Laser — perangkat dan prinsip operasi

Perilaku normal cahaya ketika melewati media

Biasanya, ketika cahaya melewati suatu medium, intensitasnya berkurang. Nilai numerik redaman ini dapat ditemukan dari hukum Bouguer:

Dalam persamaan ini, selain intensitas cahaya I yang masuk dan keluar medium, ada juga faktor yang disebut koefisien serapan cahaya linier medium. Dalam optik tradisional, koefisien ini selalu positif.

Penyerapan cahaya negatif

Bagaimana jika karena alasan tertentu koefisien penyerapannya negatif? Lalu bagaimana? Akan ada amplifikasi cahaya saat melewati medium; sebenarnya, medium akan menunjukkan serapan negatif.

Kondisi untuk mengamati gambar seperti itu dapat dibuat secara artifisial. Konsep teoretis mengenai cara penerapan fenomena yang diusulkan dirumuskan pada tahun 1939 oleh fisikawan Soviet Valentin Alexandrovich Fabrikant.

Dalam proses menganalisis media penguat cahaya hipotetis yang melewatinya, Fabrikant mengusulkan prinsip penguatan cahaya. Dan pada tahun 1955fisikawan Soviet Nikolai Genadievich Basov dan Alexander Mikhailovich Prokhorov menerapkan ide Fabrikant ini ke wilayah frekuensi radio dari spektrum elektromagnetik.

Pertimbangkan sisi fisik dari kemungkinan penyerapan negatif. Dalam bentuk ideal, tingkat energi atom dapat direpresentasikan sebagai garis - seolah-olah atom di setiap keadaan hanya memiliki energi E1 dan E2 yang ditentukan secara ketat. Ini berarti bahwa ketika beralih dari satu keadaan ke keadaan lain, sebuah atom memancarkan atau menyerap cahaya monokromatik secara eksklusif dengan panjang gelombang yang ditentukan secara tepat.

Tetapi kenyataannya jauh dari ideal, dan pada kenyataannya tingkat energi atom memiliki lebar terbatas tertentu, yaitu, bukan garis nilai yang tepat. Oleh karena itu, selama transisi antar level, juga akan ada rentang tertentu dari frekuensi yang dipancarkan atau diserap dv, yang bergantung pada lebar level energi di mana transisi terjadi. Nilai E1 dan E2 hanya dapat digunakan untuk menunjukkan tingkat energi tengah atom.

Jadi, karena kita mengasumsikan bahwa E1 dan E2 adalah titik tengah tingkat energi, kita dapat mempertimbangkan sebuah atom dalam dua keadaan ini. Misalkan E2>E1. Sebuah atom dapat menyerap atau memancarkan radiasi elektromagnetik ketika melewati antara tingkat ini. Misalkan, berada dalam keadaan dasar E1, sebuah atom menyerap radiasi eksternal dengan energi E2-E1 dan beralih ke keadaan tereksitasi E2 (kemungkinan transisi semacam itu sebanding dengan koefisien Einstein B12).

Berada dalam keadaan tereksitasi E2, atom di bawah aksi radiasi eksternal dengan energi E2-E1 memancarkan kuantum dengan energi E2-E1 dan dipaksa untuk beralih ke keadaan dasar dengan energi E1 (kemungkinan transisi semacam itu sebanding dengan koefisien Einstein B21).

Jika seberkas radiasi monokromatik paralel dengan kerapatan spektral volume w (v) melewati suatu zat yang lapisannya memiliki satuan luas penampang dan ketebalan dx, maka intensitasnya akan berubah dengan nilai:

Di sini n1 adalah konsentrasi atom dalam keadaan E1, n2 adalah konsentrasi atom dalam keadaan E2.

Mengganti kondisi di sisi kanan persamaan, dengan asumsi bahwa B21 = B12, dan kemudian mengganti ekspresi untuk B21, kita mendapatkan persamaan untuk perubahan intensitas cahaya pada tingkat energi yang sempit:

Dalam praktiknya, seperti disebutkan di atas, tingkat energi tidak sempit tak terhingga, sehingga lebarnya harus diperhitungkan. Agar tidak mengacaukan artikel dengan deskripsi transformasi dan kumpulan rumus, kami hanya mencatat bahwa dengan memasukkan rentang frekuensi dan kemudian mengintegrasikannya ke x, kami akan mendapatkan rumus untuk menemukan koefisien penyerapan nyata dari rata-rata:

Karena jelas bahwa dalam kondisi kesetimbangan termodinamika, konsentrasi n1 atom dalam keadaan energi lebih rendah E1 selalu lebih besar daripada konsentrasi n2 atom dalam keadaan lebih tinggi E2, penyerapan negatif tidak mungkin dalam kondisi normal, tidak mungkin untuk memperkuat ringan hanya dengan melewati lingkungan nyata tanpa melakukan tindakan ekstra apa pun...

Agar penyerapan negatif menjadi mungkin, perlu dibuat kondisi ketika konsentrasi atom dalam keadaan tereksitasi E2 dalam medium akan lebih besar daripada konsentrasi atom dalam keadaan dasar E1, yaitu perlu diatur distribusi terbalik atom-atom dalam medium menurut keadaan energinya.

Kebutuhan akan pemompaan energi lingkungan

Untuk mengatur populasi tingkat energi terbalik (untuk mendapatkan media aktif) pemompaan (misalnya optik atau listrik) digunakan. Pemompaan optik melibatkan penyerapan radiasi yang diarahkan padanya oleh atom, yang menyebabkan atom-atom ini masuk ke keadaan tereksitasi.

Pemompaan listrik dalam media gas melibatkan eksitasi atom melalui tumbukan inelastis dengan elektron dalam pelepasan gas. Menurut Fabrikant, beberapa keadaan atom berenergi rendah harus dihilangkan melalui pengotor molekuler.

Praktis tidak mungkin untuk mendapatkan media aktif menggunakan pemompaan optik dalam media dua tingkat, karena secara kuantitatif transisi atom per satuan waktu dari keadaan E1 ke keadaan E2 dan sebaliknya (!) dalam hal ini akan setara, yang berarti bahwa perlu menggunakan setidaknya sistem tiga tingkat.

Pertimbangkan sistem pemompaan tiga tahap. Biarkan radiasi eksternal dengan energi foton E3-E1 bekerja pada medium sementara atom dalam medium berpindah dari keadaan dengan energi E1 ke keadaan dengan energi E3. Dari keadaan energi E3, transisi spontan ke keadaan E2 dan ke E1 dimungkinkan. Untuk mendapatkan populasi terbalik (ketika ada lebih banyak atom dengan tingkat E2 dalam media tertentu), tingkat E2 perlu dibuat lebih lama daripada E3. Untuk ini, penting untuk mematuhi ketentuan berikut:

Kesesuaian dengan kondisi ini akan berarti bahwa atom dalam keadaan E2 bertahan lebih lama, yaitu kemungkinan transisi spontan dari E3 ke E1 dan dari E3 ke E2 melebihi kemungkinan transisi spontan dari E2 ke E1. Kemudian level E2 akan menjadi lebih tahan lama, dan keadaan seperti itu di level E2 dapat disebut metastabil. Oleh karena itu, ketika cahaya dengan frekuensi v = (E3 — E1) / jam melewati media aktif tersebut, cahaya ini akan diperkuat. Demikian pula, sistem empat tingkat dapat digunakan, maka tingkat E3 akan menjadi metastabil.

Perangkat laser

Dengan demikian, laser mencakup tiga komponen utama: media aktif (di mana inversi populasi dari tingkat energi atom dibuat), sistem pemompaan (perangkat untuk memperoleh inversi populasi) dan resonator optik (yang memperkuat radiasi berkali-kali dan membentuk pancaran terarah dari keluaran). Media aktif dapat berupa padat, cair, gas atau plasma.

Pemompaan dilakukan terus menerus atau berdenyut. Dengan pemompaan terus menerus, pasokan media dibatasi oleh media yang terlalu panas dan konsekuensi dari panas berlebih ini. Dalam pemompaan berdenyut, energi berguna yang dimasukkan sedikit demi sedikit ke dalam media diperoleh lebih banyak karena daya yang besar dari setiap pulsa individu.

Laser yang berbeda — pemompaan yang berbeda

Laser solid-state dipompa dengan menyinari media kerja dengan kilatan pelepasan gas yang kuat, sinar matahari terfokus, atau laser lain. Ini selalu memompa karena daya sangat tinggi sehingga batang kerja akan runtuh di bawah tindakan terus menerus.

Laser cair dan gas dipompa dengan pelepasan listrik.Laser kimia mengasumsikan terjadinya reaksi kimia dalam media aktifnya, akibatnya populasi atom terbalik diperoleh baik dari produk reaksi atau dari pengotor khusus dengan struktur level yang sesuai.

Laser semikonduktor dipompa oleh arus maju melalui persimpangan pn atau oleh berkas elektron. Selain itu, ada metode pemompaan seperti fotodisosiasi atau metode dinamika gas (pendinginan mendadak gas panas).

Resonator optik — jantung dari laser

Resonator optik adalah sistem sepasang cermin, dalam kasus paling sederhana, dua cermin (cekung atau paralel) dipasang berlawanan satu sama lain, dan di antara mereka sepanjang sumbu optik umum ada media aktif dalam bentuk kristal atau a kuvet dengan gas. Foton yang melewati suatu sudut melalui medium meninggalkannya di samping, dan foton yang bergerak di sepanjang sumbu, dipantulkan berkali-kali, diperkuat dan keluar melalui cermin tembus cahaya.

Ini menghasilkan radiasi laser - sinar foton yang koheren - sinar yang diarahkan dengan ketat. Selama satu lintasan cahaya di antara cermin, besarnya penguatan harus melebihi ambang tertentu - jumlah kehilangan radiasi melalui cermin kedua (semakin baik cermin mentransmisikan, semakin tinggi ambang ini).

Agar amplifikasi cahaya dapat dilakukan secara efektif, perlu tidak hanya untuk meningkatkan jalur cahaya di dalam media aktif, tetapi juga untuk memastikan bahwa gelombang yang meninggalkan resonator berada dalam fase satu sama lain, maka gelombang yang mengganggu akan memberikan amplitudo maksimum yang mungkin.

Untuk mencapai tujuan ini, setiap gelombang dalam resonator harus kembali ke titik pada cermin sumber dan secara umum, pada titik mana pun dalam media aktif, berada dalam fase dengan gelombang primer setelah sejumlah refleksi sempurna yang sewenang-wenang. . Ini dimungkinkan ketika jalur optik yang dilalui oleh gelombang antara dua pengembalian memenuhi kondisi:

di mana m adalah bilangan bulat, dalam hal ini beda fasa akan menjadi kelipatan 2P:

Sekarang, karena masing-masing gelombang berbeda fase dari yang sebelumnya sebesar 2pi, ini berarti bahwa semua gelombang yang meninggalkan resonator akan berada dalam fase satu sama lain, memberikan interferensi amplitudo maksimum. Resonator akan memiliki radiasi paralel hampir monokromatik pada keluarannya.

Pengoperasian cermin di dalam resonator akan memberikan amplifikasi mode yang sesuai dengan gelombang berdiri di dalam resonator; mode lain (muncul karena kekhasan kondisi nyata) akan melemah.

Laser Ruby — keadaan padat pertama

Perangkat solid-state pertama dibangun pada tahun 1960 oleh fisikawan Amerika Theodore Maiman. Itu adalah laser ruby ​​​​(ruby - Al2O3, di mana beberapa situs kisi - dalam 0,5% - diganti dengan kromium terionisasi tiga kali; semakin banyak kromium, semakin gelap warna kristal ruby).

Laser kerja pertama yang berhasil dirancang oleh Dr. Ted Mayman pada tahun 1960.

Silinder ruby ​​​​yang terbuat dari kristal paling homogen, dengan diameter 4 hingga 20 mm dan panjang 30 hingga 200 mm, ditempatkan di antara dua cermin yang dibuat dalam bentuk lapisan perak yang diaplikasikan pada ujung yang dipoles dengan hati-hati. silinder. Lampu pelepasan gas berbentuk spiral mengelilingi silinder sepanjang panjangnya dan disuplai dengan tegangan tinggi melalui kapasitor.

Saat lampu dinyalakan, batu rubi disinari secara intens, sedangkan atom kromium bergerak dari level 1 ke level 3 (mereka berada dalam keadaan tereksitasi kurang dari 10-7 detik), di sinilah kemungkinan besar transisi ke level 2 direalisasikan — ke level metastabil. Energi berlebih ditransfer ke kisi kristal ruby. Transisi spontan dari level 3 ke level 1 tidak signifikan.

Transisi dari level 2 ke level 1 dilarang oleh aturan pemilihan, jadi durasi level ini sekitar 10-3 detik, yang 10.000 kali lebih lama dari level 3, akibatnya, atom menumpuk di ruby ​​​​dengan level 2 — ini adalah populasi kebalikan dari level 2.

Secara spontan muncul selama transisi spontan, foton dapat menyebabkan transisi paksa dari level 2 ke level 1 dan memicu longsoran foton sekunder, tetapi transisi spontan ini acak dan fotonnya menyebar secara acak, sebagian besar meninggalkan resonator melalui dinding sampingnya.

Tetapi foton yang mengenai sumbu mengalami banyak pantulan dari cermin, secara bersamaan menyebabkan emisi paksa foton sekunder, yang lagi-lagi memicu emisi terstimulasi, dan seterusnya. Foton ini akan bergerak ke arah yang mirip dengan yang utama dan fluks sepanjang sumbu kristal akan meningkat seperti longsoran salju.

Aliran foton yang berlipat ganda akan keluar melalui cermin tembus samping dari resonator dalam bentuk berkas cahaya terarah dengan intensitas kolosal. Laser ruby ​​​​beroperasi pada panjang gelombang 694,3 nm, sedangkan daya pulsa bisa mencapai 109 W

Laser neon dengan helium

Laser helium-neon (helium / neon = 10/1) adalah salah satu laser gas yang paling populer. Tekanan dalam campuran gas adalah sekitar 100 Pa.Neon berfungsi sebagai gas aktif, menghasilkan foton dengan panjang gelombang 632,8 nm dalam mode kontinyu. Fungsi helium adalah untuk menciptakan populasi terbalik dari salah satu tingkat energi atas neon. Lebar spektrum laser semacam itu sekitar 5 * 10-3 Hz Panjang koherensi 6 * 1011 m, waktu koherensi 2 * 103 ° C.

Ketika laser helium-neon dipompa, pelepasan listrik bertegangan tinggi menginduksi transisi atom helium ke keadaan eksitasi metastabil tingkat E2. Atom helium ini bertabrakan secara inelastis dengan atom neon dalam keadaan dasar E1, mentransfer energinya. Energi tingkat E4 neon lebih tinggi dari tingkat E2 helium sebesar 0,05 eV. Kurangnya energi dikompensasi oleh energi kinetik dari tumbukan atom. Akibatnya, pada level E4 neon, populasi terbalik sehubungan dengan level E3 diperoleh.

Jenis laser modern

Menurut keadaan media aktifnya, laser dibagi menjadi: padat, cair, gas, semikonduktor, dan juga kristal. Menurut metode pemompaan, mereka dapat berupa: pelepasan optik, kimia, gas. Berdasarkan sifat generasinya, laser dibagi menjadi: kontinu dan berdenyut. Jenis laser ini memancarkan radiasi dalam rentang spektrum elektromagnetik yang terlihat.

Laser optik muncul lebih lambat dari yang lain. Mereka mampu menghasilkan radiasi dalam rentang inframerah-dekat, radiasi semacam itu (pada panjang gelombang hingga 8 mikron) sangat cocok untuk komunikasi optik. Laser optik mengandung serat di inti yang beberapa ion elemen tanah jarang yang cocok telah diperkenalkan.

Panduan cahaya, seperti jenis laser lainnya, dipasang di antara sepasang cermin.Untuk pemompaan, radiasi laser dengan panjang gelombang yang dibutuhkan dimasukkan ke dalam serat, sehingga ion-ion unsur tanah jarang masuk ke keadaan tereksitasi di bawah aksinya. Kembali ke keadaan energi yang lebih rendah, ion-ion ini memancarkan foton dengan panjang gelombang yang lebih panjang daripada laser yang memulai.

Dengan cara ini, serat bertindak sebagai sumber sinar laser. Frekuensinya bergantung pada jenis unsur tanah jarang yang ditambahkan. Serat itu sendiri terbuat dari fluorida logam berat, yang menghasilkan generasi radiasi laser yang efisien pada frekuensi rentang inframerah.

Laser sinar-X menempati sisi spektrum yang berlawanan - antara ultraviolet dan gamma - ini adalah urutan besaran dengan panjang gelombang dari 10-7 hingga 10-12 m Laser jenis ini memiliki kecerahan pulsa tertinggi dari semua jenis laser.

Laser sinar-X pertama dibangun pada tahun 1985 di AS, di Laboratorium Livermore. Lawrence. Laser dihasilkan pada ion selenium, rentang panjang gelombang dari 18,2 hingga 26,3 nm, dan kecerahan tertinggi jatuh pada garis panjang gelombang 20,63 nm. Saat ini, radiasi laser dengan panjang gelombang 4,6 nm telah dicapai dengan ion aluminium.

Laser sinar-X dihasilkan oleh pulsa dengan durasi 100 ps hingga 10 ns, yang bergantung pada masa pembentukan plasma.

Faktanya adalah bahwa media aktif laser sinar-X adalah plasma yang sangat terionisasi, yang diperoleh, misalnya, ketika lapisan tipis yttrium dan selenium disinari dengan laser berkekuatan tinggi dalam spektrum tampak atau inframerah.

Energi laser sinar-X dalam pulsa mencapai 10 mJ, sedangkan divergensi sudut dalam berkas kira-kira 10 milliradian. Rasio daya pompa terhadap radiasi langsung adalah sekitar 0,00001.