레이저 - 장치 및 작동 원리

매질을 통과할 때 빛의 정상적인 동작

일반적으로 빛이 매질을 통과하면 강도가 감소합니다. 이 감쇠의 수치는 Bouguer의 법칙에서 찾을 수 있습니다.

이 방정식에는 매질에 들어오고 나가는 빛의 강도 외에도 매질의 선형 광 흡수 계수라는 요소가 있습니다. 전통적인 광학에서 이 계수는 항상 양수입니다.

부정적인 빛 흡수

어떤 이유로 흡수 계수가 음수이면 어떻게 됩니까? 그럼? 빛이 매질을 통과할 때 증폭이 있을 것입니다. 실제로 매체는 음의 흡수를 보일 것입니다.

그러한 그림을 관찰하기 위한 조건은 인위적으로 만들 수 있습니다. 제안된 현상을 구현하는 방법에 관한 이론적 개념은 1939년 소련의 물리학자 발렌틴 알렉산드로비치 파브리칸트에 의해 공식화되었습니다.

이를 통과하는 가상의 광 증폭 매체를 분석하는 과정에서 Fabrikant는 광 증폭의 원리를 제안했습니다. 그리고 1955년소련의 물리학자 Nikolai Genadievich Basov와 Alexander Mikhailovich Prokhorov는 이 Fabrikant 아이디어를 전자기 스펙트럼의 무선 주파수 영역에 적용했습니다.

부정적인 흡수 가능성의 물리적 측면을 고려하십시오. 이상화된 형태에서 원자의 에너지 준위는 마치 각 상태의 원자가 엄격하게 정의된 에너지 E1과 E2만 있는 것처럼 선으로 나타낼 수 있습니다. 이것은 상태에서 상태로 전이할 때 원자가 정확하게 정의된 파장의 단색광만을 방출하거나 흡수한다는 것을 의미합니다.

그러나 현실은 이상과는 거리가 멀고 사실 원자의 에너지 준위는 일정한 폭을 가지고 있습니다. 즉, 정확한 값의 선이 아닙니다. 따라서 레벨 사이의 전환 중에 전환이 발생하는 에너지 레벨의 폭에 따라 방출되거나 흡수되는 특정 범위의 주파수 dv도 있습니다. E1과 E2의 값은 원자의 중간 에너지 준위만을 나타내는 데 사용할 수 있습니다.

따라서 E1과 E2가 에너지 준위의 중간점이라고 가정했기 때문에 이 두 상태의 원자를 고려할 수 있습니다. E2>E1이라고 하자. 원자는 이 준위 사이를 통과할 때 전자기 복사를 흡수하거나 방출할 수 있습니다. 바닥 상태 E1에 있는 원자가 에너지 E2-E1로 외부 방사선을 흡수하고 여기 상태 E2로 전달되었다고 가정합니다(이러한 전이 확률은 아인슈타인 계수 B12에 비례함).

여기 상태 E2에 있기 때문에 에너지 E2-E1의 외부 복사 작용을 받는 원자는 에너지 E2-E1의 양자를 방출하고 에너지 E1의 바닥 상태로 강제 전환됩니다(이러한 전환 확률은 아인슈타인 계수 B21).

체적 스펙트럼 밀도가 w(v)인 단색 방사선의 평행 빔이 단위 단면적과 두께 dx를 갖는 층을 가진 물질을 통과하면 강도는 다음 값만큼 변경됩니다.

여기서 n1은 E1 상태의 원자 농도이고, n2는 E2 상태의 원자 농도입니다.

B21 = B12라고 가정하고 방정식의 오른쪽에 있는 조건을 대입한 다음 B21에 대한 식을 대입하면 좁은 에너지 수준에서 광도의 변화에 ​​대한 방정식을 얻습니다.

실제로 위에서 언급한 바와 같이 에너지 준위는 무한히 좁지 않으므로 그 폭을 고려해야 합니다. 변환에 대한 설명과 많은 수식으로 기사를 어지럽히지 않기 위해 주파수 범위를 입력한 다음 x에 대해 적분하면 평균의 실제 흡수 계수를 찾는 공식으로 끝납니다.

열역학적 평형 조건에서 더 낮은 에너지 상태 E1의 원자 농도 n1은 더 높은 상태 E2의 원자 농도 n2보다 항상 더 크므로 정상적인 조건에서는 음의 흡수가 불가능하므로 증폭이 불가능합니다. 별도의 조치 없이 실제 환경을 통과하는 것만으로도 가벼운...

음의 흡수가 가능해지려면 매체에서 여기 상태 E2의 원자 농도가 바닥 상태 E1의 원자 농도보다 클 때 조건을 만들어야 합니다. 에너지 상태에 따라 매체에서 원자의 역 분포.

환경 에너지 펌핑의 필요성

반전된 에너지 수준 집단을 구성하기 위해(활성 매질을 얻기 위해) 펌핑(예: 광학 또는 전기)이 사용됩니다. 광 펌핑은 원자에 의해 그들에게 향하는 방사선의 흡수를 포함하며, 이로 인해 이러한 원자는 여기 상태가 됩니다.

기체 매질에서의 전기적 펌핑은 기체 방전에서 전자와의 비탄성 충돌에 의한 원자의 여기를 포함합니다. Fabrikant에 따르면 원자의 저에너지 상태 중 일부는 분자 불순물을 통해 제거되어야 합니다.

이 경우 상태 E1에서 상태 E2로 또는 그 반대로 (!) 단위 시간당 원자의 양적 전이가 동일하기 때문에 2 레벨 매체에서 광학 펌핑을 사용하여 활성 매체를 얻는 것은 실제로 불가능합니다. 즉, 최소한 3계층 시스템에 의존해야 합니다.

3단계 펌핑 시스템을 고려하십시오. 광자 에너지 E3-E1을 가진 외부 방사선이 매질에 작용하도록 하고 매질의 원자는 에너지 E1 상태에서 에너지 E3 상태로 이동합니다. E3 에너지 상태에서 E2 상태 및 E1 상태로의 자발적인 전환이 가능합니다. 거꾸로 된 모집단을 얻으려면 (주어진 매체에 E2 수준의 원자가 더 많은 경우) E2 수준을 E3보다 오래 유지해야 합니다. 이를 위해서는 다음 조건을 준수하는 것이 중요합니다.

이러한 조건을 준수한다는 것은 E2 상태의 원자가 더 오래 유지됨을 의미합니다. 즉, E3에서 E1으로, E3에서 E2로의 자발적 전이 확률이 E2에서 E1로의 자발적 전이 확률을 초과합니다. 그런 다음 E2 수준은 더 오래 지속되는 것으로 판명되며 E2 수준의 이러한 상태를 준 안정이라고 할 수 있습니다. 따라서 주파수 v = (E3 — E1) / h인 빛이 이러한 활성 매질을 통과하면 이 빛이 증폭됩니다. 마찬가지로 4단계 시스템을 사용할 수 있으며 그러면 E3 수준이 준안정 상태가 됩니다.

레이저 장치

따라서 레이저는 세 가지 주요 구성 요소를 포함합니다. 활성 매질(원자 에너지 준위의 인구 반전이 생성됨), 펌핑 시스템(집단 반전을 얻기 위한 장치) 및 광학 공진기(방사선을 증폭하는 장치) 여러 번 출력의 지향성 빔을 형성합니다). 활성 매체는 고체, 액체, 기체 또는 플라즈마일 수 있습니다.

펌핑은 지속적으로 또는 펄스로 수행됩니다. 지속적인 펌핑을 사용하면 매체의 과열과 이 과열의 결과로 인해 매체의 공급이 제한됩니다. 펄스 펌핑에서 매질에 조금씩 도입되는 유용한 에너지는 각 개별 펄스의 큰 전력으로 인해 더 많이 얻습니다.

다른 레이저 - 다른 펌핑

고체 레이저는 강력한 가스 방출 섬광, 집중된 햇빛 또는 다른 레이저로 작동 매체를 조사하여 펌핑됩니다. 출력이 너무 높아 연속 동작 시 작업 막대가 붕괴되기 때문에 이것은 항상 펄스 펌핑입니다.

액체 및 가스 레이저는 전기 방전으로 펌핑됩니다.화학 레이저는 활성 매질에서 화학 반응이 발생한다고 가정하며, 그 결과 반전된 원자 집단이 반응 생성물 또는 적절한 레벨 구조를 가진 특수 불순물로부터 얻어집니다.

반도체 레이저는 pn 접합을 통한 순방향 전류 또는 전자빔에 의해 펌핑됩니다. 또한 광해리 또는 가스 역학 방법(가열된 가스의 급격한 냉각)과 같은 펌핑 방법이 있습니다.

광학 공진기 — 레이저의 핵심

광학 공진기는 한 쌍의 거울로 구성된 시스템으로, 가장 간단한 경우 두 개의 거울(오목 또는 평행)이 서로 반대 방향으로 고정되어 있고 공통 광축을 따라 두 거울 사이에 결정 형태의 활성 매질이 있습니다. 가스가 있는 큐벳. 매질을 비스듬히 통과하는 광자는 측면에 남기고 축을 따라 이동하는 광자는 여러 번 반사되어 증폭되어 반투명 거울을 통해 빠져나갑니다.

이것은 레이저 방사선(결맞는 ​​광자 빔)을 생성하며 엄격하게 지향된 빔입니다. 거울 사이에 빛이 한 번 통과하는 동안 이득의 크기는 특정 임계값, 즉 두 번째 거울을 통한 복사 손실량을 초과해야 합니다(거울이 더 잘 투과할수록 이 임계값은 높아야 함).

빛의 증폭이 효과적으로 수행되기 위해서는 활성 매질 내부의 빛의 경로를 증가시킬 뿐만 아니라 공진기를 떠나는 파동이 서로 위상이 일치하도록 해야 합니다. 가능한 최대 진폭.

이 목표를 달성하려면 소스 미러의 한 지점으로 돌아가는 공진기의 각 파동과 일반적으로 활성 매체의 임의의 지점에서 임의의 수의 완벽한 반사 후에 기본 파동과 위상이 같아야 합니다. . 이는 두 반사 사이의 파동이 이동하는 광경로가 다음 조건을 충족할 때 가능합니다.

여기서 m은 정수이고, 이 경우 위상차는 2P의 배수가 됩니다.

이제 각 파동은 이전 파동과 2pi만큼 위상이 다르기 때문에 공진기를 떠나는 모든 파동은 서로 동위상이 되어 최대 진폭 간섭을 제공합니다. 공진기는 출력에서 ​​거의 단색의 병렬 방사를 갖습니다.

공진기 내부의 미러 작동은 공진기 내부의 정재파에 해당하는 모드의 증폭을 제공합니다. 다른 모드(실제 조건의 특성으로 인해 발생)는 약화됩니다.

루비 레이저 — 최초의 고체 상태

최초의 고체 장치는 1960년 미국의 물리학자 Theodore Maiman이 만들었습니다. 그것은 루비 레이저였습니다 (0.5 % 이내의 일부 격자 사이트가 삼중 이온화 된 크롬으로 대체되는 루비 - Al2O3, 크롬이 많을수록 루비 결정의 색상이 더 어두워짐).

1960년 Ted Mayman 박사가 설계한 최초의 성공적인 작동 레이저.

직경 4~20mm, 길이 30~200mm의 가장 균일한 결정으로 만든 루비 실린더를 이 거울의 끝부분을 세심하게 연마한 은층 형태로 만든 두 개의 거울 사이에 끼운다. 실린더. 나선형 가스 방전 램프는 전체 길이를 따라 실린더를 둘러싸고 있으며 커패시터를 통해 고전압이 공급됩니다.

램프가 켜지면 루비가 강렬하게 조사되는 반면 크롬 원자는 수준 1에서 수준 3으로 이동합니다(이 흥분 상태는 10-7초 미만). 수준 2는 준안정 수준으로 실현됩니다. 과도한 에너지는 루비 결정 격자로 전달됩니다. 레벨 3에서 레벨 1로의 자발적인 전환은 중요하지 않습니다.

레벨 2에서 레벨 1로의 전환은 선택 규칙에 의해 금지되어 있으므로 이 레벨의 지속 시간은 레벨 3보다 10,000배 더 긴 10-3초 정도이며, 결과적으로 레벨 2의 루비에는 원자가 축적됩니다 — 이것은 레벨 2의 역 모집단입니다.

자발적 전환 중에 자발적으로 발생하는 광자는 레벨 2에서 레벨 1로의 강제 전환을 유발하고 2차 광자의 눈사태를 유발할 수 있지만 이러한 자발적 전환은 무작위이며 광자가 혼란스럽게 전파되어 대부분 공진기를 측벽을 통해 떠납니다.

그러나 축에 부딪힌 광자는 거울에서 다중 반사를 겪으면서 동시에 2차 광자의 강제 방출을 일으키고, 이는 다시 유도 방출을 유발합니다. 이 광자는 기본 광자와 유사한 방향으로 이동하고 결정 축을 따라 플럭스는 눈사태처럼 증가합니다.

증폭된 광자의 흐름은 공진기의 측면 반투명 거울을 통해 엄청난 강도의 엄격한 지향성 광선 형태로 빠져나갑니다. 루비 레이저는 694.3nm의 파장에서 작동하는 반면 펄스 전력은 최대 109W까지 가능합니다.

헬륨 네온 레이저

헬륨-네온(헬륨/네온 = 10/1) 레이저는 가장 널리 사용되는 가스 레이저 중 하나입니다. 가스 혼합물의 압력은 약 100 Pa입니다.네온은 활성 가스 역할을 하며 연속 모드에서 632.8nm 파장의 광자를 생성합니다. 헬륨의 기능은 네온의 상위 에너지 수준 중 하나에서 반전 인구를 생성하는 것입니다. 이러한 레이저의 스펙트럼 폭은 약 5 * 10-3Hz 간섭 길이 6 * 1011m, 간섭 시간 2 * 103 ° C입니다.

헬륨-네온 레이저가 펌핑되면 고전압 전기 방전이 헬륨 원자를 E2 준위의 준안정 여기 상태로 전이하도록 유도합니다. 이 헬륨 원자는 E1 바닥 상태의 네온 원자와 비탄력적으로 충돌하여 에너지를 전달합니다. 네온의 E4 준위의 에너지는 헬륨의 E2 준위보다 0.05eV 더 높습니다. 에너지 부족은 원자 충돌의 운동 에너지로 보상됩니다. 그 결과, 네온의 E4 수준에서 E3 수준에 대한 반전된 모집단이 얻어진다.

최신 레이저의 종류

활성 매체의 상태에 따라 레이저는 고체, 액체, 기체, 반도체 및 결정으로 나뉩니다. 펌핑 방법에 따라 광학, 화학, 가스 배출이 될 수 있습니다. 세대의 특성에 따라 레이저는 연속 및 펄스로 나뉩니다. 이러한 유형의 레이저는 전자기 스펙트럼의 가시 범위에서 방사선을 방출합니다.

광학 레이저는 다른 것보다 늦게 나타났습니다. 그들은 근적외선 범위에서 방사선을 생성할 수 있으며, 이러한 방사선(최대 8미크론의 파장)은 광통신에 매우 적합합니다. 광학 레이저는 코어에 적합한 희토류 원소의 여러 이온이 도입된 섬유를 포함합니다.

광 가이드는 다른 유형의 레이저와 마찬가지로 한 쌍의 거울 사이에 설치됩니다.펌핑을 위해 필요한 파장의 레이저 방사선이 파이버에 공급되어 희토류 원소의 이온이 작용 하에 여기 상태가 됩니다. 더 낮은 에너지 상태로 돌아가면서 이 이온들은 초기 레이저보다 더 긴 파장의 광자를 방출합니다.

이러한 방식으로 섬유는 레이저 광원 역할을 합니다. 빈도는 추가된 희토류 원소의 유형에 따라 다릅니다. 섬유 자체는 중금속 불화물로 만들어져 적외선 범위의 주파수에서 레이저 방사선을 효율적으로 생성합니다.

X선 레이저는 스펙트럼의 반대편(자외선과 감마 사이)을 차지하며 파장이 10-7에서 10-12m인 크기의 순서입니다. 이 유형의 레이저는 모든 유형의 레이저 중에서 펄스 밝기가 가장 높습니다.

최초의 X선 레이저는 1985년 미국 리버모어 연구소에서 제작되었습니다. 로렌스. 셀레늄 이온에서 생성된 레이저는 파장 범위가 18.2~26.3nm이며 가장 높은 휘도는 20.63nm의 파장 라인에 해당합니다. 오늘날 파장이 4.6nm인 레이저 방사는 알루미늄 이온으로 이루어졌습니다.

X선 레이저는 플라즈마 형성의 수명에 따라 달라지는 100ps ~ 10ns 지속 시간의 펄스에 의해 생성됩니다.

사실 X선 레이저의 활성 매질은 고도로 이온화된 플라즈마이며, 예를 들어 이트륨과 셀레늄 박막이 가시광선 또는 적외선 스펙트럼의 고출력 레이저로 조사될 때 얻어집니다.

펄스에서 X선 ​​레이저의 에너지는 10mJ에 도달하는 반면 빔의 각도 발산은 약 10밀리라디안입니다. 직접 복사에 대한 펌프 전력의 비율은 약 0.00001입니다.