดำเนินกระบวนการทางเทคโนโลยีต่างๆ

มีพื้นที่อีกมากมายที่เลเซอร์ถูกใช้ไปแล้วหรือจะพบการใช้งานในอนาคตอันใกล้นี้

วัสดุทั้งหมดที่สามารถจัดหาการผกผันของประชากรสามารถใช้เป็นสื่อเลเซอร์ได้ เป็นไปได้ด้วยวัสดุต่อไปนี้:

ก) อะตอม ไอออน โมเลกุล ไอออนของโมเลกุลอิสระในก๊าซหรือไอระเหย

b) โมเลกุลของสีย้อมที่ละลายในของเหลว

c) อะตอม ไอออนที่ฝังอยู่ในวัตถุที่เป็นของแข็ง

d) เซมิคอนดักเตอร์เจือ;

e) อิเล็กตรอนอิสระ

จำนวนของสื่อที่สามารถสร้างรังสีเลเซอร์และจำนวนการเปลี่ยนผ่านของเลเซอร์มีจำนวนมาก สังเกตการเปลี่ยนผ่านของเลเซอร์ที่แตกต่างกันประมาณ 200 ครั้งในองค์ประกอบนีออนเพียงอย่างเดียว ตามประเภทของตัวกลางที่ใช้งานเลเซอร์ เลเซอร์ก๊าซ ของเหลว เซมิคอนดักเตอร์ และโซลิดสเตตจะแตกต่างกัน ด้วยความอยากรู้อยากเห็น ควรสังเกตว่าลมหายใจของมนุษย์ ซึ่งประกอบด้วยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ ไนโตรเจน และไอน้ำ เป็นตัวกลางที่เหมาะสมสำหรับเลเซอร์ CO 2 ที่อ่อนแอ และจินบางชนิดได้สร้างรังสีเลเซอร์แล้ว เนื่องจากมี ปริมาณควินินที่มีสารเรืองแสงสีน้ำเงิน

เส้นการสร้างเลเซอร์เป็นที่รู้จักตั้งแต่ช่วงรังสีอัลตราไวโอเลตของสเปกตรัม (100 นาโนเมตร) ถึงความยาวคลื่นมิลลิเมตรในช่วงอินฟราเรดไกล เลเซอร์เปลี่ยนเป็นมาเซอร์ได้อย่างราบรื่น กำลังดำเนินการวิจัยอย่างเข้มข้นในด้านเลเซอร์ในช่วงคลื่นรังสีเอกซ์ (รูปที่ 16) แต่เลเซอร์เพียงสองหรือสามโหลเท่านั้นที่ได้รับความสำคัญในทางปฏิบัติ เลเซอร์ CO 2, อาร์กอนและคริปทอนไอออนเลเซอร์, CW และเลเซอร์ Nd:YAG แบบพัลซิ่ง, CW และเลเซอร์สีย้อมแบบพัลซิ่ง, เลเซอร์ He-Ne และเลเซอร์ GaAs ได้ถูกนำไปใช้ทางการแพทย์อย่างกว้างขวางที่สุด เลเซอร์ Excimer, เลเซอร์ Nd:YAG ที่เพิ่มความถี่เป็นสองเท่า, เลเซอร์ Er:YAG และเลเซอร์ไอโลหะยังถูกนำมาใช้ในทางการแพทย์มากขึ้นเรื่อยๆ

ข้าว. 16. ประเภทของเลเซอร์ที่ใช้กันมากที่สุดในทางการแพทย์

นอกจากนี้ สื่อที่แอคทีฟของเลเซอร์สามารถแยกแยะได้โดยว่าพวกมันก่อตัวเป็นเส้นเลเซอร์แบบแยกหรือไม่ กล่าวคือ ในช่วงความยาวคลื่นเฉพาะที่แคบมากเท่านั้น หรือแผ่รังสีอย่างต่อเนื่องในช่วงความยาวคลื่นที่กว้าง อะตอมและไอออนอิสระมีเส้นเลเซอร์แยกจากกันเนื่องจากระดับพลังงานที่กำหนดไว้อย่างดี เลเซอร์โซลิดสเตตจำนวนมากยังปล่อยแสงบนเส้นแยก (เลเซอร์รูบี้, เลเซอร์ Nd:YAG) อย่างไรก็ตาม เลเซอร์โซลิดสเตตก็ได้รับการพัฒนาเช่นกัน (เลเซอร์สีตรงกลาง, อะเล็กซานไดรต์, เลเซอร์เพชร) ซึ่งความยาวคลื่นของรังสีสามารถเปลี่ยนแปลงได้อย่างต่อเนื่องในพื้นที่สเปกตรัมขนาดใหญ่ โดยเฉพาะอย่างยิ่งกับเลเซอร์สีย้อม ซึ่งเทคนิคนี้มีความก้าวหน้าถึงขีดสุด เนื่องจากโครงสร้างแถบระดับพลังงานของเซมิคอนดักเตอร์ เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์จึงไม่มีสายการสร้างเลเซอร์ที่ชัดเจนแยกจากกัน

การผกผันของประชากรในเลเซอร์ถูกสร้างขึ้นในรูปแบบต่างๆ ส่วนใหญ่มักใช้การฉายแสง (การสูบน้ำด้วยแสง) การปล่อยไฟฟ้า กระแสไฟฟ้า และปฏิกิริยาเคมี

ในการสลับจากโหมดการขยายเป็นโหมดการสร้างแสง เลเซอร์จะใช้การป้อนกลับเช่นเดียวกับในเครื่องกำเนิดใดๆ การตอบสนองในเลเซอร์นั้นดำเนินการโดยใช้ตัวสะท้อนแสงซึ่งในกรณีที่ง่ายที่สุดคือกระจกคู่ขนาน

แผนผังของเลเซอร์แสดงในรูปที่ 6. ประกอบด้วยองค์ประกอบแอคทีฟ ตัวสะท้อนเสียง และแหล่งปั๊ม

เลเซอร์ทำงานดังนี้ ประการแรก แหล่งสูบน้ำ (เช่น หลอดไฟแฟลชทรงพลัง) ทำหน้าที่บนสารทำงาน (องค์ประกอบที่ทำงานอยู่) ของเลเซอร์ ทำให้เกิดการผกผันของประชากรในนั้น จากนั้นตัวกลางกลับด้านจะเริ่มปล่อยแสงควอนตัมออกมาเอง ภายใต้การกระทำของการปล่อยแสงที่เกิดขึ้นเอง กระบวนการกระตุ้นการปล่อยแสงจะเริ่มขึ้น เนื่องจากการผกผันของประชากร กระบวนการนี้มีลักษณะเหมือนหิมะถล่มและนำไปสู่การขยายแสงแบบทวีคูณ ลำแสงที่เคลื่อนที่ในทิศทางด้านข้างจะออกจากองค์ประกอบที่ใช้งานอยู่อย่างรวดเร็วโดยไม่มีเวลาได้รับพลังงานจำนวนมาก ในเวลาเดียวกัน คลื่นแสงที่แพร่กระจายไปตามแกนของตัวสะท้อนจะผ่านองค์ประกอบที่ใช้งานอยู่ซ้ำๆ และได้รับพลังงานอย่างต่อเนื่อง เนื่องจากการส่งผ่านแสงบางส่วนโดยกระจกสะท้อนเสียงอันใดอันหนึ่ง รังสีจะถูกส่งออกสู่ภายนอก เกิดเป็นลำแสงเลเซอร์

รูปที่ 6 แผนผังของเลเซอร์ 1 - องค์ประกอบที่ใช้งานอยู่; 2- ระบบสูบน้ำ;

3- แร่แสง; 4 - รังสีที่สร้างขึ้น

§5. อุปกรณ์และการทำงานของเลเซอร์ฮีเลียม-นีออน

รูปที่ 7 แผนผังของฮีเลียม-นีออนเลเซอร์

1). เลเซอร์ประกอบด้วยท่อปล่อยก๊าซ T ที่มีความยาวหลายสิบซม. ถึง 1.5-2 ม. และเส้นผ่านศูนย์กลางภายใน 7-10 มม. หลอดบรรจุด้วยส่วนผสมของฮีเลียม (ความดัน ~1mmHg) และนีออน (ความดัน ~0.1mmHg) ปลายท่อปิดด้วยกระจกระนาบขนานหรือแผ่นควอทซ์ P 1 และ P 2 ติดตั้งที่มุมบรูว์สเตอร์กับแกน สิ่งนี้สร้างโพลาไรเซชันเชิงเส้นของรังสีเลเซอร์ด้วยเวกเตอร์ไฟฟ้าที่ขนานกับระนาบตกกระทบ กระจก S 1 และ S 2 ซึ่งอยู่ระหว่างการวางท่อมักจะทำให้เป็นทรงกลมด้วยการเคลือบอิเล็กทริกหลายชั้น มีการสะท้อนแสงสูงและไม่ดูดซับแสง ค่าการส่องผ่านของกระจกซึ่งรังสีเลเซอร์ผ่านออกมาส่วนใหญ่มักจะอยู่ที่ 2% ในขณะที่กระจกอีกบานหนึ่งมีค่าน้อยกว่า 1% ใช้แรงดันไฟฟ้าคงที่ 1-2 kV ระหว่างขั้วไฟฟ้าของหลอด แคโทด K ของท่อสามารถเย็นได้ แต่เพื่อเพิ่มกระแสการคายประจุ ยังใช้ท่อที่มีแอโนดทรงกระบอกกลวง ซึ่งแคโทดจะถูกให้ความร้อนจากแหล่งกำเนิดกระแสแรงดันต่ำ กระแสไฟที่ปล่อยออกมาในท่อมีค่าหลายสิบมิลลิแอมป์ เลเซอร์สร้างแสงสีแดงที่มีความยาวคลื่น =632.8 นาโนเมตร และยังสามารถสร้างรังสีอินฟราเรดที่มีความยาวคลื่น 1.15 และ 3.39 µm (ดูรูปที่ 2) แต่ก็จำเป็นต้องมีกระจกท้ายที่โปร่งใสต่อแสงอินฟราเรดและกระจกที่มีค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อนสูงในย่านอินฟราเรด

2). ในเลเซอร์ การกระตุ้นการปล่อยจะใช้เพื่อสร้างคลื่นแสงที่สอดคล้องกัน แนวคิดนี้ถูกแสดงครั้งแรกในปี 1957 โดย A.M. Prokhorov, N.G. Basov และ Ch. Towns เป็นอิสระจากพวกเขา ในการที่จะเปลี่ยนสารที่ใช้งานอยู่ของเลเซอร์ให้เป็นตัวสร้างการสั่นของแสงนั้น จำเป็นต้องใช้ผลป้อนกลับ ซึ่งหมายความว่าส่วนหนึ่งของแสงที่ปล่อยออกมาจะต้องกลับไปที่โซนของสารออกฤทธิ์เสมอ และทำให้เกิดการกระตุ้นการปลดปล่อยอะตอมใหม่มากขึ้นเรื่อยๆ ในการทำเช่นนี้ สารออกฤทธิ์จะอยู่ระหว่างกระจกสองบาน S 1 และ S 2 (ดูรูปที่ 7) ซึ่งเป็นองค์ประกอบป้อนกลับ ลำแสงที่ผ่านการสะท้อนหลายครั้งจากกระจก S 1 และ S 2 จะผ่านสารที่ใช้งานอยู่หลายครั้งในขณะที่ถูกขยายอันเป็นผลมาจากการเปลี่ยนจากระดับพลังงานที่สูงขึ้น " 3 ไปยังระดับที่ต่ำกว่า  " 1 . สิ่งนี้ส่งผลให้เกิดเสียงสะท้อนแบบเปิด ซึ่งกระจกให้ทางเดินหลายทาง (และขยายด้วย) ของฟลักซ์แสงในตัวกลางที่ทำงานอยู่ ในเลเซอร์จริง แสงบางส่วนต้องถูกปล่อยออกมาจากตัวกลางที่ทำงานอยู่ออกสู่ภายนอกจึงจะใช้งานได้ เพื่อจุดประสงค์นี้ กระจกบานหนึ่ง เช่น S 2 ทำให้โปร่งแสง

ตัวสะท้อนดังกล่าวจะไม่เพียงขยายแสงเท่านั้น แต่ยังปรับแสงและปรับสีให้เป็นสีเดียวด้วย เพื่อความง่าย อันดับแรกเราคิดว่ากระจก S 1 และ S 2 นั้นเหมาะสมที่สุด จากนั้นรังสีซึ่งขนานกับแกนของทรงกระบอกจะผ่านสารออกฤทธิ์กลับไปกลับมาไม่จำกัดจำนวนครั้ง อย่างไรก็ตาม ในที่สุด คานเฉียงจะชนผนังด้านข้างของกระบอกสูบ ซึ่งคานเหล่านั้นจะกระจายหรือหลุดออกไป ดังนั้นจึงเป็นที่ชัดเจนว่าลำแสงที่แผ่ออกไปในแนวขนานกับแกนของทรงกระบอกจะถูกขยายออกไปสูงสุด สิ่งนี้อธิบายถึงการเรียงตัวของรังสี แน่นอนว่าไม่สามารถรับรังสีคู่ขนานอย่างเคร่งครัด สิ่งนี้ถูกป้องกันโดยการเลี้ยวเบนของแสง โดยหลักการแล้วมุมเบี่ยงเบนของคานต้องไม่น้อยกว่าขีดจำกัดการเลี้ยวเบน  ง, ที่ไหน ง- ความกว้างของลำแสง อย่างไรก็ตาม ในเลเซอร์แก๊สที่ดีที่สุดก็ถึงขีดจำกัดนี้แล้ว

ให้เราอธิบายว่าแสงสีเดียวเกิดขึ้นได้อย่างไร อนุญาต Zคือความยาวทางเดินแสงระหว่างกระจก ถ้า 2 Z= ม นั่นคือตามความยาว Zพอดีกับจำนวนเต็มของครึ่งคลื่น m จากนั้นคลื่นแสงที่ออกจาก S 1 หลังจากผ่านไปมาจะกลับไปที่ S 1 ในเฟสเดียวกัน คลื่นดังกล่าวจะทวีความรุนแรงขึ้นในระหว่างทางเดินที่สองและที่ตามมาทั้งหมดผ่านสารออกฤทธิ์ในทิศทางไปข้างหน้าและย้อนกลับ ความยาวคลื่นที่ใกล้ที่สุด  ที่ควรจะเกิดการขยายเสียงแบบเดียวกัน สามารถพบได้จากเงื่อนไข 2 Z=(ม 1)( ). เพราะฉะนั้น,  =  / ม, นั่นคือ  ตามที่คาดไว้ ตรงกับขอบเขตสเปกตรัมของอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ Fabry-Perot ให้เราคำนึงว่าระดับพลังงาน " 3 และ  " 1 และเส้นสเปกตรัมที่ปรากฏระหว่างช่วงการเปลี่ยนภาพระหว่างเส้นสเปกตรัมนั้นไม่บางแต่มีความกว้างจำกัด สมมติว่าความกว้างของเส้นสเปกตรัมที่ปล่อยออกมาจากอะตอมนั้นเล็กกว่าพื้นที่กระจายของอุปกรณ์ จากนั้น จากความยาวคลื่นทั้งหมดที่ปล่อยออกมาจากอะตอม จะเกิดสภาวะ 2 Z= ม สามารถตอบสนองความยาวคลื่นเดียวเท่านั้น  . คลื่นดังกล่าวจะทวีความรุนแรงมากที่สุด สิ่งนี้นำไปสู่การแคบลงของเส้นสเปกตรัมที่สร้างโดยเลเซอร์ นั่นคือ ทำให้เกิดแสงสีเดียว

คุณสมบัติหลักของลำแสงเลเซอร์:

เอกรงค์;

การเชื่อมโยงกันเชิงพื้นที่และเชิงเวลา

ความเข้มสูง

ความแตกต่างของลำแสงต่ำ

เนื่องจากมีความเชื่อมโยงกันสูง เลเซอร์ฮีเลียม-นีออนจึงทำหน้าที่เป็นแหล่งกำเนิดรังสีเอกรงค์แบบต่อเนื่องที่ยอดเยี่ยมสำหรับการศึกษาปรากฏการณ์การรบกวนและการเลี้ยวเบนทุกประเภท การนำไปใช้กับแหล่งกำเนิดแสงทั่วไปจำเป็นต้องใช้อุปกรณ์พิเศษ

อันดับแรก ให้เราพิจารณาเลเซอร์สี่ระดับที่มีแถบการดูดซับของปั๊มเพียงแถบเดียว (แถบ 3 ในรูปที่ 5.1) เพื่อความเรียบง่าย อย่างไรก็ตาม การวิเคราะห์ที่ตามมาจะยังคงไม่เปลี่ยนแปลง แม้ว่าเราจะจัดการกับแถบการดูดกลืน (หรือระดับ) ของปั๊มมากกว่าหนึ่งแถบ โดยมีเงื่อนไขว่าการผ่อนคลายจากแถบเหล่านี้ไปยังเลเซอร์ระดับบน 2 นั้นรวดเร็วมาก แสดงว่า

ประชากรของสี่ระดับ 0, 1, 2 และ 3 ตามลำดับผ่าน เราถือว่าเลเซอร์สร้างในโหมดเสียงสะท้อนเดียวเท่านั้น ให้ เป็นจำนวนโฟตอนทั้งหมดในเรโซเนเตอร์ สมมติว่าการเปลี่ยนระหว่างระดับ 3 และ 2 และระดับ 1 และ 0 เป็นไปอย่างรวดเร็ว เราสามารถใส่ . ดังนั้นเราจึงมีสมการอัตราดังต่อไปนี้:

ในสมการ (5.1a) ปริมาณคือจำนวนรวมของอะตอม (หรือโมเลกุล) ที่ใช้งานอยู่ ในสมการ (5.16) คำนี้คำนึงถึงการสูบน้ำ [ดู สมการ (1.10)]. นิพจน์ที่ชัดเจนสำหรับอัตราการสูบน้ำสำหรับทั้งการสูบน้ำด้วยแสงและไฟฟ้าได้รับแล้วในบทที่ 3. ในสมการเดียวกัน คำนี้สอดคล้องกับการปล่อยสารกระตุ้น ความเร็วของการปล่อยที่ถูกกระตุ้นดังแสดงในบทที่ 2 เป็นสัดส่วนกับกำลังสองของสนามไฟฟ้าของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและเป็นสัดส่วน ดังนั้น ค่าสัมประสิทธิ์ B จึงถือเป็นความเร็วของการปล่อยสารกระตุ้นต่อโฟตอนในโหมด ปริมาณคืออายุการใช้งานของระดับเลเซอร์บนและใน กรณีทั่วไปถูกกำหนดโดยนิพจน์ (2.123) ในสมการ (5.1 ค) คำนี้สอดคล้องกับอัตราการเปลี่ยนแปลงของจำนวนโฟตอนเนื่องจากการปล่อยสารกระตุ้น ดังที่เราได้เห็นแล้ว คำในสมการ (5.16) คืออัตราการลดลงของประชากรเนื่องจากการปล่อยก๊าซที่ถูกกระตุ้น เนื่องจากการปล่อยสารกระตุ้นแต่ละครั้งจะนำไปสู่การปรากฏของโฟตอน อัตราการเพิ่มของจำนวนโฟตอนควรเท่ากับตำแหน่งที่ปริมาณโหมดครอบครองโดยโหมดภายในตัวกลางแอคทีฟ (คำจำกัดความที่แน่นอนของปริมาณโหมดแสดงไว้ด้านล่าง ). ในที่สุด คำว่า [อายุการใช้งานโฟตอนอยู่ที่ไหน (ดูหัวข้อ 4.3)] จะพิจารณาถึงจำนวนโฟตอนที่ลดลงเนื่องจากการสูญเสียในเรโซเนเตอร์

ข้าว. 5.1. แผนผังระดับพลังงานของเลเซอร์สี่ระดับ

คำจำกัดความที่เข้มงวดของปริมาณโหมดจำเป็นต้องมีการอภิปรายโดยละเอียด ซึ่งระบุไว้ในภาคผนวก B ด้วยเหตุนี้ เราจึงมีคำจำกัดความดังต่อไปนี้

โดยที่การกระจายของสนามไฟฟ้าภายในเรโซเนเตอร์ E คือค่าสูงสุดของฟิลด์นี้ และการรวมจะดำเนินการในปริมาตรที่ครอบครองโดยสื่อที่ใช้งานอยู่ หากพิจารณาตัวสะท้อนที่มีกระจกทรงกลมสองอัน อัตราส่วนจะเท่ากับส่วนจริงของนิพจน์ (4.95) เป็นการเหมาะสมที่จะอ้างถึงเป็นตัวอย่างของตัวสะท้อนเสียงแบบสมมาตรซึ่งประกอบด้วยกระจกสองบานที่มีรัศมีความโค้งมากกว่าความยาวของตัวสะท้อนเสียง จากนั้นขนาดของโหมดสปอตจะคงที่โดยประมาณตลอดความยาวทั้งหมดของเรโซเนเตอร์ และเท่ากับค่าที่กึ่งกลางของเรโซเนเตอร์ ในทำนองเดียวกัน รัศมีความโค้งของพื้นผิวด้านเท่ากันหมดจะมีขนาดใหญ่เพียงพอ และถือว่าหน้าคลื่นแบนราบได้ จากนิพจน์ (4.95) สำหรับโหมดที่เราได้รับ

ที่นี่เราตั้งค่าจากนิพจน์ (5.2) และ (5.3) ที่เรามี

ความยาวของตัวกลางแอคทีฟอยู่ที่ไหน เมื่อได้นิพจน์นี้ เราคำนึงถึงความจริงที่ว่าเป็นฟังก์ชันที่แปรผันช้าเมื่อเปรียบเทียบ ดังนั้น การปรากฏตัวของสี่เท่าในตัวส่วนของนิพจน์ (5.4) เป็นผลมาจากสองสถานการณ์ต่อไปนี้: 1) การปรากฏตัวของปัจจัย 1/2 นั้นเกิดจากการที่โหมดมีลักษณะของคลื่นนิ่งดังนั้นตามเหตุผลข้างต้น ; 2) ปัจจัยอีก 1/2 ปรากฏขึ้นเนื่องจากขนาดสปอตสำหรับแอมพลิจูดของฟิลด์ E ในขณะที่ขนาดสปอตสำหรับความเข้มของฟิลด์ (กล่าวคือ เห็นได้ชัดว่ามีขนาดเล็กกว่าหลายเท่า

ก่อนที่เราจะพิจารณาต่อไป ควรสังเกตว่านิพจน์ (5.1c) ละเลยคำศัพท์ที่คำนึงถึงการแผ่รังสีที่เกิดขึ้นเอง จริงดังที่กล่าวไว้ในบทที่. 1, รุ่นเกิดขึ้นเนื่องจากการปล่อยก๊าซธรรมชาติ; ดังนั้นจึงควรคาดว่าสมการ (5.1) ไม่ได้ให้คำอธิบายที่ถูกต้องเกี่ยวกับการเริ่มต้นของการสร้าง อันที่จริง หากในสมการ (5.1 ค) เราใส่ช่วงเวลา เราก็จะได้ ดังนั้นการสร้างจะไม่เกิดขึ้น เพื่อพิจารณาการปล่อยที่เกิดขึ้นเอง เราสามารถลองอีกครั้งโดยอ้างอิงจาก เงื่อนไขง่ายๆให้เริ่มพิจารณาด้วยคำศัพท์ที่อยู่ในสมการ (5.16) ในกรณีนี้ อาจดูเหมือนว่า

ว่าในสมการ (5.1c) คำที่คำนึงถึงการแผ่รังสีที่เกิดขึ้นเองควรมีรูปแบบดังต่อไปนี้: อย่างไรก็ตาม ไม่เป็นความจริง จริงดังปรากฏในมาตรา. 2.4.3 [ดูโดยเฉพาะอย่างยิ่งการแสดงออก (2.115)] การแผ่รังสีที่เกิดขึ้นเองมีการกระจายในช่วงความถี่หนึ่ง ๆ และรูปร่างของเส้นจะถูกอธิบายโดยฟังก์ชันการแผ่รังสีที่ก่อให้เกิดโหมดการพิจารณา นิพจน์ที่ถูกต้องสำหรับคำนี้ได้มาจากการพิจารณาทางกลเชิงควอนตัมของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าในโหมดเรโซเนเตอร์เท่านั้น ผลลัพธ์ที่ได้นั้นง่ายมากและให้คำแนะนำ ในกรณีที่คำนึงถึงการแผ่รังสีที่เกิดขึ้นเอง สมการ (5.1 c) จะถูกแปลงเป็นรูปแบบ

ทั้งหมดนี้ดูราวกับว่าเราได้เพิ่ม "โฟตอนพิเศษ" ให้กับคำที่เกี่ยวข้องกับการปล่อยสารกระตุ้น อย่างไรก็ตาม เพื่อความง่าย เราจะไม่แนะนำคำศัพท์เพิ่มเติมที่เกี่ยวข้องกับการปล่อยก๊าซที่เกิดขึ้นเองในสิ่งต่อไปนี้ แต่จะสันนิษฐานว่าในครั้งแรกมีโฟตอนจำนวนเล็กน้อยอยู่แล้วในเรโซเนเตอร์ ดังที่เราจะได้เห็นกัน การแนะนำโฟตอนจำนวนเล็กน้อยนี้ซึ่งจำเป็นสำหรับการเกิดขึ้นของรุ่นเท่านั้น อันที่จริงไม่ส่งผลกระทบต่อการพิจารณาในภายหลังแต่อย่างใด

ให้เราพิจารณาที่มาของนิพจน์ที่ชัดเจนสำหรับปริมาณ B ซึ่งเข้าสู่สมการ (5.16) และ (5.1 ค) นิพจน์ที่เข้มงวดสำหรับปริมาณนี้ได้รับมาในภาคผนวก B อีกครั้ง สำหรับจุดประสงค์ในทางปฏิบัติส่วนใหญ่ นิพจน์โดยประมาณมีความเหมาะสม ซึ่งสามารถหาได้จากการพิจารณาง่ายๆ สำหรับสิ่งนี้ เราจะพิจารณา resonator ที่มีความยาวซึ่งมีตัวกลางที่ใช้งานอยู่ซึ่งมีความยาวที่มีดัชนีการหักเหของแสง (refractive index) เราสามารถสรุปได้ว่าโหมด resonator นั้นเกิดจากการซ้อนทับกันของคลื่นสองคลื่นที่แพร่กระจายในทิศทางตรงกันข้าม ขอผมเป็นความเข้มของคลื่นอันใดอันหนึ่ง ตามนิพจน์ (1.7) เมื่อคลื่นผ่านชั้นของตัวกลางที่แอคทีฟ ความเข้มของคลื่นจะเปลี่ยนตามค่า โดยที่ a คือส่วนเปลี่ยนผ่านที่ความถี่ของโหมดเรโซเนเตอร์ที่พิจารณา ให้เรากำหนดปริมาณต่อไปนี้: และคือค่าสัมประสิทธิ์การส่งผ่านของกระจกสะท้อนเสียงทั้งสองในแง่ของพลังงาน - ปัจจัยการสูญเสียสัมพัทธ์ที่สอดคล้องกันบนกระจก 3) Г, - สัมประสิทธิ์สัมพัทธ์ของการสูญเสียภายในต่อการผ่าน จากนั้นการเปลี่ยนแปลงความเข้มสำหรับทางเดินที่สมบูรณ์ของแร่

นี่คือการสูญเสียลอการิทึมต่อรอบเนื่องจากการส่งมิเรอร์ และการสูญเสียลอการิทึมภายใน เพื่อความกะทัดรัด เราจะเรียก y และการสูญเสียการส่งผ่าน และ - การสูญเสียภายใน. ดังที่จะเห็นได้ชัดเจนในสิ่งต่อไปนี้ เนื่องจากธรรมชาติของการขยายสัญญาณด้วยเลเซอร์แบบเลขชี้กำลัง การบันทึกด้วยการสูญเสียลอการิทึมจึงสะดวกกว่ามากสำหรับการแสดงการสูญเสียในเลเซอร์ อย่างไรก็ตาม ควรสังเกตว่าแม้สำหรับค่าการส่งที่น้อย แต่สิ่งนี้ไม่เป็นความจริงสำหรับค่าการส่งที่มาก ลองยกตัวอย่าง: ถ้าเราใส่แล้วเราจะได้ เช่น ในขณะที่เรามี ควรสังเกตด้วยว่าการใช้นิพจน์ (5.7) เป็นไปได้ที่จะกำหนดการสูญเสียทั้งหมดต่อการส่ง:

เมื่อพิจารณาการสูญเสียลอการิทึมแล้ว เราแทนที่นิพจน์ (5.7) และ (5.8) เป็น (5.6) แนะนำเงื่อนไขเพิ่มเติม

ฟังก์ชันเอกซ์โปเนนเชียลใน (5.6) สามารถขยายเป็นอนุกรมกำลังได้ และเราได้

ให้เราแบ่งทั้งสองส่วนของนิพจน์นี้ตามช่วงเวลาที่คลื่นแสงผ่านตัวสะท้อนอย่างสมบูรณ์

กล่าวคือ โดยค่าที่กำหนดโดยนิพจน์

เราได้รับโดยใช้การประมาณ

เนื่องจากจำนวนโฟตอนในเรโซเนเตอร์เป็นสัดส่วนกับความเข้ม จึงสามารถเปรียบเทียบสมการ (5.12) กับ (5.1c) ในกรณีนี้ เราได้รับนิพจน์ต่อไปนี้:

เราจะเรียกค่า V ว่าระดับเสียงที่ใช้งานจริงของโหมดเรโซเนเตอร์ โปรดทราบว่าสูตร (5.136) สรุปสิ่งที่ได้รับในวินาทีที่ 4.3 การแสดงออกตลอดอายุของโฟตอน นอกจากนี้ นิพจน์ (5.14) สำหรับปริมาตรตัวสะท้อนจะใช้ได้โดยประมาณเท่านั้น ในความเป็นจริง ภาคผนวก B แสดงให้เห็นว่าใน (5.13a) ควรใช้นิพจน์ที่เข้มงวดมากขึ้นสำหรับ V กล่าวคือ

ที่นี่อินทิกรัลแรกถูกครอบครองเหนือปริมาตรของตัวกลางที่ใช้งานอยู่และตัวที่สอง - เหนือปริมาตรที่เหลือของตัวสะท้อน อย่างไรก็ตาม เราทราบว่าสำหรับตัวสะท้อนเสียงแบบสมมาตรที่มีกระจกที่มีรัศมีความโค้งมาก ทั้งสองนิพจน์ (5.14) และ (5.15) ให้

จนถึงตอนนี้ การพิจารณาของเรามุ่งไปที่การให้เหตุผลของสมการ (5.1c) และการได้มาของนิพจน์ที่ชัดเจนสำหรับ B และในแง่ของพารามิเตอร์เลเซอร์ที่วัดได้ อย่างไรก็ตาม ควรสังเกตว่าเราได้ระบุขีดจำกัดของการบังคับใช้สมการ (5.1c) ด้วย แน่นอน เมื่อได้สมการ (5.12) เราต้องใช้การประมาณ (5.9) ซึ่งความแตกต่างระหว่างกำไรและขาดทุนนั้นน้อยมาก สำหรับเลเซอร์ cw เงื่อนไขนี้จะเป็นไปตามเสมอ เนื่องจากอยู่ในกระบวนการคงที่ (ดูหัวข้อ 5.3.1) แต่สำหรับเลเซอร์แบบพัลซิ่ง เงื่อนไข (5.9) จะใช้ได้ก็ต่อเมื่อเลเซอร์ทำงานที่เกินเกณฑ์เพียงเล็กน้อย หากเงื่อนไข (5.9) ไม่เป็นไปตามสมการ

ทดสอบ

เลเซอร์ขึ้นอยู่กับสารควบแน่น

การแนะนำ

2.2. เลเซอร์ทับทิม

3.2. นีโอไดเมียมเลเซอร์

3.7. ไฟเบอร์เลเซอร์

5. เลเซอร์สารกึ่งตัวนำ

5.1. หลักการทำงาน

5.2. เลเซอร์ DHS

5.3. เลเซอร์ DFB และ VRPI

บรรณานุกรม

การแนะนำ

เลเซอร์ที่ขึ้นอยู่กับสารในสถานะควบแน่นรวมถึงเลเซอร์ที่มีการสร้างตัวกลางที่ทำงานอยู่:

1) ใน ของแข็งอา ส่วนใหญ่อยู่ในผลึกไดอิเล็กตริกและแก้ว ซึ่งอนุภาคที่แอคทีฟคืออะตอมที่แตกตัวเป็นไอออนของแอกทิไนด์ แรร์เอิร์ธและธาตุทรานซิชันอื่นๆ ที่เจือคริสตัล รวมถึงในคริสตัลที่มีคุณสมบัติเซมิคอนดักเตอร์ด้วย

2) ในของเหลวที่มีอนุภาคแอคทีฟ โมเลกุลของสีย้อมอินทรีย์

ในสื่อเหล่านี้ รังสีเลเซอร์ที่ถูกกระตุ้นเกิดขึ้นเนื่องจากรังสีที่เหนี่ยวนำการเปลี่ยน (ดูหัวข้อที่ 1) ระหว่างระดับพลังงานของอิออนกระตุ้นหรือเงื่อนไขของโมเลกุล ในโครงสร้างเซมิคอนดักเตอร์ การปล่อยสารกระตุ้นเกิดขึ้นจากการรวมตัวกันของอิเล็กตรอนอิสระและโฮล ตรงกันข้ามกับเลเซอร์แก๊ส (ดูหัวข้อที่ 4) การผกผันของประชากรในเลเซอร์สถานะของแข็งและเลเซอร์ของเหลวนั้นถูกสร้างขึ้นที่ช่วงเปลี่ยนผ่านที่ใกล้กับสถานะพลังงานพื้นของอนุภาคแอคทีฟเสมอ

เนื่องจากผลึกไดอิเล็กทริกไม่นำกระแสไฟฟ้าสำหรับพวกเขาเช่นเดียวกับตัวกลางที่เป็นของเหลวจึงเรียกว่าการสูบน้ำด้วยแสง– การปั๊มการเปลี่ยนผ่านของเลเซอร์โดยการฉายแสง (แสง) จากแหล่งเสริม

ในเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์มักใช้การสูบน้ำด้วยกระแสไฟฟ้า (การฉีด ปัจจุบัน) ไหลผ่านเซมิคอนดักเตอร์ในทิศทางไปข้างหน้า น้อยกว่าการสูบแบบอื่น: การสูบด้วยแสงหรือการสูบด้วยการทิ้งอิเล็กตรอน

1. คุณลักษณะเฉพาะของการสูบน้ำด้วยแสงของสื่อที่ใช้งานด้วยเลเซอร์

คุณลักษณะที่สำคัญของ OH คือหัวกะทิ กล่าวคือ: โดยการเลือกความยาวคลื่นของรังสี OH ทำให้สามารถเลือกกระตุ้นสถานะควอนตัมที่ต้องการของอนุภาคแอคทีฟได้ ให้เราค้นหาเงื่อนไขที่รับประกันประสิทธิภาพสูงสุดของกระบวนการกระตุ้นของอนุภาคแอคทีฟเนื่องจากการสูบน้ำด้วยแสง (OH) ซึ่งเป็นผลมาจากการที่อนุภาคแอคทีฟประสบกับการเปลี่ยนแปลงทางควอนตัมจากสถานะพลังงานฉัน ไปสู่สถานะตื่นเต้นที่สูงขึ้นในระดับพลังงานเค . ในการทำเช่นนี้ เราใช้การแสดงออกของพลังงานการแผ่รังสีของแหล่งกำเนิด OH ที่ถูกดูดกลืนโดยอนุภาคแอคทีฟของตัวกลางที่ฉายรังสี (ดูหัวข้อ 1.9)

. (1)

สมการ (1) รวมถึงการพึ่งพาความถี่ของความหนาแน่นพลังงานสเปกตรัมของการแผ่รังสีของแหล่งกำเนิด OH และการทำงานของรูปร่างของเส้นการดูดกลืนแสงของตัวกลาง เช่น การพึ่งพาความถี่ (ฟอร์มแฟกเตอร์)

เห็นได้ชัดว่าอัตราการดูดซับและปริมาณของพลังงานที่ดูดซับจะสูงสุดเมื่อ:

1) ความเข้มข้นของอนุภาคในสถานะฉัน จะใหญ่ที่สุดเช่น OH มีประสิทธิภาพที่อนุภาคแอคทีฟที่มีความหนาแน่นสูง กล่าวคือ จากตัวกลางที่หลากหลายทั้งหมดสำหรับตัวกลางที่อยู่ในสถานะควบแน่น (ของแข็งและของเหลว)

2) ในสถานะ TDS การกระจายของอนุภาคเหนือสถานะด้วย ความหมายที่แตกต่างกันพลังงานภายใน (ศักยภาพ) อธิบายโดยสูตร Boltzmann กล่าวคือ: สถานะพลังงานพื้นดิน (ต่ำสุด) ของอนุภาคและทั้งมวลมีประชากรสูงสุด จากนี้ไปรัฐฉัน ควรเป็นสถานะพลังงานหลักของอนุภาค

3) เพื่อการดูดซับพลังงานของแหล่ง OH ได้อย่างสมบูรณ์ที่สุด (Δพิก ) เป็นที่พึงปรารถนาที่จะมีสภาพแวดล้อมด้วย ค่าสูงสุดค่าสัมประสิทธิ์การดูดซับที่การเปลี่ยนผ่านควอนตัม: (ดู f-lu (1.35)) และเนื่องจากเป็นสัดส่วนกับค่าสัมประสิทธิ์ของไอน์สไตน์ B k i , a B ki A ki (ดู f-lu (1.11, b)) เป็นที่พึงปรารถนาว่าการเปลี่ยนแปลงการดูดซับนั้น "อนุญาต" และ "พ้อง";

4) เป็นที่พึงปรารถนาว่าความกว้างของสเปกตรัมการแผ่รังสีของแหล่งกำเนิดของปั๊มจะต้องไม่มากกว่าความกว้างของเส้นการดูดกลืนของอนุภาคแอคทีฟ เมื่อสูบโดยการปล่อยหลอดไฟที่เกิดขึ้นเอง ตามกฎแล้วจะไม่สามารถทำได้ อุดมคติจากมุมมองนี้คือ “เชื่อมโยงกัน ” การสูบฉีดด้วยการแผ่รังสีเลเซอร์แบบสีเดียว ซึ่งเส้นทั้งหมด ระบบการดูดซึมดังกล่าวได้รับการพิจารณาโดยเราในหัวข้อ 1.9;

5) เห็นได้ชัดว่าประสิทธิภาพของ OH จะยิ่งสูงขึ้น เศษส่วนของรังสีจะถูกดูดกลืนโดยอนุภาคแอคทีฟที่มากขึ้นผ่านการเปลี่ยนแปลงทางควอนตัมด้วยการปั๊มในระดับที่ต้องการ ดังนั้น หากตัวกลางที่แอคทีฟเป็นคริสตัล (เมทริกซ์) ที่เจือด้วยอนุภาคแอคทีฟ ควรเลือกเมทริกซ์ที่ไม่ดูดซับรังสี OH เช่น เพื่อให้เมทริกซ์ "โปร่งใส" สำหรับการแผ่รังสีของปั๊ม ซึ่งไม่รวมความร้อนของตัวกลางเหนือสิ่งอื่นใด ในขณะเดียวกัน ประสิทธิภาพโดยรวมของระบบ “ตัวกลางที่แอคทีฟเลเซอร์ต้นทาง OH” มักจะถูกกำหนดในระดับมากโดยประสิทธิภาพการแปลง พลังงานไฟฟ้า, ฝังอยู่ในแหล่งปั๊มในการแผ่รังสี;

6) ในหัวข้อ 1.9 แสดงให้เห็นว่าใน ระบบควอนตัมด้วยระดับพลังงานสองระดับเป็นไปไม่ได้โดยพื้นฐานที่จะได้รับค่าการผกผันของประชากรสำหรับค่าความเข้มของรังสีภายนอกใด ๆ (เช่นการสูบฉีดด้วยแสง): ที่→∞มันเป็นไปได้ที่จะทำให้ประชากรของระดับเท่ากันเท่านั้น

ดังนั้น ในการปั๊มการเปลี่ยนผ่านของเลเซอร์ควอนตัมด้วยการแผ่รังสีออปติกและสร้างการผกผันของจำนวนประชากรบนนั้น จึงมีการใช้สื่อแบบแอคทีฟที่มีระดับพลังงานเสริมหนึ่งหรือสองระดับ ซึ่งเมื่อรวมกับการเปลี่ยนผ่านของเลเซอร์สองระดับ จะทำให้เกิดสามหรือสี่ระดับ รูปแบบ (โครงสร้าง) ของระดับพลังงานของตัวกลางที่ใช้งานอยู่

2. อุปกรณ์ควอนตัมที่มีการสูบน้ำแบบออปติคัลซึ่งทำงานตาม "รูปแบบสามระดับ"

2.1. การวิเคราะห์เชิงทฤษฎีรูปแบบสามระดับ. ในรูปแบบดังกล่าว (รูปที่ 1) ระดับเลเซอร์ที่ต่ำกว่า "1" คือสถานะพลังงานภาคพื้นดินของกลุ่มอนุภาค ระดับเลเซอร์ด้านบน "2" เป็นระดับที่ค่อนข้างยาวนาน และระดับ "3" เกี่ยวข้องกับระดับ "2" โดยการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วแบบไม่แผ่รังสีคือผู้ช่วย. การสูบน้ำด้วยแสงทำงานที่ช่อง "1" → "3"

ให้เราค้นหาเงื่อนไขของการมีอยู่ของการผกผันระหว่างระดับ "2" และ "1" สมมติว่าน้ำหนักทางสถิติของระดับต่างๆ เท่ากันก. 1 = ก. 2 = ก. 3 เราเขียนระบบสมการจลนพลศาสตร์ (สมดุล) สำหรับระดับ "3" และ "2" ในการประมาณค่าคงที่ เช่นเดียวกับความสัมพันธ์ของจำนวนอนุภาคในระดับต่างๆ:

(2)

โดยที่ n 1 , n 2 , n 3 ความเข้มข้นของอนุภาคที่ระดับ 1,2 และ 3 Wn 1 และ Wn 3 อัตราการดูดซับและการปล่อยที่เหนี่ยวนำที่การเปลี่ยนระหว่างระดับ "1" และ "3" ภายใต้การกระทำของการแผ่รังสีของปั๊ม ความน่าจะเป็นที่ว; วิค ความน่าจะเป็นของการเปลี่ยนระหว่างระดับเอ็น

จาก (2) เราสามารถหาประชากรระดับ n 2 และ n 1 เป็นฟังก์ชันของ W และผลต่าง Δ n ในรูปแบบ

, (3)

ซึ่งกำหนดกำไรที่ไม่อิ่มตัวα 0 ของกลุ่มอนุภาค ที่ช่วงเปลี่ยนผ่าน "2" → "1" เพื่อที่จะα 0 >0 จำเป็นที่กล่าวคือ ตัวเศษใน (3) ต้องเป็นบวก:

, (4)

โดยที่ W แล้ว ระดับขีด จำกัด ของการสูบน้ำ ตั้งแต่นั้นมาว แล้ว >0 ก็เป็นไปตามนั้นว 32 > ว 21 , เช่น. ความน่าจะเป็นของการสูบน้ำระดับ "2" โดยการเปลี่ยนการผ่อนคลายจากระดับ "3" ควรมากกว่าความน่าจะเป็นของการผ่อนคลายเป็นสถานะ "1"

ถ้า

ว 32 >> ว 21 และ ว 32 >> ว 31 , (5)

จาก (3) เราได้รับ: . และสุดท้ายถ้า W >> w 21 การผกผัน Δ n จะเป็น: Δ n ≈ n 2 ≈ N , เช่น. ที่ระดับ "2" คุณสามารถ "รวบรวม" อนุภาคทั้งหมดของสิ่งแวดล้อมได้ โปรดทราบว่าความสัมพันธ์ (5) สำหรับอัตราการผ่อนคลายของระดับนั้นสอดคล้องกับเงื่อนไขสำหรับการสร้างหนาม (ดูหัวข้อ 3.1)

ดังนั้น ในระบบสามระดับที่มีการสูบน้ำด้วยแสง:

1) การผกผันเป็นไปได้ถ้าว32 >> ว21 และสูงสุดเมื่อว 32 >> ว 31 ;

2) การผกผันเกิดขึ้นเมื่อ W > W แล้ว , เช่น. การสร้างสวมใส่อักขระเกณฑ์;

3) สำหรับ w ต่ำ 21 เงื่อนไขถูกสร้างขึ้นสำหรับระบอบ "ขัดขวาง" ของการสร้างเลเซอร์อย่างอิสระ

2.2. เลเซอร์ทับทิม. เลเซอร์โซลิดสเตตนี้เป็นเลเซอร์ตัวแรกที่ทำงานในช่วงความยาวคลื่นที่มองเห็นได้ (T. Meiman, 1960) ทับทิมเป็นผลึกสังเคราะห์เอล 2 O 3 ในการดัดแปลงคอรันดัม (เมทริกซ์) ที่มีส่วนผสมของแอคติเวเตอร์ไอออน 0.05% Cr3+ (ความเข้มข้นของไอออน ~1.6∙10 19 ซม. 3 ) และแสดงเป็น Aล 2 O 3 : Cr 3+ . เลเซอร์ทับทิมทำงานตามรูปแบบสามระดับด้วย OH (รูปที่ 2a) ระดับเลเซอร์เป็นระดับอิเล็กทรอนิกส์ Cr3+ : ระดับเลเซอร์ที่ต่ำกว่า "1" คือสถานะพลังงานกราวด์ Cr 3+ ใน A l 2 O 3 , ระดับเลเซอร์บน "2" ระดับ metastable ที่มีอายุการใช้งานยาวนานτ 2 ~10 3 กับ. ระดับ "3a" และ "3b" คือผู้ช่วย. ทรานซิชัน "1" → "3a" และ "1" → "3b" อยู่ในส่วนสีน้ำเงิน (λ0.41 μm) และ "สีเขียว" (λ0.56 μm) ของสเปกตรัม และกว้าง (ด้วย Δλ ~50nm) รูปทรงการดูดซับ (แถบ)

ข้าว. 2. รูบี้เลเซอร์ (a) แผนภาพระดับพลังงาน Cr 3+ ใน Al 2 O 3 (คอรันดัม); (ข ) ไดอะแกรมเชิงสร้างสรรค์ของเลเซอร์ที่ทำงานในโหมดพัลซิ่งด้วย Q-switching แท่งทับทิม 1 อัน, โคมไฟปั๊ม 2 อัน, ตัวสะท้อนแสงรูปไข่ 3 ตัว, กระจกสะท้อนเสียงคงที่ 4a, กระจกสะท้อนเสียงหมุน 4b มอดูเลตตัวสะท้อนเสียงสะท้อน Q, Cน ตัวเก็บประจุ,ร ตัวต้านทานการชาร์จ " Kn » ปุ่มเริ่มสำหรับพัลส์ปัจจุบันผ่านหลอดไฟ แสดงทางเข้าและทางออกของน้ำหล่อเย็น

วิธีการสูบน้ำแบบออปติคัลให้การเลือกประชากรของระดับเสริม "3a" และ "3b" Cr3+ ผ่านช่อง "1" → "3" โดยไอออน Cr3+ เมื่อถูกดูดซับโดยไอออน Cr3+ รังสีจากหลอดไฟซีนอนแบบพัลซิ่ง จากนั้น ในเวลาอันสั้น (~10 8 c) มีการเปลี่ยนแปลงแบบไม่แผ่รังสีของไอออนเหล่านี้จาก "3a" และ "3b" เป็นระดับ "2" พลังงานที่ปล่อยออกมาในกรณีนี้จะถูกแปลงเป็นการสั่นสะเทือนของตาข่ายคริสตัล ด้วยความหนาแน่นเพียงพอ ρ ของพลังงานการแผ่รังสีของแหล่งกำเนิดปั๊ม: เมื่อและที่ช่วงเปลี่ยนผ่าน "2" → "1" การผกผันของประชากรจะเกิดขึ้นและการแผ่รังสีจะถูกสร้างขึ้นในพื้นที่สีแดงของสเปกตรัมที่ λ694.3 นาโนเมตร และ λ692 9 นาโนเมตร ค่าเกณฑ์ของการสูบน้ำโดยคำนึงถึงน้ำหนักทางสถิติของระดับต่างๆ สอดคล้องกับการถ่ายโอนไปยังระดับ "2" ประมาณ ⅓ ของอนุภาคแอคทีฟทั้งหมด ซึ่งเมื่อสูบจาก λ0.56 μm ต้องใช้พลังงานการแผ่รังสีเฉพาะ E pore > 2J / cm 3 (และพลังงาน P pore > 2 kW / cm 3 ที่ระยะเวลาพัลส์ปั๊มτ ≈10 3 วินาที ). ค่าพลังงานที่สูงเช่นนี้ที่สะสมอยู่ในหลอดไฟและแท่งทับทิมที่ RS ที่อยู่กับที่สามารถนำไปสู่การทำลายได้ ดังนั้น เลเซอร์จึงทำงานในโหมดพัลซิ่งและต้องการการระบายความร้อนด้วยน้ำอย่างเข้มข้น

รูปแบบเลเซอร์แสดงในรูปที่ 2b. โคมไฟปั๊ม (ไฟแฟลช) และแท่งทับทิมเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการสูบน้ำอยู่ภายในตัวสะท้อนแสงที่มีพื้นผิวด้านในทรงกระบอกและส่วนตัดขวางในรูปของวงรี และหลอดไฟและแท่งจะอยู่ที่จุดโฟกัส ของวงรี เป็นผลให้การแผ่รังสีทั้งหมดที่ออกมาจากหลอดไฟจะโฟกัสไปที่แท่ง พัลส์ของหลอดไฟเกิดขึ้นเมื่อพัลส์ปัจจุบันถูกส่งผ่านโดยการปล่อยประจุตัวเก็บประจุในขณะที่หน้าสัมผัสถูกปิดด้วย " Kn ". น้ำหล่อเย็นถูกสูบเข้าไปในแผ่นสะท้อนแสง พลังงานรังสีเลเซอร์ต่อพัลส์ถึงหลายจูล

โหมดพัลส์ของการทำงานของเลเซอร์นี้สามารถเป็นหนึ่งในสิ่งต่อไปนี้ (ดูส่วนที่ 3):

1) โหมด "การสร้างอิสระ" ที่อัตราการเกิดซ้ำของพัลส์ต่ำ (ปกติ 0.1 ... 10 Hz)

2) โหมด "Q-switched" โดยปกติจะเป็นกลไกเชิงแสง บนมะเดื่อ 2b, การสลับ Q ของ OOP ทำได้โดยการหมุนกระจก

3) โหมด "การล็อกโหมด": ด้วยความกว้างของเส้นปล่อย Δνไม่ใช่หนึ่ง ~ 10 11 Hz,

จำนวนโหมดตามยาว M~10 2 , ระยะเวลาของชีพจร ~10 ps.

การใช้งานเลเซอร์รูบีรวมถึงระบบการบันทึกภาพโฮโลแกรม การประมวลผลวัสดุ เครื่องวัดระยะออปติคัล ฯลฯ

ใช้กันอย่างแพร่หลายในทางการแพทย์และเลเซอร์บีอัล 2 O 4 : Cr 3+ (ไครโซเบอริลเจือด้วยโครเมียมหรืออเล็กซานไดรต์) เปล่งแสงในช่วง 0.7 ... 0.82 ไมครอน

2.3. เออร์เบียมไฟเบอร์ออปติกควอนตัมแอมพลิฟายเออร์. เครื่องขยายเสียงดังกล่าวมักเรียกกันว่า "สพป ” (ย่อมาจาก “เครื่องขยายสัญญาณไฟเบอร์ Erbium Dopped ”) ทำงานตามโครงร่างสามระดับเกี่ยวกับการเปลี่ยนควอนตัมระหว่างสถานะอิเล็กทรอนิกส์เออ 3+ ในเส้นใยซิลิกาที่เจือด้วยเออร์เบียม: SiO2 : Er3+ (รูปที่ 3a) สถานะควอนตัมที่ต่ำกว่า "1" คือสถานะอิเล็กทรอนิกส์ภาคพื้นดินเอ้อ 3+ 4 I 15/2 . สถานะควอนตัมบน "2" คือกลุ่มของระดับย่อยที่ต่ำกว่าของสถานะอิเล็กทรอนิกส์แบบแยกส่วน 4 ฉัน 13/2 . การแยกออกเป็นระดับย่อยที่มีระยะห่างใกล้เคียงกันเกิดขึ้นเนื่องจากการทำงานร่วมกันของไอออนเออ 3+ ด้วยสนามภายในผลึก SiO2 (ผลสตาร์ค). ระดับย่อยบนของสถานะอิเล็กทรอนิกส์ 4 ฉัน 13/2 และแยกต่างระดับ 4 ฉัน 11/2 เป็นระดับเสริม "3a" และ "3b"

ภายใต้การกระทำของรังสีปั๊มที่ความยาวคลื่น 980 นาโนเมตร (หรือ 1,480 นาโนเมตร) ไอออนเออ 3+ เปลี่ยนจากสถานะ "1" เป็นสถานะอายุสั้น "3a" หรือ "3b" จากนั้นจึงเปลี่ยนสถานะอย่างรวดเร็วแบบไม่แผ่รังสี (ว 32 ~10 6 วิ 1 ) เพื่อระบุ "2" ซึ่งเป็นกึ่งแพร่กระจาย ( w 21 ~10 2 c 1 , และ τ 2 ~10ms). ดังนั้นความต้องการว32 >> ว21 ดำเนินการและที่ระดับ "2" มีการสะสมของอนุภาคจำนวนที่เมื่อระดับปั๊มเกินค่าเกณฑ์ W > W แล้ว เกินจำนวนประชากรระดับ "1" เช่น จะมีการผกผันของประชากรและการขยายที่ความยาวคลื่นในช่วง 1.52…1.57 μm (รูปที่ 3b) ปรากฎว่าถึงเกณฑ์การผกผันเมื่ออนุภาคหนึ่งในสามถูกถ่ายโอนไปยังระดับ "2" เกณฑ์ OHว แล้ว และการพึ่งพาความถี่ของการได้รับถูกกำหนดโดยโครงสร้างของเส้นใย (รูปที่ 3b) ความเข้มข้นเออ 3+ และความยาวคลื่นของรังสี OH ประสิทธิภาพของปั๊ม คืออัตราส่วนของอัตราขยายที่ไม่อิ่มตัวต่อกำลังหน่วยของแหล่ง OH สำหรับการสูบจาก λ980nm ถึง 11dB m 1 ∙mW 1 , และสำหรับ λ1480nmประมาณ 6dB ม 1 ∙mW 1 .

ได้รับการปฏิบัติตามความถี่สพป "หน้าต่างโปร่งใส" ที่สามของใยแก้วกำหนดการใช้แอมพลิฟายเออร์ดังกล่าวเป็นตัวชดเชยการสูญเสียเชิงเส้นของสายสื่อสารใยแก้วนำแสงสมัยใหม่ (FOCL) พร้อมการมัลติเพล็กซ์ความถี่ของช่องสัญญาณ (ระบบ WDM : มัลติเพล็กซ์แบบแบ่งความยาวคลื่น และ DWDM: มัลติเพล็กซ์แบบแบ่งความยาวคลื่นหนาแน่น ). ความยาวของเครื่องขยายสัญญาณเคเบิลซึ่งถูกปั๊มโดยการแผ่รังสีของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ รวมอยู่ใน FOCL ค่อนข้างง่าย (รูปที่ 3c) การใช้เครื่องขยายสัญญาณไฟเบอร์เออร์เบียมใน FOCL แทนที่วิธีการ "สร้างใหม่" ของสัญญาณที่ซับซ้อนกว่ามากในทางเทคนิค โดยแยกสัญญาณที่อ่อนแล้วกู้คืน

ข้าว. 3. แอมพลิฟายเออร์ควอนตัมใยแก้วนำแสงเออร์เบียม (สพป ). (a) แผนภาพระดับพลังงาน Er 3+ ใน SiO 2 (ควอตซ์), (b)การขยายสัญญาณในควอตซ์ด้วยสารเติมแต่งต่างๆ, (วี )โครงร่างแบบง่ายสำหรับการเปิดเครื่องขยายสัญญาณใน FOCL: 1 การแผ่รังสีอินพุต (จากเส้นทางการส่ง), 2 เซมิคอนดักเตอร์ปั๊มเลเซอร์, 3 มัลติเพล็กเซอร์ (ข้อต่อ ), 4 EDFA (SiO 2 : Er 3+ ไฟเบอร์ ), 5 ตัวแยกแสง, 6 เอาท์พุทรังสี (ไปยังเส้นทางการส่งสัญญาณ)

3. เลเซอร์แบบปั๊มด้วยแสงทำงานตาม "รูปแบบสี่ระดับ"

3.1. การวิเคราะห์เชิงทฤษฎีของโครงการสี่ระดับ. ในรูปแบบของระดับดังกล่าว (รูปที่ 4) ระดับ "0" คือสถานะพลังงานพื้นของกลุ่มอนุภาค ระดับ "1" ซึ่งเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนผ่านควอนตัม โดยระดับ "0" คือระดับเลเซอร์ที่ต่ำกว่า ยาว -อยู่ระดับ “2” คือระดับเลเซอร์ด้านบน และระดับ “3” เป็นระดับเสริม การสูบน้ำทำงานที่ช่อง "0" → "3"

ให้เราค้นหาเงื่อนไขของการมีอยู่ของการผกผันระหว่างระดับ "2" และ "1" สมมติว่าค่าน้ำหนักทางสถิติของระดับต่างๆ เท่ากัน และสมมติว่า

และ (6)

เขียนลงไป ระบบที่เรียบง่าย สมการจลนศาสตร์สำหรับระดับ "3", "2" และ "1" ในการประมาณค่าคงที่ เช่นเดียวกับอัตราส่วนของจำนวนอนุภาคในทุกระดับ:

(7)

โดยที่ n 0 , n 1 , n 2 , n 3 , ความเข้มข้นของอนุภาคที่ระดับ 0,1,2,3; Wn 0 และ Wn 3 อัตราการดูดซับและการปล่อยที่เหนี่ยวนำที่การเปลี่ยนระหว่างระดับ "0" และ "3" ภายใต้การกระทำของการแผ่รังสีของปั๊ม ความน่าจะเป็นที่ว; วิค ความน่าจะเป็นของการเปลี่ยนระหว่างระดับเอ็น จำนวนอนุภาคแอคทีฟทั้งหมดต่อหน่วยปริมาตร

จาก (6 และ 7) เราสามารถหาประชากรระดับ n 1 และ n 2 เป็นฟังก์ชันของ W และผลต่าง Δ n ในรูปแบบ

, (8)

ซึ่งกำหนดอัตราขยายที่ไม่อิ่มตัว α 0 ที่ช่วงเปลี่ยนผ่าน "2" → "1"

เห็นได้ชัดว่ากำไรจะเป็นบวกและสูงสุดเมื่อ:

. (9)

จากนี้เราสามารถสรุปได้ว่าในกรณีของโครงร่างสี่ระดับที่มี OH เมื่อตรงตามเงื่อนไข (6) และ (9):

1) การผกผันไม่ใช่ลักษณะเกณฑ์และมีอยู่สำหรับสิ่งใดก็ตามว;

2) กำลังเอาท์พุตของเลเซอร์ที่กำหนดโดยนิพจน์ (2.14) ขึ้นอยู่กับอัตราการสูบฉีดด้วยแสงว 0 .

3) เมื่อเทียบกับสามระดับ โครงร่างสี่ระดับนั้นมีความหลากหลายมากกว่าและช่วยให้คุณสร้างการผกผันของประชากรได้ เช่นเดียวกับการใช้ทั้งพัลซิ่งและต่อเนื่อง และการสร้างที่ระดับปั๊มใดก็ได้ (เมื่อกำไรเกินการสูญเสียใน สผ.).

3.2. นีโอไดเมียมเลเซอร์. เลเซอร์ใช้การเปลี่ยนผ่านควอนตัมระหว่างระดับพลังงานอิเล็กทรอนิกส์น.3+ , การสร้างเลเซอร์ดำเนินการตามรูปแบบสี่ระดับด้วย OH (รูปที่ 5) เมทริกซ์คริสตัลที่ใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับไอออนน.3+ เป็นอลูมิเนียมโกเมนอิตเทรียม:วาย 3 อัล 5 โอ 12 และคริสตัลเจือจะแสดงเป็น Y 3 Al 5 O 12 : Nd 3+ หรือ YAG: Nd 3+ ความเข้มข้น Nd3+ ซึ่งไม่ทำให้ผลึก YAG เสียรูปถึง 1.5% เมทริกซ์อื่น ๆ สำหรับน.3+ เป็นแก้วฟอสเฟตและซิลิเกต (แสดงเป็นแก้ว : น.3+ ) ผลึกแกโดลิเนียม-สแกนเดียม-แกลเลียมโกเมน (GSHG:น.3+ ), อิตเทรียม-ลิเธียมฟลูออไรด์ YLiF 4 : Nd 3+ , อิตเทรียมออร์โธวานาเดต, ของเหลวออร์กาโนเมทัลลิก เนื่องจากโครงสร้างแบบลูกบาศก์ของเมทริกซ์ สเปกตรัมการเรืองแสง YAG จึงมีเส้นแคบ ซึ่งกำหนดอัตราการขยายสูงของเลเซอร์โซลิดสเตตนีโอไดเมียม ซึ่งสามารถทำงานได้ทั้งในโหมดการสร้างพัลส์และ cw

ไดอะแกรมระดับพลังงานอิเล็กทรอนิกส์แบบง่ายน.3+ ใน YAG แสดงในรูปที่ 5 ระดับเลเซอร์ล่าง "1" 4 ฉัน 11/2 การเปลี่ยนแปลงทางควอนตัมที่รุนแรงที่สุดน.3+ ที่มีความยาวคลื่น λ1.06 μm ตั้งอยู่ประมาณ 0.25 eV เหนือสถานะพลังงานพื้น "0" 4 ฉัน 9/2 และภายใต้สภาวะปกติจะไม่มีประชากรอาศัยอยู่จริง (0.01% ของประชากรในสถานะพื้นดิน) ซึ่งเป็นตัวกำหนดเกณฑ์การสร้างต่ำของเลเซอร์นี้ ระดับ 4 F 3/2 ซึ่งมีอายุการใช้งาน 0.2ms คือระดับเลเซอร์บน "2" กลุ่มของระดับ (พลังงาน "โซน") "3a" ... "3ง ” เล่นบทบาทของระดับอิเล็กทรอนิกส์เสริม “3” การสูบน้ำด้วยแสงดำเนินการผ่านช่อง "0" → "3" แถบการดูดซับมีความยาวคลื่นใกล้ 0.52 0.58; 0.75; 0.81 และ 0.89 µm. จากสถานะ "3a" ... "3ง » มีการคลายตัวอย่างรวดเร็วโดยการเปลี่ยนสถานะเลเซอร์ตอนบนแบบไม่ใช้รังสี «2»

หลอดปล่อยก๊าซคริปทอนและซีนอนใช้สำหรับสูบน้ำ หลอดฮาโลเจนด้วยสารเติมแต่งโลหะอัลคาไลในก๊าซบรรจุเช่นเดียวกับสารกึ่งตัวนำ GaAs เลเซอร์ (λ0.88 µm) และ LED ขึ้นอยู่กับ Ga 1 x Al x As (λ0.81 µm) (รูปที่ 6)

พลังงานรังสีเลเซอร์ YAG:น.3+ ที่ความยาวคลื่น λ1.06 μm ในโหมดต่อเนื่องถึง 1 kW ค่าที่บันทึกได้ในโหมดพัลส์: พลังงานพัลส์ประมาณ 200 kJ และกำลัง 200 TW ที่ระยะเวลาพัลส์ ~ 1 ns ( เลเซอร์ที่ออกแบบมาสำหรับการทดลองเกี่ยวกับเลเซอร์เทอร์โมนิวเคลียร์ฟิวชันแบบควบคุม - LTS)

ในคริสตัล YAG ซึ่งเป็นเส้นเลเซอร์น.3+ ด้วย λ1.06 μm จะถูกขยายให้กว้างขึ้นอย่างสม่ำเสมอ (สูงสุด 0.7 นาโนเมตร) ในขณะที่ในแก้วจะมีการขยายที่ไม่เท่ากันอย่างมีนัยสำคัญเนื่องจากเอฟเฟกต์สตาร์ค (Δν ไม่ใช่หนึ่ง ≈3∙10 12 Hz,) ซึ่งทำให้สามารถใช้โหมดล็อคโหมดตามยาวได้สำเร็จ (ดูหัวข้อ 3.3) กับม ~10 4 และรับพัลส์เกินขีดด้วยระยะเวลาของคำสั่ง 1 ps

ความเข้มข้นที่เพิ่มขึ้นของแอคติเวเตอร์ไอออนในตัวกลาง เช่น นีโอไดเมียมเพนทาฟอสเฟต (นป5อ14 ), ลิเธียมนีโอดิเมียมเตตระฟอสเฟต ( LiNdP 4 O 12 ) และอื่น ๆ ให้การดูดซับรังสีเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์อย่างมีประสิทธิภาพที่ระยะทางตามลำดับเศษส่วนของมิลลิเมตรซึ่งช่วยให้คุณสร้างโมดูลขนาดเล็กที่เรียกว่ามินิเลเซอร์ : เซมิคอนดักเตอร์เลเซอร์นีโอดิเมียมเลเซอร์

พลังงานการแผ่รังสีสูงของเลเซอร์นีโอไดเมียมที่มีค่า λ1.06 μm ทำให้สามารถแปลงความถี่ของการแผ่รังสีโดยใช้คริสตัลแบบไม่เชิงเส้นได้ ในการสร้างออปติคัลฮาร์โมนิกที่สองและสูงกว่านั้น จะใช้คริสตัลที่มีความไวต่อกำลังสองและลูกบาศก์ที่ไม่เชิงเส้น (โพแทสเซียมไดไฮโดรเจนฟอสเฟตกปปส โพแทสเซียมไททานิลฟอสเฟตกพฐ ) พร้อมการแปลงโดยตรงและ (หรือ) ตามลำดับ (น้ำตก) ดังนั้น หากใช้สายโซ่ของคริสตัลในการแผ่รังสีของเลเซอร์นีโอไดเมียม นอกเหนือไปจากรังสี IR ที่ความถี่มูลฐานด้วย λ1.06 μm การสร้างฮาร์มอนิกที่ 2, 4 และ 5 ที่มีความยาวคลื่น λ0.53 μm (รังสีสีเขียว); λ0.35µm, λ0.26µm และ λ0.21µm (รังสี UV) (รูปที่ 7)

พื้นที่หลักของการประยุกต์ใช้เลเซอร์นีโอดิเมียม: การติดตั้งทางเทคโนโลยีและการแพทย์, การทดลองเกี่ยวกับฟิวชั่นเทอร์โมนิวเคลียร์ด้วยเลเซอร์แบบควบคุม, การศึกษาปฏิกิริยาเรโซแนนซ์ของรังสีกับสสาร, ในการมองเห็นใต้น้ำและระบบการสื่อสาร (λ0.53 μm), การประมวลผลข้อมูลทางแสง; สเปกโทรสโกปี, การวินิจฉัยระยะไกลของสิ่งเจือปนในบรรยากาศ (รังสี UV) เป็นต้น

ในเลเซอร์ที่ใช้แก้วเป็นเมทริกซ์ (ซิลิเกต บอเรต ฯลฯ) สามารถใช้อิออนกระตุ้นอื่นๆ ได้สำเร็จ: Yb 3+ , เอ้อ 3+ , Tm 3+ , โห 3+ ด้วยรังสีในช่วง 0.9 ... 1.54 μm

3.3. การแปลงความถี่ของรังสีในตัวกลางที่ไม่เชิงเส้น. ปรากฏการณ์ของการทวีคูณและเพิ่มความถี่ของคลื่นแสงมีดังนี้ เมื่อแสงแพร่กระจายในตัวกลางภายใต้การกระทำของสนามไฟฟ้าของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าอี มีการกระจัดที่สอดคล้องกันของอิเล็กตรอนของอะตอมที่สัมพันธ์กับนิวเคลียส นั่นคือ ตัวกลางเป็นโพลาไรซ์ ความสามารถในการเกิดขั้วของตัวกลางนั้นกำหนดโดยขนาดของโมเมนต์ไดโพลไฟฟ้าต่อหน่วยปริมาตร -ร สัมพันธ์กับขนาดของสนามอี ผ่านความไวต่อไดอิเล็กตริกของตัวกลางχ : . หากฟิลด์นี้มีขนาดเล็กแสดงว่ามีความไวต่อไดอิเล็กตริกχ \u003d χ 0 \u003d Const, p เป็นฟังก์ชันเชิงเส้นของอี : , และการกระจัดของประจุทำให้เกิดการแผ่รังสีที่มีความถี่เดียวกับการแผ่รังสีเริ่มต้น (“เชิงเส้น” ออปติก)

ที่พลังงานสูงเมื่อ สนามไฟฟ้ารังสีเริ่มเกินค่าของสนามภายในอะตอม ความสามารถในการเกิดขั้วกลายเป็นฟังก์ชันไม่เชิงเส้นอี : นั่นคือนอกเหนือจากการพึ่งพาเชิงเส้นอี ระยะที่เล็กอี เมื่อเราจัดการกับเลนส์เชิงเส้น ในนิพจน์สำหรับร ปรากฏแบบไม่เชิงเส้นด้วยความเคารพ E ระยะ (“ไม่เชิงเส้น ” เลนส์). เป็นผลให้เมื่อคลื่น "ปั๊ม" แพร่กระจายในตัวกลางที่มีความถี่ ν 0 และเวกเตอร์คลื่น (ดัชนีหักเหของตัวกลางอยู่ที่ไหน) คลื่นลูกใหม่จะปรากฏออปติคัลฮาร์มอนิกที่สองพร้อมความถี่และเวกเตอร์คลื่น รวมถึงฮาร์มอนิกลำดับที่สูงกว่าจำนวนหนึ่ง เห็นได้ชัดว่า พลังงานของคลื่นปั๊มที่มีความถี่จะถูกถ่ายโอนไปยังคลื่นใหม่ที่มีความถี่อย่างมีประสิทธิภาพมากที่สุด หากความเร็วการแพร่กระจายของคลื่นทั้งสองนี้เท่ากัน กล่าวคือ ถ้ามีสิ่งที่เรียกว่า.: . เงื่อนไขนี้สามารถเกิดขึ้นได้โดยใช้คริสตัลที่มีการหักเหของคลื่นความถี่สูง เมื่อคลื่นสองคลื่นเคลื่อนที่ไปยังแกนลำแสงหลักที่มุมหนึ่ง

เมื่อคลื่นสองคลื่นแพร่กระจายในคริสตัลด้วยความถี่และเวกเตอร์ของคลื่น และนอกเหนือจากฮาร์มอนิกของแต่ละคลื่นแล้ว คลื่นที่มีความถี่รวมจะถูกสร้างขึ้นในคริสตัล: และคลื่นที่มีความถี่ต่างกัน เงื่อนไขของการซิงโครไนซ์ของคลื่นในกรณีนี้มีรูปแบบ: .

ในแง่หนึ่ง ปรากฏการณ์ที่อธิบายสามารถพิจารณาได้ว่าเป็นการสร้างฮาร์โมนิกระหว่างการสูบฉีดด้วยแสงที่สอดคล้องกันของคริสตัลที่ไม่เชิงเส้น

3.4. เลเซอร์สีย้อมที่ปรับได้. เลเซอร์ที่ขึ้นอยู่กับสารละลายของสารประกอบอินทรีย์ที่ซับซ้อน (รวมถึงสีย้อม: โรดามีน, คูมาริน, ออกซาโซล ฯลฯ) ในแอลกอฮอล์ อะซีโตน และตัวทำละลายอื่นๆ อยู่ในกลุ่มของเหลว เลเซอร์ สารละลายดังกล่าวมีแถบการดูดซับที่รุนแรงที่ OH และแถบการแผ่รังสีในบริเวณสเปกตรัมใกล้รังสียูวี ที่มองเห็นได้ หรือใกล้กับอินฟราเรด ข้อได้เปรียบหลักคือเส้นเรืองแสงที่กว้าง (สูงสุด 50…100 นาโนเมตร) ซึ่งทำให้สามารถปรับความถี่การทำงานของเลเซอร์ภายในเส้นนี้ได้อย่างราบรื่น

สถานะทางอิเล็กทรอนิกส์ของสีย้อมส่วนใหญ่ที่ใช้ในเลเซอร์ดังกล่าวมีความกว้างถึง 0.1 eV แถบพลังงานที่ต่อเนื่องซึ่งเป็นผลมาจากการเพิ่มของระดับย่อยการสั่นและการหมุนที่ "ทับซ้อนกัน" หลายร้อยระดับ ซึ่งนำไปสู่การดูดกลืนแสงและการเรืองแสงแบบกว้างตามกฎ วงดนตรี อันเป็นผลมาจากการเพิ่มการเปลี่ยน "ทับซ้อน" ระหว่างระดับย่อยดังกล่าว (รูปที่ 8a) ระหว่างระดับย่อย "ภายใน" แถบเหล่านี้ มีการเปลี่ยนผ่านแบบไม่แผ่รังสีอย่างรวดเร็วด้วยความน่าจะเป็นว ~10 10 …10 12 วินาที 1 และความน่าจะเป็นของการเปลี่ยนผ่านที่ผ่อนคลายระหว่างสถานะอิเล็กทรอนิกส์นั้นมีขนาดเล็กกว่าสองถึงสี่ลำดับ (~10 8 ค 1 ).

การสร้างเกิดขึ้นตามรูปแบบ "สี่ระดับ" ในการเปลี่ยนแปลงของโมเลกุลสีย้อมจากระดับย่อยการสั่นสะเทือนที่ต่ำกว่าของสถานะอิเล็กทรอนิกส์ซิงเกิลตื่นเต้นตัวแรก S1 (รูปที่ 8, a) อะนาล็อกของระดับ "2" ในแผนภาพในรูปที่ 4 ถึงระดับย่อยบนของสถานะอิเล็กทรอนิกส์ภาคพื้นดิน S0 , อะนาล็อกของระดับ "1" อะนาล็อกของระดับ "0" คือระดับย่อยที่ต่ำกว่าของคำศัพท์อิเล็กทรอนิกส์หลัก และอะนาล็อกของระดับเสริม "3" คือระดับย่อยที่สั่นสะเทือนบนของคำศัพท์อิเล็กทรอนิกส์แบบตื่นเต้น S1

เนื่องจากการเปลี่ยนผ่านอย่างรวดเร็วเกิดขึ้นภายในข้อกำหนดทางอิเล็กทรอนิกส์ การกระจายตัวของประชากรในรัฐจึงสอดคล้องกับกฎหมายของ Boltzmann: ระดับย่อยบน "3" และ "1" จะมีประชากรน้อย และ "0" และ "2" ล่างจะมีประชากรหนาแน่น อัตราส่วนสำหรับระดับ "0" และ "3" ดังกล่าวกำหนดประสิทธิภาพของ RS ตามช่องสัญญาณ "0" → "3" สำหรับพวกเขาและอัตราส่วนสำหรับระดับ "2" และ "1" กำหนดการผกผันประชากรการขยาย และรุ่นต่อรุ่นในช่วงเปลี่ยนผ่านนี้

เพื่อให้ได้สายการสร้างที่แคบ รวมทั้งเพื่อให้สามารถปรับความถี่ได้ภายในแถบเรืองแสงที่กว้างของโมเลกุลสีย้อม จะใช้ตัวสะท้อนเสียงแบบกระจายที่มีองค์ประกอบแบบเลือกสเปกตรัม (ปริซึม การเลี้ยวเบนของแสง อินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ ฯลฯ) (รูปที่ 8b).

ความเป็นไปได้ในการปรับความยาวคลื่นภายในเส้นเรืองแสง (รูปที่ 8,วี ) ที่ไม่มีการสูญเสียพลังงานถูกกำหนดโดยการเปลี่ยนอย่างรวดเร็วแบบไม่แผ่รังสีภายในข้อกำหนดทางอิเล็กทรอนิกส์ "2" และ "1" ความน่าจะเป็นที่เกินความน่าจะเป็นของการเปลี่ยนผ่านแบบเหนี่ยวนำ ดังนั้น เมื่อปรับเรโซเนเตอร์เป็นความยาวคลื่นใดๆ ภายในเส้นเรืองแสงของช่วงเปลี่ยนผ่าน "2" → "1" การแผ่รังสีเลเซอร์จะเกิดขึ้นที่ช่วงเปลี่ยนผ่านระหว่างระดับย่อย "2" ที่สอดคล้องกันʹ" และ "1ʹ ” ส่งผลให้ระดับย่อย “2ʹ » โดยการเปลี่ยนแปลงที่เหนี่ยวนำคือ "เคลียร์" และ «1ʹ » มีประชากรเพิ่มเติม อย่างไรก็ตาม เนื่องจาก OH และการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วจากระดับย่อยใกล้เคียงภายในเทอม ประชากรของระดับย่อย "กำลังสร้าง" "2ʹ » ได้รับการฟื้นฟูอย่างต่อเนื่อง ในขณะเดียวกัน ระดับย่อย "1ʹ ” ถูกล้างอย่างต่อเนื่องโดยการเปลี่ยนอย่างรวดเร็ว ในที่สุดก็ผ่อนคลายไปที่สถานะ “0” ดังนั้น การปั๊มทั้งหมดของเทอมอิเล็กตรอนบน "2" จึงกลายเป็นการปั๊มของการเปลี่ยนผ่าน "2ʹ»→«1ʹ » และกลายเป็นรังสีเลเซอร์สีเดียวแถบแคบที่ความถี่การปรับของตัวกระจายเสียงสะท้อน และความถี่นี้สามารถเปลี่ยนแปลงได้

นอกจากการเปลี่ยนผ่านแบบแผ่รังสีแล้วส 1 → ส 0 ("2" → "1") นอกจากนี้ยังมีช่วงการเปลี่ยนภาพที่ลดประสิทธิภาพการสร้าง นี่คือช่วงการเปลี่ยนภาพ:ส 1 → ต 1 ซึ่งลดจำนวนประชากรระดับ “2ʹ ”, การเปลี่ยนผ่าน T 1 →"1" เพิ่มจำนวนประชากรของระดับ "1ʹ", และช่วงเปลี่ยนผ่าน T 1 → T 2 ดูดซับรังสีเลเซอร์

เลเซอร์ย้อมมีสองประเภท:ไม่ต่อเนื่องกัน (หลอด) สูบฉีดด้วยรังสี ไฟแฟลชและโหมดการทำงานของพัลส์ เช่นเดียวกับกับเชื่อมโยงกัน การสูบน้ำด้วยรังสีเลเซอร์ประเภทอื่น (ก๊าซหรือโซลิดสเตต) ในการทำงานแบบต่อเนื่อง กึ่งต่อเนื่อง หรือแบบพัลซิ่ง หากมีการใช้การเปลี่ยนแปลงของสีย้อมในเลเซอร์และมีมากกว่าหนึ่งพันสี ดังนั้นวิธีนี้จึงเป็นไปได้ที่จะ "ปิดกั้น" ส่วนที่มองเห็นได้ทั้งหมดและส่วนหนึ่งของขอบเขต IR ของสเปกตรัม (0.33 ... 1.8 μm) ด้วยรังสี ในเลเซอร์ที่มีการปั๊มที่สอดคล้องกัน ปั๊มไอออนจะใช้เป็นแหล่งปั๊มเพื่อให้ได้ระบบการทำงานที่ต่อเนื่องอาร์ - หรือ Kr - เลเซอร์แก๊ส ในการปั๊มสีย้อมในโหมดพัลซิ่ง เลเซอร์แก๊สจะถูกใช้ยังไม่มีข้อความ 2 , ไอทองแดง, excimers รวมถึงเลเซอร์ทับทิมและนีโอไดเมียมที่มีการคูณความถี่ บ่อยครั้งที่จำเป็นต้องใช้การสูบฉีดสารละลายสีย้อม ซึ่งเป็นผลมาจากการที่โมเลกุลที่ผ่านการแตกตัวภายใต้การกระทำของการแผ่รังสีของปั๊มจะถูกกำจัดออกจากโซนแอคทีฟและมีการนำสิ่งใหม่เข้ามา

เลเซอร์สีย้อมที่มี Δν ไม่ใช่หนึ่ง ~10 13 Hz และ M>10 4 , ทำให้สามารถสร้างคลื่นการแผ่รังสีเกินขีด (τ~10 14 …10 13 วินาที)

เลเซอร์สีย้อมที่มีการป้อนกลับแบบกระจาย (DFB) เป็นกลุ่มพิเศษ ในเลเซอร์ DFB บทบาทของเครื่องสะท้อนเสียงจะแสดงโดยโครงสร้างที่มีดัชนีการหักเหของแสงเปลี่ยนแปลงเป็นระยะและ (หรือ) ได้รับ โดยปกติจะถูกสร้างขึ้นในตัวกลางที่ใช้งานภายใต้การทำงานของคานปั๊มสองอันที่รบกวนกัน เลเซอร์ DFB มีลักษณะเป็นสายการสร้างที่แคบ (~10 2 ซม. 1 ) ซึ่งสามารถปรับได้ภายในแถบอัตราขยายโดยการเปลี่ยนมุมระหว่างคานปั๊ม

การใช้งานเลเซอร์ย้อมประกอบด้วยโฟโตเคมี การปั๊มแบบเลือกสถานะควอนตัมในสเปกโทรสโกปี การแยกไอโซโทป ฯลฯ

3.5 เลเซอร์แซฟไฟร์เจือไททาเนียมที่ปรับค่าได้. การปรับความยาวคลื่นของการสร้างที่ราบรื่นยังทำให้มั่นใจได้ด้วยเลเซอร์โซลิดสเตตซึ่งอิงจากคริสตัลคอรันดัมที่ทำงานด้วยไททาเนียม ( Al 2 O 3 : Ti 3+ ) เรียกว่าไพลิน

ทุกรัฐอิเล็กทรอนิกส์ที3+ ประกอบด้วยระดับย่อยของการสั่นที่ "ทับซ้อนกัน" จำนวนมาก ซึ่งนำไปสู่การดูดซับแบบไม่มีโครงสร้างและแถบเรืองแสงที่กว้างกว่าของสีย้อมอันเป็นผลมาจากการเพิ่มการเปลี่ยน "การซ้อนทับ" ระหว่างระดับย่อยดังกล่าว ภายในสถานะเหล่านี้ มีการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วแบบไม่แผ่รังสีด้วยความน่าจะเป็นว ~10 9 วิ 1 ในขณะที่ความน่าจะเป็นที่ผ่อนคลายระหว่างสถานะอิเล็กทรอนิกส์อยู่ที่ลำดับที่ 10 5 …10 6 วินาที 1 .

เลเซอร์แซฟไฟร์อยู่ในกลุ่มที่เรียกว่าไวโบรนิกส์ เลเซอร์ ซึ่งมีลักษณะเฉพาะคือคำศัพท์ทางอิเล็กทรอนิกส์หลักคือแถบของระดับย่อยของการสั่น ( ตาข่ายคริสตัล) เนื่องจากเลเซอร์ทำงานตามรูปแบบสี่ระดับ และเช่นเดียวกับเลเซอร์สีย้อม จึงสร้างความเป็นไปได้ในการปรับแต่งรุ่นที่ราบรื่นในช่วง λ660…1180 นาโนเมตร แถบการดูดซับขยายจาก λ0.49 µm ถึง λ0.54 µm อายุการใช้งานสั้นของสถานะกระตุ้น "2"ที3+ ทำให้การปั๊มหลอดไฟของเลเซอร์นี้ไม่ได้ผล ซึ่งตามกฎแล้วดำเนินการโดยเลเซอร์ cw อาร์กอน (λ488 nm และ λ514.5 nm) ซึ่งเป็นฮาร์มอนิกที่สองของเลเซอร์นีโอดิเมียม (λ530 nm) หรือพัลส์รังสีเลเซอร์ไอทองแดง (λ510 นาโนเมตร)

ข้อดีที่ไม่อาจปฏิเสธของเลเซอร์แซฟไฟร์กับไททาเนียมคือกำลังปั๊มที่อนุญาตสูงกว่ามากโดยไม่ทำให้สารทำงานเสื่อมสภาพและเส้นเรืองแสงที่กว้างขึ้นโดยไม่เป็นเนื้อเดียวกัน เป็นผลให้ลำดับของพัลส์ที่มีระยะเวลาประมาณสิบเฟมโตวินาที (1fs=10 15 c) และด้วยการบีบอัด (การบีบอัด) ที่ตามมาของพัลส์ในใยแก้วนำแสงที่ไม่ใช่เชิงเส้นสูงถึง 0.6 fs

3.6. เลเซอร์ศูนย์สีที่ปรับได้. เลเซอร์ดังกล่าว เช่นเดียวกับเลเซอร์โซลิดสเตตที่กล่าวถึงข้างต้น ใช้ผลึกไอออนิกเป็นสารออกฤทธิ์ แต่มีศูนย์สีที่เรียกว่า F - ศูนย์ ซึ่งช่วยให้สามารถปรับการแผ่รังสีได้ วัสดุเลเซอร์สำหรับเลเซอร์ดังกล่าว: ผลึกของฟลูออไรด์และคลอไรด์ของโลหะอัลคาไล (หลี่, นา, เค, อาร์บี ) เช่นเดียวกับฟลูออไรด์แคลิฟอร์เนียและซีเนียร์ . ผลกระทบของรังสีไอออไนซ์: แกมมาควอนตา, อิเล็กตรอนพลังงานสูง, รังสีเอกซ์และรังสี UV อย่างหนัก เช่นเดียวกับการเผาผลึกในไอระเหยของโลหะอัลคาไล ทำให้เกิดจุดบกพร่องในโครงตาข่ายคริสตัล ตำแหน่งของอิเล็กตรอน หรือรูบนตัวมันเอง ตำแหน่งว่างที่จับอิเล็กตรอนทำให้เกิดข้อบกพร่องซึ่งมีโครงสร้างทางอิเล็กทรอนิกส์คล้ายกับอะตอมของไฮโดรเจน ศูนย์สีดังกล่าวมีแถบการดูดกลืนแสงในบริเวณที่มองเห็นและรังสียูวีของสเปกตรัม

รูปแบบการสร้างเลเซอร์บนศูนย์สีนั้นคล้ายคลึงกับรูปแบบของเลเซอร์เหลวบนสีย้อมอินทรีย์ นับเป็นครั้งแรกที่การสร้างการเปล่งแสงกระตุ้นที่ศูนย์สีได้รับในผลึกของ K Cl - หลี่ ภายใต้การสูบน้ำด้วยแสงพัลซิ่ง ในขณะนี้ มีการสังเกตการสร้างที่ศูนย์สีต่างๆ จำนวนมากด้วยรังสี IR ในโหมดพัลซิ่งและโหมดต่อเนื่องด้วย RS ที่เชื่อมโยงกัน ความถี่ของการแผ่รังสีถูกปรับโดยใช้องค์ประกอบกระจายแสง (ปริซึม การเลี้ยวเบนของแสง ฯลฯ) ที่วางอยู่ในเรโซเนเตอร์ อย่างไรก็ตามการป้องกันความร้อนและแสงที่ไม่ดี การใช้งานอย่างแพร่หลายเลเซอร์ดังกล่าว

3.7. ไฟเบอร์เลเซอร์. เส้นใย เรียกว่าเลเซอร์ซึ่งเป็นตัวสะท้อนที่สร้างขึ้นบนพื้นฐานของ ใยแก้วนำแสง-ท่อนำคลื่น ซึ่งเป็นตัวกลางที่แอคทีฟของเลเซอร์ซึ่งสร้างรังสี (รูปที่ 9) ใช้เส้นใยควอทซ์เจือด้วยธาตุหายาก ( Nd, Ho, Er, Tm, Yb เป็นต้น) หรือเส้นใยแบบพาสซีฟโดยใช้ผลของการกระเจิงของรามานที่ถูกกระตุ้น ในกรณีหลังนี้ ตัวสะท้อนแสงจะสร้างตัวนำแสงร่วมกับตะแกรงดัชนีการหักเหของแสง "Bragg" ที่ "ฝัง" อยู่ในเส้นใย เลเซอร์ดังกล่าวเรียกว่าไฟเบอร์รามัญ ” เลเซอร์ รังสีเลเซอร์แพร่กระจายภายในใยแก้วนำแสง ดังนั้นโพรงไฟเบอร์เลเซอร์จึงเรียบง่ายและไม่ต้องการการจัดตำแหน่ง ในไฟเบอร์เลเซอร์ เป็นไปได้ที่จะได้รับทั้งการสร้างความถี่เดียวและการสร้างคลื่นแสงแบบ ultrashort (femtosecond, picosecond)

4. การสร้างแสงพาราเมตริก

การสร้างแสงแบบพาราเมตริก(POS) ดำเนินการภายใต้การกระทำของการฉายรังสีด้วยแสงเลเซอร์ในผลึกของแข็งที่มีคุณสมบัติไม่เชิงเส้น และมีค่าสัมประสิทธิ์การแปลงที่ค่อนข้างสูง (สิบเปอร์เซ็นต์) ในกรณีนี้ สามารถปรับความถี่ของรังสีเอาต์พุตได้อย่างราบรื่น ในแง่หนึ่ง OPO ตลอดจนปรากฏการณ์ของการคูณความถี่และการเพิ่มที่พิจารณาข้างต้น สามารถพิจารณาได้ว่าเป็นการสร้างรังสีที่ปรับได้ระหว่างการปั๊มด้วยแสงที่สอดคล้องกันของผลึกที่ไม่เชิงเส้น

หัวใจของปรากฏการณ์ OPO เช่น ในกรณีของการคูณและการเพิ่มความถี่ เป็นปรากฏการณ์ทางแสงที่ไม่ใช่เชิงเส้นในตัวกลาง ให้เราพิจารณากรณีที่สื่อที่มีคุณสมบัติไม่เชิงเส้นและอยู่ในช่องแสงแบบเปิด (OOR) ทำปฏิกิริยากับรังสีเลเซอร์ที่มีความเข้มสูงเพียงพอ โดยมีความถี่ ν 0 (สูบน้ำ). เนื่องจากการปั๊มพลังงานของคลื่นนี้ คลื่นแสงใหม่สองคลื่นสามารถปรากฏในตัวกลาง:

1) คลื่นของธรรมชาติ "เสียงรบกวน" ที่มีความถี่ที่แน่นอน ν 1 ;

2) คลื่นที่มีความถี่ต่างกัน (ν 0 ต่อ 1 ) ซึ่งเป็นผลมาจากอันตรกิริยาแบบไม่เชิงเส้นระหว่างการแผ่รังสีของปั๊มกับคลื่นสุ่ม (สัญญาณรบกวน) ที่มีความถี่ ν 1 .

ยิ่งไปกว่านั้น ความถี่ ν 1 และ (ν 0 ν 1 ) ต้องเป็นความถี่ธรรมชาติของ OOP และสำหรับทั้งสามคลื่นสภาพการซิงโครไนซ์ของคลื่น: . กล่าวอีกนัยหนึ่งคือคลื่นแสงของปั๊มที่มีความถี่ ν 0 โดยใช้คลื่นเสียงเสริมที่มีความถี่ ν 1 เปลี่ยนเป็นคลื่นที่มีความถี่ (ν 0 ν 1 ).

การปรับความถี่ของรังสี OPO ดำเนินการโดยการเลือกการวางแนวของผลึกแบบไม่เชิงเส้นแบบไบรีฟริงเจนต์โดยการหมุน เช่น เปลี่ยนมุมระหว่างแกนแสงและแกนของตัวสะท้อนเพื่อดำเนินการสภาพการซิงโครไนซ์ของคลื่น. แต่ละค่าของมุมสอดคล้องกับชุดค่าผสมของความถี่ ν ที่กำหนดไว้อย่างเคร่งครัด 1 และ (ν 0 ν 1 ) ซึ่งเป็นไปตามเงื่อนไขของการซิงโครไนซ์คลื่นในปัจจุบัน

สามารถใช้แผนสองแบบเพื่อใช้ PGS:

1) รูปแบบ "สองเสียงสะท้อน" เมื่อคลื่นที่สร้างขึ้นด้วยความถี่ν 1 และ (ν 0 ν 1 ) เกิดขึ้นใน OER หนึ่งรายการ ในขณะที่การสูญเสีย OER สำหรับพวกเขาควรมีขนาดเล็ก

2) รูปแบบ "เสียงสะท้อนเดียว" เมื่อมีเพียงคลื่นเดียวที่มีความถี่ (ν 0 ν 1 ).

คริสตัลสามารถใช้เป็นสื่อที่แอคทีฟได้ LiNbO3 (ลิเธียมไนโอเบต) ซึ่งสูบฉีดโดยการแผ่รังสีของฮาร์มอนิกที่สองของ YAG:น.3+ (λ0.53 μm) และการปรับแต่งที่ราบรื่นสามารถทำได้ในช่วงสูงสุด λ3.5 μm ภายใน 10% ชุดของคริสตัลออปติกที่มีพื้นที่ความไม่เป็นเชิงเส้นและความโปร่งใสที่แตกต่างกันช่วยให้สามารถปรับตั้งในบริเวณ IR ได้สูงสุด 16 µm

5. เลเซอร์สารกึ่งตัวนำ

สารกึ่งตัวนำเรียกว่าเลเซอร์โซลิดสเตตดังกล่าวซึ่งใช้ผลึกเซมิคอนดักเตอร์ขององค์ประกอบต่าง ๆ ที่มีการผกผันของประชากรที่การเปลี่ยนผ่านควอนตัมเป็นสื่อที่ใช้งาน (สารทำงาน) การมีส่วนร่วมอย่างเด็ดขาดในการสร้างและปรับปรุงเลเซอร์ดังกล่าวเกิดจากเพื่อนร่วมชาติของเรา N.G. Basov, Zh.I. Alferov และผู้ทำงานร่วมกัน

5.1. หลักการทำงาน. ในเซมิคอนดักเตอร์เลเซอร์ ซึ่งแตกต่างจากเลเซอร์ประเภทอื่นๆ (รวมถึงโซลิดสเตตอื่นๆ) การเปลี่ยนภาพด้วยการแผ่รังสีจะไม่ใช้ระหว่างระดับพลังงานที่แยกได้ของอะตอม โมเลกุล และไอออนที่ไม่มีปฏิกิริยาหรือมีปฏิสัมพันธ์กันเล็กน้อย แต่ระหว่างที่อนุญาตโซนพลังงานคริสตัล การแผ่รังสี (การเรืองแสง) และการสร้างการแผ่รังสีกระตุ้นในเซมิคอนดักเตอร์เกิดจากการเปลี่ยนแปลงควอนตัมของอิเล็กตรอน ทั้งระหว่างระดับพลังงานของแถบการนำไฟฟ้าและแถบเวเลนซ์ และระหว่างระดับของแถบเหล่านี้กับระดับสิ่งเจือปน: การเปลี่ยนระดับผู้บริจาค ระดับตัวรับ การนำไฟฟ้า ระดับตัวรับแถบ แถบวาเลนซ์ระดับผู้บริจาค รวมถึงผ่านสถานะ exciton แต่ละโซนพลังงานสอดคล้องกับขนาดใหญ่มาก (~10 23 …10 24 ) จำนวนสถานะที่อนุญาต เนื่องจากอิเล็กตรอนเป็นเฟอร์มิออน ตัวอย่างเช่นความจุ แถบสามารถเต็มไปด้วยอิเล็กตรอนทั้งหมดหรือบางส่วน: ด้วยความหนาแน่นที่ลดลงจากล่างขึ้นบนตามระดับพลังงานที่คล้ายกับการกระจายของ Boltzmann ในอะตอม

การแผ่รังสีของสารกึ่งตัวนำขึ้นอยู่กับปรากฏการณ์อิเล็กโทรลูมิเนสเซนซ์. โฟตอนถูกปล่อยออกมาจากการกระทำการรวมกันอีกครั้ง พาหะประจุไฟฟ้า อิเล็กตรอนและ “โฮล” (อิเล็กตรอนจากแถบการนำไฟฟ้าใช้พื้นที่ว่างในแถบเวเลนซ์) ในขณะที่ความยาวคลื่นของรังสีถูกกำหนดโดยช่องว่างวง. หากเราสร้างเงื่อนไขดังกล่าวว่าอิเล็กตรอนและหลุมก่อนการรวมตัวกันใหม่จะอยู่ในพื้นที่เดียวกันเป็นเวลานานพอสมควร และในขณะนี้โฟตอนที่มีความถี่ที่สอดคล้องกับความถี่ของการเปลี่ยนผ่านควอนตัมจะผ่านสิ่งนี้ พื้นที่ของอวกาศ จากนั้นมันสามารถเหนี่ยวนำให้เกิดกระบวนการรวมตัวกันอีกครั้งด้วยโฟตอนที่สองที่ปล่อยออกมา และทิศทางของมัน เวกเตอร์โพลาไรเซชันและเฟส จะมีลักษณะตรงกับโฟตอนตัวแรกทุกประการ ตัวอย่างเช่นในเป็นเจ้าของ เซมิคอนดักเตอร์ (“บริสุทธิ์”, “ปราศจากสิ่งเจือปน”) มีแถบเวเลนต์แบบเต็มและแถบนำไฟฟ้าที่เกือบจะเป็นอิสระ ในระหว่างการเปลี่ยนผ่านระหว่างแถบความถี่ เพื่อทำให้เกิดการผกผันและได้รับการสร้าง จำเป็นต้องสร้างความเข้มข้นส่วนเกินที่ไม่สมดุลของตัวพาประจุ: ในแถบการนำไฟฟ้า อิเล็กตรอน และในแถบเวเลนซ์ หลุม ในกรณีนี้ ช่วงเวลาระหว่างระดับ quasi-Fermi ต้องเกิน band gap นั่นคือ หนึ่งหรือทั้งสองระดับจะอยู่ในแถบที่อนุญาตในระยะทางไม่เกินท จากพรมแดนของพวกเขา และนี่คือการกระตุ้นให้เกิดความรุนแรงดังกล่าวความเสื่อม ในวงคอนดักชั่นและวงวาเลนซ์

เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ตัวแรกใช้แกลเลียมอาร์เซไนด์ (GaAs) ซึ่งทำงานในโหมดพัลซิ่ง ปล่อยออกมาในช่วง IR และต้องการการระบายความร้อนอย่างเข้มข้น การวิจัยเพิ่มเติมทำให้สามารถปรับปรุงฟิสิกส์และเทคโนโลยีของเลเซอร์ประเภทนี้ได้อย่างมีนัยสำคัญ และในปัจจุบันเลเซอร์ชนิดนี้จะปล่อยออกมาทั้งในช่วงที่มองเห็นได้และรังสียูวี

ความเสื่อมของสารกึ่งตัวนำทำได้โดยการเติมสารเจือปนในปริมาณมากที่ความเข้มข้นของสารเจือปนสูง เพื่อให้แสดงคุณสมบัติของสารเจือปนมากกว่าคุณสมบัติของสารกึ่งตัวนำที่แท้จริง ทุกอะตอมผู้บริจาค สิ่งเจือปนให้อิเล็กตรอนตัวใดตัวหนึ่งไปยังแถบการนำไฟฟ้าของคริสตัล ตรงกันข้ามกับอะตอมผู้รับสิ่งเจือปนจับอิเล็กตรอนหนึ่งตัวซึ่งใช้ร่วมกันโดยคริสตัลและอยู่ในแถบวาเลนซ์ เสื่อมนสารกึ่งตัวนำได้ เช่น โดยการนำเข้าสู่GaAsเทลลูเรียมเจือปน (ความเข้มข้น 3...5 1018 ซม3 ) และความเสื่อมทรามหน้าสารกึ่งตัวนำสังกะสีเจือปน (ความเข้มข้น 1019 ซม3 ). การสร้างจะดำเนินการที่ความยาวคลื่น IR ตั้งแต่ 0.82 µm ถึง 0.9 µm โครงสร้างที่ปลูกบนพื้นผิวก็แพร่หลายเช่นกันอินพี(ขอบเขต IR λ1…3 µm)

คริสตัลเซมิคอนดักเตอร์ของเลเซอร์ไดโอดที่ง่ายที่สุดที่ทำงานบน "โฮโมจังก์ชั่น" (รูปที่ 10) มีรูปแบบของแผ่นสี่เหลี่ยมผืนผ้าที่บางมาก แผ่นดังกล่าวเป็นออปติคอลท่อนำคลื่นที่ซึ่งรังสีแพร่กระจาย ชั้นบนสุดของคริสตัลเจือสำหรับการสร้างหน้าพื้นที่และในชั้นล่างจะถูกสร้างขึ้นนภูมิภาค. ผลที่ได้คือการแบนหน้านข้ามพื้นที่ขนาดใหญ่ ทั้งสองด้าน (ปลาย) ของคริสตัลถูกคว้านและขัดเงาเพื่อสร้างระนาบสะท้อนแสงที่เรียบและขนานกันซึ่งก่อตัวเป็นช่องแสงแบบเปิด- อินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ Fabry-Perot. โฟตอนแบบสุ่มของการปล่อยที่เกิดขึ้นเองในระนาบหน้านการเปลี่ยนที่ตั้งฉากกับตัวสะท้อนแสงผ่านไปตามตัวสะท้อนจะทำให้เกิดการเปลี่ยนการรวมตัวกันอีกครั้งซึ่งกระตุ้นการสร้างโฟตอนใหม่และใหม่ด้วยพารามิเตอร์เดียวกันเช่น รังสีจะแผ่ขยาย กำเนิดจะเริ่มต้นขึ้น ในกรณีนี้ ลำแสงเลเซอร์จะเกิดขึ้นเนื่องจากการผ่านซ้ำๆ ผ่านท่อนำคลื่นแสงและการสะท้อนจากปลาย

ประเภทของการปั๊มที่สำคัญที่สุดในเซมิคอนดักเตอร์เลเซอร์คือการฉีดสูบน้ำ ในกรณีนี้ อนุภาคที่แอคทีฟคือพาหะอิสระที่มีอิเลคตรอนและโฮลนำไฟฟ้าที่ไม่สมดุลมากเกินไปฉีดวีพน- การเปลี่ยนแปลง (ตัวกลางที่ใช้งานอยู่) เมื่อผ่านมันไป กระแสไฟฟ้าในทิศทาง "ตรง" ด้วยการกระจัด "โดยตรง" ซึ่งลดความสูงของสิ่งกีดขวางที่อาจเกิดขึ้น สิ่งนี้ทำให้สามารถแปลงพลังงานไฟฟ้า (กระแส) เป็นรังสีที่เชื่อมโยงกันได้โดยตรง

วิธีการสูบน้ำแบบอื่นคือการสลายด้วยไฟฟ้า (เรียกว่าลำแสงเลเซอร์) การสูบลำแสงอิเล็กตรอน และการสูบน้ำด้วยแสง

5.2. เลเซอร์ DHS. หากคุณจัดเลเยอร์ให้แคบลงเขตต้องห้าม(ภูมิภาคที่ใช้งานอยู่) ระหว่างสองชั้นที่มีแถบกว้างกว่าเรียกว่าโครงสร้าง heterostructure. เลเซอร์ที่ใช้เรียกว่าเลเซอร์คู่โครงสร้าง heterostructure(เลเซอร์ DHS หรือ “โครงสร้าง heterostructure คู่”, สพป- เลเซอร์). โครงสร้างนี้เกิดจากการเข้าร่วมแกลเลียมอาร์เซไนด์(GaAs)และอลูมิเนียมแกลเลียมอาร์เซไนด์(AlGaAs). ข้อได้เปรียบของเลเซอร์ดังกล่าวอยู่ที่ความหนาเล็กน้อยของชั้นกลางของพื้นที่แอคทีฟ ซึ่งอิเล็กตรอนและรูถูกแปลเป็นภาษาท้องถิ่น: แสงจะสะท้อนเพิ่มเติมจากจุดแยกต่างมิติ และรังสีจะอยู่ในขอบเขตของการขยายสูงสุด

หากมีการเพิ่มเลเยอร์อีกสองชั้นที่มีดัชนีการหักเหของแสงต่ำกว่าเมื่อเทียบกับชั้นกลางที่ทั้งสองด้านของคริสตัลเลเซอร์ DHS แสดงว่ามีความคล้ายคลึงกันคู่มือแสงโครงสร้างที่ดักจับรังสีได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น (DHS laserด้วยการถือแยกต่างหาก, หรือ "โครงสร้าง heterostructure กักขังแยกต่างหาก”, วทส- เลเซอร์). เลเซอร์ส่วนใหญ่ที่ผลิตในทศวรรษที่ผ่านมาใช้เทคโนโลยีนี้ การพัฒนาออปโตอิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ พลังงานแสงอาทิตย์ขึ้นอยู่กับโครงสร้างควอนตัม ด้วยควอนตัม "หลุม" ควอนตัม "จุด"

5.3. เลเซอร์ DFB และ VRPI. ในการเลเซอร์ด้วยกระจายความคิดเห็น(ROS หรือ “แจกจ่ายข้อเสนอแนะ”– เดเอฟเบเลเซอร์) ใกล้หน้า- นการเปลี่ยนระบบจะใช้ "จังหวะ" การผ่อนปรนตามขวางตะแกรง. ด้วยตะแกรงนี้ การแผ่รังสีที่มีความยาวคลื่นเดียวจะส่งกลับไปยังเรโซเนเตอร์ และการสร้างเกิดขึ้นบนมัน เช่น ดำเนินการรักษาเสถียรภาพของความยาวคลื่นรังสี (เลเซอร์สำหรับการสื่อสารด้วยไฟเบอร์ออปติกหลายความถี่)

เลเซอร์ "ขอบ" ของเซมิคอนดักเตอร์ที่ปล่อยแสงในทิศทางตั้งฉากกับพื้นผิวคริสตัล และเรียกว่าเลเซอร์ "เปล่งพื้นผิวช่องแนวตั้ง" (เลเซอร์ VRTS หรือ "แนวตั้งโพรงพื้นผิว- เปล่ง”: วีซีเอสเลเซอร์) มีรูปแบบการแผ่รังสีแบบสมมาตรที่มีมุมเบี่ยงเบนเล็กน้อย

ในสื่อที่ใช้งานอยู่ของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ อัตราขยายที่สูงมาก (มากถึง 104 ซม-1 ) เนื่องจากขนาดขององค์ประกอบที่ใช้งานอยู่ P. l. เลเซอร์มีขนาดเล็กมาก (ความยาวของรีโซเนเตอร์ 50 µm…1 มม.) นอกจากความกะทัดรัดแล้ว คุณลักษณะของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ยังมี: ควบคุมความเข้มได้ง่ายโดยการเปลี่ยนค่าปัจจุบัน ความเฉื่อยต่ำ (~109 c) ประสิทธิภาพสูง (สูงถึง 50%) ความเป็นไปได้ในการปรับสเปกตรัมและสารที่มีให้เลือกมากมายสำหรับการสร้างในช่วงสเปกตรัมที่กว้างตั้งแต่ UV ที่มองเห็นได้จนถึง IR กลาง ในเวลาเดียวกัน เมื่อเทียบกับเลเซอร์แก๊ส เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์มีลักษณะของความเป็นเอกรงค์และความสอดคล้องกันของรังสีค่อนข้างต่ำ และไม่สามารถเปล่งแสงที่ความยาวคลื่นต่างกันพร้อมกันได้ เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์สามารถเป็นได้ทั้งแบบโหมดเดียวหรือหลายโหมด (โดยมีโซนแอคทีฟกว้าง) เลเซอร์มัลติโหมดใช้ในกรณีที่อุปกรณ์ต้องการพลังงานการแผ่รังสีสูง และไม่ได้ตั้งค่าเงื่อนไขของความแตกต่างของลำแสงต่ำ พื้นที่ของการประยุกต์ใช้เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์คือ: อุปกรณ์ประมวลผลข้อมูล - สแกนเนอร์ เครื่องพิมพ์ อุปกรณ์เก็บข้อมูลออปติคัล ฯลฯ อุปกรณ์วัด การปั๊มเลเซอร์อื่น ๆ ตัวกำหนดเลเซอร์ ใยแก้วนำแสงและเทคโนโลยี

บรรณานุกรม

1. คาร์ลอฟ เอ็น.วี.การบรรยายเกี่ยวกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ควอนตัม M.: Nauka, 1988. 2nd ed., -336s.
2. ซเวลโต้ โอ.หลักการของเลเซอร์ ม.: มีร์, 2527, -395s.; แก้ไขครั้งที่ 3 2533, 560s.; แก้ไขครั้งที่ 4 พ.ศ. 2541 -540
3. พิคติน เอ.เอ็น.อิเล็กทรอนิกส์เชิงแสงและควอนตัม ม.: โรงเรียนมัธยม, 2544 -573s
4. Akhmanov S.A. , Nikitin S.Yu.เลนส์กายภาพ ม.: Izd.MSU, 2547. 2nd ed. - 656p.
5. Malyshev V.A.รากฐานทางกายภาพของเทคโนโลยีเลเซอร์ ม.: โรงเรียนมัธยม 200 -543s
6. Tarasov L.V.ฟิสิกส์ของกระบวนการในการกำเนิดรังสีออปติกที่เชื่อมโยงกัน ม.: วิทยุและการสื่อสาร, 2524, -440s
7. Yakovlenko S.I. , Evtushenko G.S.รากฐานทางกายภาพของควอนตัมอิเล็กทรอนิกส์ ทอมสค์: เอ็ด TGU, 2549. -363s.
8. Ivanov I.G. , Latush E.L. , Sam M.F.ไอออนเลเซอร์บนไอระเหยของโลหะ ม.: Energoatomizdat, 1990. -256s.
9. สารานุกรมกายภาพ. ในเล่มที่ 5 ม.: "สารานุกรมรัสเซีย" พ.ศ.2531-2541.
10. Ivanov I.G.การปล่อยก๊าซและการประยุกต์ใช้ในโฟโตนิกส์ กวดวิชา. Rostov n / a: เอ็ด SFedU, 2009. -96p.
11. อิเล็กทรอนิกส์. พจนานุกรมสารานุกรม. ม.: สารานุกรม, 2534. -688s.
12. Ivanov V.A. , Privalov V.E.การใช้เลเซอร์ในอุปกรณ์กลไกที่มีความแม่นยำ เซนต์ปีเตอร์สเบิร์ก: โปลีเทคนิค 2536 -216p.;Golikova E.V., Privalov V.E.การคำนวณเส้นการดูดกลืนแสงสำหรับเลเซอร์ที่เสถียรโดยจุดอ้างอิงไอโอดีน พิมพ์ล่วงหน้า #53. เซนต์ปีเตอร์สเบิร์ก: สถาบันเครื่องมือวิเคราะห์ RAS. 2535.-47ค.
13. คาลาชนิคอฟ เอส.จี.ไฟฟ้า. ม.: Fizmatlit. 2546. -624น.
14. สารานุกรมกายภาพ // เลเซอร์เคมี.URL: http://femto.com.ua/articles/part_2/4470.html
15. Kryukov P.G. เฟมโตวินาทีพัลส์ บทนำสู่สาขาใหม่ของฟิสิกส์เลเซอร์ ม.: Fizmatlit.2008. -208 กับ.
16. Yanovsky V. และคณะ ออพติค เอ็กซ์เพรส 2551 ฉบับที่ 16. น3 น.2109- 2114 .