Domač laser - mit ali resničnost? Iz pogona DVD z lastnimi rokami izdelamo močan pekoč laser.

doma

Črpalke za vrtine

Danes bomo govorili o tem, kako narediti svoj močan zeleni ali modri laser doma iz improviziranih materialov z lastnimi rokami. Upoštevali bomo tudi risbe, diagrame in napravo domačih laserskih kazalcev z vžigalnim žarkom in dosegom do 20 km.

Osnova laserske naprave je optični kvantni generator, ki z uporabo električne, toplotne, kemične ali druge energije proizvaja laserski žarek.

Delovanje laserja temelji na pojavu stimuliranega (induciranega) sevanja. Lasersko sevanje je lahko neprekinjeno, s konstantno močjo, ali impulzno, ki dosega izjemno visoke konične moči. Bistvo pojava je, da je vzbujeni atom sposoben oddajati foton pod vplivom drugega fotona brez njegove absorpcije, če je energija slednjega enaka razliki energij nivojev atoma pred in po emisije. V tem primeru je oddani foton koherenten s fotonom, ki je povzročil sevanje, torej je njegova natančna kopija. Tako se svetloba ojača. Ta pojav se razlikuje od spontane emisije, pri kateri imajo oddani fotoni naključne smeri širjenja, polarizacije in faze.
Verjetnost, da bo naključni foton povzročil stimulirano emisijo vzbujenega atoma, je natančno enaka verjetnosti absorpcije tega fotona z atomom v nevzbujenem stanju. Zato je za ojačanje svetlobe potrebno, da je v mediju več vzbujenih atomov kot nevzbujenih. V ravnotežnem stanju ta pogoj ni izpolnjen, zato se uporabljajo različni sistemi za črpanje laserskega aktivnega medija (optični, električni, kemični itd.). V nekaterih shemah se delovni element laserja uporablja kot optični ojačevalnik za sevanje iz drugega vira.

V kvantnem generatorju ni zunanjega fotonskega toka, inverzna populacija se v njem ustvari s pomočjo različnih virov črpalke. Glede na vire obstajajo različne metode črpanja:
optična - močna bliskavica;
izpust plina v delovni snovi (aktivni medij);
injiciranje (prenos) tokovnih nosilcev v polprevodniku v coni
p-n prehodi;
elektronsko vzbujanje (vakuumsko obsevanje čistega polprevodnika s tokom elektronov);
toplotno (ogrevanje plina z njegovim kasnejšim hitrim hlajenjem;
kemični (z uporabo energije kemičnih reakcij) in nekateri drugi.

Primarni vir nastajanja je proces spontane emisije, zato je za zagotovitev kontinuitete nastajanja fotonov potrebna pozitivna povratna zveza, zaradi katere oddani fotoni povzročijo naknadna dejanja stimulirane emisije. Za to je laserski aktivni medij nameščen v optični resonator. V najpreprostejšem primeru je sestavljen iz dveh ogledal, od katerih je eno prosojno - laserski žarek skozi njega delno izstopi iz resonatorja.

Odsevajoč se od ogledal, žarek sevanja večkrat prehaja skozi resonator, kar povzroča inducirane prehode v njem. Sevanje je lahko neprekinjeno ali impulzno. Hkrati je z uporabo različnih naprav za hitro izklop in vklop povratnih informacij in s tem zmanjšanje obdobja impulza mogoče ustvariti pogoje za ustvarjanje sevanja zelo velike moči - to so tako imenovani velikanski impulzi. Ta način delovanja laserja se imenuje način Q-switched.
Laserski žarek je koherenten, enobarven, polariziran ozek žarek svetlobe. Z eno besedo, to je žarek svetlobe, ki ga ne oddajajo le sinhroni viri, ampak tudi v zelo ozkem območju in usmerjen. Nekakšen izjemno koncentriran svetlobni tok.

Sevanje, ki ga ustvarja laser, je monokromatsko, verjetnost oddajanja fotona določene valovne dolžine je večja kot pri tesno razmaknjenem fotonu, ki je povezan s širitvijo spektralne črte, verjetnost induciranih prehodov pri tej frekvenci pa ima tudi največjo . Zato bodo postopoma v procesu generiranja fotoni določene valovne dolžine prevladovali nad vsemi drugimi fotoni. Poleg tega so zaradi posebne razporeditve ogledal v laserskem žarku shranjeni samo tisti fotoni, ki se širijo v smeri, vzporedni z optično osjo resonatorja na majhni razdalji od nje, preostali fotoni hitro zapustijo prostornino resonatorja. . Tako ima laserski žarek zelo majhen kot divergence. Končno ima laserski žarek strogo določeno polarizacijo. Za to se v resonator vnesejo različni polarizatorji, na primer lahko so ravne steklene plošče, nameščene pod Brewsterjevim kotom glede na smer širjenja laserskega žarka.

Delovna tekočina, ki se uporablja v laserju, je odvisna od delovne valovne dolžine njegove valovne dolžine, pa tudi od drugih lastnosti. Delovno telo se »načrpa« z energijo, da dobimo učinek inverzije elektronske populacije, ki povzroči stimulirano emisijo fotonov in učinek optičnega ojačanja. Najenostavnejša oblika optičnega resonatorja sta dve vzporedni ogledali (lahko sta tudi štiri ali več), ki se nahajata okoli delovnega telesa laserja. Spodbujeno sevanje delovnega telesa se odbije nazaj od ogledal in ponovno ojača. Do trenutka izstopa navzven se lahko val večkrat odbije.

Torej, na kratko formulirajmo pogoje, potrebne za ustvarjanje vira koherentne svetlobe:

potrebujete delovno snov z inverzno populacijo. Šele takrat je mogoče dobiti ojačanje svetlobe zaradi prisilnih prehodov;
delovno snov je treba postaviti med ogledala, ki zagotavljajo povratne informacije;
dobiček, ki ga daje delovna snov, kar pomeni, da mora biti število vzbujenih atomov ali molekul v delovni snovi večje od mejne vrednosti, ki je odvisna od odbojnega koeficienta izhodnega zrcala.

Pri načrtovanju laserjev se lahko uporabljajo naslednje vrste delovnih teles:

Tekočina. Uporablja se kot delovna tekočina, na primer v barvnih laserjih. Sestava vključuje organsko topilo (metanol, etanol ali etilen glikol), v katerem so raztopljena kemična barvila (kumarin ali rodamin). Delovna valovna dolžina tekočih laserjev je določena s konfiguracijo uporabljenih molekul barvila.

Plini. Zlasti mešanice ogljikovega dioksida, argona, kriptona ali plinov, kot v helij-neonskih laserjih. "Črpanje" energije teh laserjev se najpogosteje izvaja s pomočjo električnih razelektritev.
Trdne snovi (kristali in kozarci). Trden material takšnih delovnih teles se aktivira (legira) z dodatkom majhne količine kromovih, neodimovih, erbijevih ali titanovih ionov. Pogosto uporabljeni kristali so itrijev aluminijev granat, itrijev litijev fluorid, safir (aluminijev oksid) in silikatno steklo. Polprevodniške laserje običajno "črpamo" z bliskavico ali drugim laserjem.

Polprevodniki. Material, v katerem lahko prehod elektronov med nivoji energije spremlja sevanje. Polprevodniški laserji so zelo kompaktni, "črpani" z električnim tokom, kar jim omogoča uporabo v potrošniških napravah, kot so CD predvajalniki.

Če želite ojačevalnik spremeniti v generator, morate organizirati povratne informacije. Pri laserjih se to doseže z namestitvijo aktivne snovi med odbojne površine (zrcala), ki tvorijo tako imenovani »odprti resonator« zaradi dejstva, da se del energije, ki jo oddaja aktivna snov, odbije od ogledal in se spet vrne nazaj. na učinkovino.

V laserju se uporabljajo optične votline različnih vrst - z ravnimi zrcalci, sferične, kombinacije ravnih in sferičnih itd. V optičnih votlinah, ki zagotavljajo povratno informacijo v laserju, so le določene vrste nihanja elektromagnetnega polja, ki jih imenujemo naravna nihanja ali načini. resonatorja, je lahko vzbujen.

Za načine sta značilni frekvenca in oblika, torej prostorska porazdelitev nihanj. V resonatorju s ploščatimi zrcali se pretežno vzbujajo vrste nihanj, ki ustrezajo ravnim valovom, ki se širijo vzdolž osi resonatorja. Sistem dveh vzporednih ogledal odmeva le na določenih frekvencah - in v laserju opravlja tudi vlogo, ki jo ima nihajno vezje v običajnih nizkofrekvenčnih generatorjih.

Uporaba odprtega resonatorja (namesto zaprtega - zaprta kovinska votlina - značilnost mikrovalovnega območja) je temeljna, saj je v optičnem območju resonator z dimenzijami L = ? (L je karakteristična velikost resonatorja,? je valovna dolžina) preprosto ni mogoče narediti, in za L >> ? zaprt resonator izgubi svoje resonančne lastnosti, saj število možnih načinov nihanja postane tako veliko, da se prekrivajo.

Odsotnost stranskih sten bistveno zmanjša število možnih vrst nihanj (način) zaradi dejstva, da valovi, ki se širijo pod kotom na os resonatorja, hitro presežejo njegove meje, in omogoča ohranjanje resonančnih lastnosti resonatorja pri L >> ?. Vendar pa resonator v laserju ne zagotavlja le povratne informacije tako, da sevanje, ki se odbije od ogledal, vrača aktivni snovi, temveč tudi določa spekter laserskega sevanja, njegove energijske značilnosti in usmerjenost sevanja.
V najpreprostejšem približku ravnega vala je resonančni pogoj v resonatorju s ploščatimi zrcali ta, da se vzdolž dolžine resonatorja prilega celo število polovičnih valov: L=q(?/2) (q je celo število), kar vodi do izraza za frekvenco tipa nihanja z indeksom q: ?q=q(C/2L). Posledično je emisijski spekter L. praviloma niz ozkih spektralnih črt, med katerimi so intervali enaki in enaki c / 2L. Število linij (komponent) za dano dolžino L je odvisno od lastnosti aktivnega medija, to je od spektra spontane emisije pri uporabljenem kvantnem prehodu, in lahko doseže nekaj deset in sto. Pod določenimi pogoji se izkaže, da je mogoče izolirati eno spektralno komponento, t.j. izvesti enomodni režim generiranja. Spektralna širina vsake od komponent je določena z izgubami energije v resonatorju in predvsem s prenosom in absorpcijo svetlobe z ogledali.

Frekvenčni profil ojačanja v delovnem mediju (določen je s širino in obliko črte delovnega medija) in niz lastnih frekvenc odprtega resonatorja. Pri odprtih resonatorjih z visokim faktorjem kakovosti, ki se uporabljajo v laserjih, se pasovna širina votline ??p, ki določa širino resonančnih krivulj posameznih načinov, in celo razdalja med sosednjimi načini ??h, izkaže za manjšo od ojačanja širina črte ??h in celo pri plinskih laserjih, kjer je širitev črte minimalna. Zato v ojačevalno vezje pade več vrst nihanj resonatorja.

Tako ni nujno, da laser generira na eni frekvenci, pogosteje, nasprotno, generiranje poteka hkrati pri več vrstah nihanj, za kateri dobiček? več izgub v resonatorju. Da bi laser deloval na eni frekvenci (v enofrekvenčnem načinu), je običajno treba sprejeti posebne ukrepe (na primer povečati izgube, kot je prikazano na sliki 3) ali spremeniti razdaljo med ogledali tako, da samo ena moda. Ker je v optiki, kot je navedeno zgoraj, ?h > ?p in je frekvenca generiranja v laserju določena v glavnem s frekvenco resonatorja, je treba resonator stabilizirati, da ohranimo generacijsko frekvenco stabilno. Torej, če dobiček v delovni snovi pokrije izgube v resonatorju za določene vrste nihanj, na njih pride do generiranja. Seme za njegov nastanek je, kot pri vsakem generatorju, hrup, ki je spontana emisija v laserjih.
Da bi aktivni medij oddajal koherentno monokromatsko svetlobo, je potrebno uvesti povratno informacijo, torej del svetlobnega toka, ki ga ta medij oddaja, poslati nazaj v medij za stimulirano oddajanje. Pozitivna povratna informacija se izvaja z optičnimi resonatorji, ki sta v osnovni različici dve koaksialni (vzporedni in vzdolž iste osi) ogledali, od katerih je eno prosojno, drugo pa "gluho", torej popolnoma odbija svetlobni tok. Delovna snov (aktivni medij), v kateri nastane inverzna populacija, je nameščena med ogledala. Stimulirano sevanje prehaja skozi aktivni medij, se ojača, odbija od zrcala, ponovno prehaja skozi medij in se dodatno ojača. Skozi prosojno zrcalo se del sevanja odda v zunanji medij, del pa se odbije nazaj v medij in ponovno ojača. Pod določenimi pogoji bo fotonski tok znotraj delovne snovi začel rasti kot plaz in začela se bo generacija monokromatske koherentne svetlobe.

Načelo delovanja optičnega resonatorja je prevladujoče število delcev delovne snovi, ki jih predstavljajo svetlobni krogi, v osnovnem stanju, torej na nižji energijski ravni. Le majhno število delcev, ki jih predstavljajo temni krogi, je v elektronsko vzbujenem stanju. Ko je delovna snov izpostavljena črpalnemu viru, glavno število delcev preide v vzbujeno stanje (število temnih krogov se je povečalo) in ustvari se inverzna populacija. Nadalje (slika 2c) se pojavi spontana emisija nekaterih delcev v elektronsko vzbujenem stanju. Sevanje, usmerjeno pod kotom na os resonatorja, bo zapustilo delovno snov in resonator. Sevanje, usmerjeno vzdolž osi resonatorja, se bo približalo zrcalni površini.

Pri polprozornem zrcalu bo del sevanja skozenj prešel v okolje, del pa se bo odbil in ponovno usmeril v delovno snov, pri čemer bodo delci v vzbujenem stanju vključeni v proces stimulirane emisije.

Pri "gluhem" zrcalu se bo celoten tok žarkov odbil in ponovno prešel skozi delovno snov, kar bo povzročilo sevanje vseh preostalih vzbujenih delcev, kar odraža situacijo, ko so vsi vzbujeni delci opustili shranjeno energijo, in na izhodu resonatorja, na strani polprozornega zrcala, je nastal močan tok induciranega sevanja.

Glavni strukturni elementi laserjev vključujejo delovno snov z določenimi energijskimi ravnmi njihovih sestavnih atomov in molekul, vir črpalke, ki ustvarja inverzno populacijo v delovni snovi, in optični resonator. Obstaja veliko število različnih laserjev, vendar imajo vsi enak in poleg tega preprost diagram vezja naprave, ki je prikazan na sl. 3.

Izjema so polprevodniški laserji zaradi svoje specifičnosti, saj imajo vse posebno: fiziko procesov, metode črpanja in zasnovo. Polprevodniki so kristalne tvorbe. V ločenem atomu ima energija elektrona strogo določene diskretne vrednosti, zato so energijska stanja elektrona v atomu opisana z nivoji. V polprevodniškem kristalu energijske ravni tvorijo energijske pasove. V čistem polprevodniku, ki ne vsebuje nobenih nečistoč, obstajata dva pasova: tako imenovani valenčni pas in prevodni pas, ki se nahaja nad njim (na energijski lestvici).

Med njimi je vrzel prepovedanih energijskih vrednosti, ki se imenuje pasovna vrzel. Pri temperaturi polprevodnika, ki je enaka absolutni ničli, mora biti valenčni pas popolnoma napolnjen z elektroni, prevodni pas pa prazen. V realnih pogojih je temperatura vedno nad absolutno ničlo. Toda zvišanje temperature vodi do toplotnega vzbujanja elektronov, nekateri od njih skočijo iz valenčnega pasu v prevodni pas.

Kot rezultat tega procesa se v prevodnem pasu pojavi določeno (sorazmerno majhno) število elektronov, v valenčnem pasu pa bo manjkalo ustrezno število elektronov, dokler se popolnoma ne napolni. Prosto mesto elektronov v valenčnem pasu je predstavljeno s pozitivno nabitim delcem, ki se imenuje luknja. Kvantni prehod elektrona skozi pasovno vrzel od spodaj navzgor se obravnava kot proces ustvarjanja para elektron-luknja, pri čemer so elektroni koncentrirani na spodnjem robu prevodnega pasu, luknje pa na zgornjem robu valenčnega pasu. Prehodi skozi prepovedano območje so možni ne le od spodaj navzgor, ampak tudi od zgoraj navzdol. Ta proces se imenuje rekombinacija elektron-luknja.

Ko se čisti polprevodnik obseva s svetlobo, katere energija fotona nekoliko presega pasovno vrzel, se lahko v polprevodniškem kristalu pojavijo tri vrste interakcije svetlobe s snovjo: absorpcija, spontana emisija in stimulirana emisija svetlobe. Prva vrsta interakcije je možna, ko foton absorbira elektron, ki se nahaja blizu zgornjega roba valenčnega pasu. V tem primeru bo energijska moč elektrona postala zadostna za premagovanje pasovne vrzeli in bo opravil kvantni prehod v prevodni pas. Spontano oddajanje svetlobe je možno, ko se elektron spontano vrne iz prevodnega pasu v valenčni pas z emisijo energijskega kvanta – fotona. Zunanje sevanje lahko sproži prehod v valenčni pas elektrona, ki se nahaja blizu spodnjega roba prevodnega pasu. Rezultat te tretje vrste interakcije svetlobe s snovjo polprevodnika bo rojstvo sekundarnega fotona, ki je po svojih parametrih in smeri gibanja enak fotonu, ki je sprožil prehod.

Za ustvarjanje laserskega sevanja je potrebno ustvariti inverzno populacijo "delovnih ravni" v polprevodniku - ustvariti dovolj visoko koncentracijo elektronov na spodnjem robu prevodnega pasu in s tem visoko koncentracijo lukenj na robu valenčnega pasu. Za te namene čisti polprevodniški laserji običajno uporabljajo črpanje z elektronskim žarkom.

Zrcala resonatorja so polirani robovi polprevodniškega kristala. Pomanjkljivost takšnih laserjev je v tem, da veliko polprevodniških materialov generira lasersko sevanje le pri zelo nizkih temperaturah, obstreljevanje polprevodniških kristalov z elektronskim žarkom pa povzroči njihovo močno segrevanje. To zahteva dodatne hladilne naprave, kar oteži zasnovo aparata in poveča njegove dimenzije.

Lastnosti dopiranih polprevodnikov se bistveno razlikujejo od lastnosti nedopiranih, čistih polprevodnikov. To je posledica dejstva, da atomi nekaterih nečistoč zlahka darujejo enega od svojih elektronov v prevodni pas. Te nečistoče imenujemo donorske nečistoče, polprevodnik s takšnimi nečistočami pa n-polprevodnik. Atomi drugih nečistoč, nasprotno, ujamejo en elektron iz valenčnega pasu in takšne nečistoče so akceptorji, polprevodnik s takšnimi nečistočami pa je p-polprevodnik. Energetska raven atomov nečistoč se nahaja znotraj pasovne vrzeli: pri n-polprevodnikih ni daleč od spodnjega roba prevodnega pasu, pri f-polprevodnikih je blizu zgornjega roba valenčnega pasu.

Če se v tem območju ustvari električna napetost, tako da je pozitiven pol na strani p-polprevodnika in negativni pol na strani n-polprevodnika, potem se pod delovanjem električnega polja elektroni iz n-polprevodnika -polprevodnik in luknje iz p-polprevodnika se bodo premaknile (vbrizgale) v območje rn - prehod.

Med rekombinacijo elektronov in lukenj se bodo oddajali fotoni, ob prisotnosti optičnega resonatorja pa je možno ustvarjanje laserskega sevanja.

Zrcala optičnega resonatorja so polirane ploskve polprevodniškega kristala, usmerjene pravokotno na pn spojno ravnino. Za takšne laserje je značilna miniaturizacija, saj so dimenzije polprevodniškega aktivnega elementa lahko približno 1 mm.

Odvisno od obravnavane značilnosti so vsi laserji razdeljeni na naslednji način).

Prvi znak. Običajno je razlikovati med laserskimi ojačevalniki in generatorji. V ojačevalnikih se na vhod dovaja šibko lasersko sevanje, na izhodu pa se ustrezno ojača. V generatorjih ni zunanjega sevanja, nastaja v delovni snovi zaradi njenega vzbujanja s pomočjo različnih virov črpalke. Vse medicinske laserske naprave so generatorji.

Drugi znak je fizikalno stanje delovne snovi. V skladu s tem so laserji razdeljeni na trdne (rubin, safir itd.), plinske (helij-neon, helij-kadmij, argon, ogljikov dioksid itd.), Tekoče (tekoči dielektrik z nečistočami delovnih atomov redkih zemeljske kovine) in polprevodnike (arzenid-galij, arzenid-fosfid-galij, selenid-svinec itd.).

Metoda vzbujanja delovne snovi je tretja značilnost laserjev. Glede na vir vzbujanja so laserji z optičnim črpanjem, s črpanjem zaradi plinskega razelektritve, elektronskim vzbujanjem, vbrizgavanjem nosilca naboja, s toplotnim, kemičnim črpanjem in nekateri drugi.

Emisijski spekter laserja je naslednji znak razvrstitve. Če je sevanje koncentrirano v ozkem območju valovnih dolžin, je običajno, da je laser monokromatski in je v njegovih tehničnih podatkih navedena določena valovna dolžina; če je v širokem območju, potem je treba laser šteti za širokopasovnega in navesti območje valovne dolžine.

Glede na naravo oddane energije ločimo impulzne laserje in laserje z neprekinjenimi valovi. Ne smemo zamenjevati konceptov impulznega laserja in laserja s frekvenčno modulacijo neprekinjenega sevanja, saj v drugem primeru dobimo pravzaprav diskontinuirano sevanje različnih frekvenc. Impulzni laserji imajo v posameznem impulzu visoko moč, ki doseže 10 W, medtem ko je njihova povprečna impulzna moč, določena z ustreznimi formulami, relativno nizka. Pri neprekinjenih laserjih s frekvenčno modulacijo je moč v tako imenovanem impulzu nižja od moči neprekinjenega sevanja.

Glede na povprečno izhodno moč sevanja (naslednja klasifikacijska značilnost) se laserji delijo na:

visokoenergijski (ustvarjena moč sevanja gostote pretoka na površini predmeta ali biološkega predmeta - več kot 10 W/cm2);

srednjeenergijska (ustvarjena moč sevanja gostote pretoka - od 0,4 do 10 W / cm2);

nizkoenergijski (ustvarjena moč sevanja gostote pretoka - manj kot 0,4 W/cm2).

Mehka (ustvarjena energijska izpostavljenost - E ali gostota pretoka moči na obsevani površini - do 4 mW/cm2);

povprečje (E - od 4 do 30 mW / cm2);

trdo (E - več kot 30 mW / cm2).

V skladu s sanitarnimi normativi in pravilniki za načrtovanje in delovanje laserjev št. 5804-91 so laserji glede na stopnjo nevarnosti ustvarjenega sevanja za operativno osebje razdeljeni v štiri razrede.

Prvorazredni laserji vključujejo takšne tehnične naprave, katerih izhodno kolimirano (vsebovano v omejenem trdnem kotu) sevanje ne predstavlja nevarnosti pri obsevanju za oči in kožo osebe.

Laserji drugega razreda so naprave, katerih izhodno sevanje je nevarno, če so izpostavljeni očem z neposrednim in zrcalno odbitim sevanjem.

Laserji tretjega razreda so naprave, katerih izhodno sevanje je nevarno, če so oči izpostavljene neposrednemu in zrcalno odbitemu, pa tudi difuzno odbitemu sevanju na razdalji 10 cm od difuzno odbojne površine in (ali) kadar je koža izpostavljena na neposredno in zrcalno odbito sevanje.

Laserji razreda 4 so naprave, katerih izhodno sevanje je nevarno, če je koža izpostavljena difuzno odbitemu sevanju na razdalji 10 cm od difuzno odbojne površine.