El primer principi del làser, la física del qual es basava en la llei de la radiació de Planck, va ser corroborat teòricament per Einstein el 1917. Va descriure l'absorció, la radiació electromagnètica espontània i estimulada mitjançant coeficients de probabilitat (coeficients d'Einstein).
Pioneers
Theodor Meiman va ser el primer a demostrar el principi de funcionament d'un làser de robí basat en el bombeig òptic de robí sintètic amb una làmpada de flaix, que produïa una radiació coherent polsada amb una longitud d'ona de 694 nm.
El 1960, els científics iranians Javan i Bennett van crear el primer generador quàntic de gas utilitzant una barreja 1:10 de gasos He i Ne.
El 1962, RN Hall va demostrar el primer làser díode d'arsenur de gal·li (GaAs) que emetia a una longitud d'ona de 850 nm. Més tard aquell any, Nick Golonyak va desenvolupar el primer generador quàntic de llum visible de semiconductor.
Disseny i principi de funcionament dels làsers
Cada sistema làser consta d'un medi actiu col·locatentre un parell de miralls òpticament paral·lels i molt reflectants, un dels quals és translúcid, i una font d'energia per al seu bombeig. El medi d'amplificació pot ser sòlid, líquid o gasós, que té la propietat d'amplificar l'amplitud d'una ona lluminosa que el travessa per emissió estimulada amb bombeig elèctric o òptic. Es col·loca una substància entre un parell de miralls de manera que la llum reflectida en ells la travessa cada cop i, havent assolit una amplificació important, penetri en un mirall translúcid.
Entorns de dos nivells
Considerem el principi de funcionament d'un làser amb un medi actiu, els àtoms del qual només tenen dos nivells d'energia: E excitat2 i E1 bàsic . Si els àtoms són excitats a l'estat E2 per qualsevol mecanisme de bombeig (òptica, descàrrega elèctrica, transmissió de corrent o bombardeig d'electrons), després d'uns pocs nanosegons tornaran a la posició del sòl, emetent fotons. d'energia hν=E 2 - E1. Segons la teoria d'Einstein, l'emissió es produeix de dues maneres diferents: o bé és induïda per un fotó o bé es produeix espontàniament. En el primer cas es produeix l'emissió estimulada, i en el segon, l'emissió espontània. En equilibri tèrmic, la probabilitat d'emissió estimulada és molt menor que l'emissió espontània (1:1033), de manera que la majoria de les fonts de llum convencionals són incoherents i la generació làser és possible en condicions diferents de la tèrmica. equilibri.
Fins i tot amb molt fortbombament, la població dels sistemes de dos nivells només es pot igualar. Per tant, calen sistemes de tres o quatre nivells per aconseguir la inversió de la població mitjançant mètodes òptics o altres de bombeig.
Sistemes multinivell
Quin és el principi del làser de tres nivells? La irradiació amb llum intensa de freqüència ν02 bombeja un gran nombre d'àtoms des del nivell d'energia més baix E0 fins al nivell d'energia més alt E 2. La transició no radiativa dels àtoms d'E2 a E1 estableix una inversió de població entre E1 i E 0 , que a la pràctica només és possible quan els àtoms estan en un estat metaestable durant molt de temps E1, i la transició de E2 Dea E 1 va ràpid. El principi de funcionament d'un làser de tres nivells és complir aquestes condicions, per la qual cosa entre E0 i E1 s'aconsegueix una inversió de població i fotons. s'amplifica per l'energia E 1-E0 emissió induïda. Un nivell més ampli d'E2 podria augmentar el rang d'absorció de la longitud d'ona per a un bombeig més eficient, donant lloc a un augment de l'emissió estimulada.
El sistema de tres nivells requereix una potència de bomba molt elevada, ja que el nivell inferior implicat en la generació és el de base. En aquest cas, perquè es produeixi la inversió de població, més de la meitat del nombre total d'àtoms s'ha de bombejar a l'estat E1. En fer-ho, es malgasta energia. La potència de bombeig pot ser significativadisminueix si el nivell de generació inferior no és el de base, que requereix almenys un sistema de quatre nivells.
Depenent de la naturalesa de la substància activa, els làsers es divideixen en tres categories principals, a saber, sòlid, líquid i gasós. Des de 1958, quan es va observar per primera vegada el làser en un cristall de robí, els científics i investigadors han estudiat una gran varietat de materials en cada categoria.
Laser d'estat sòlid
El principi de funcionament es basa en l'ús d'un medi actiu, que es forma afegint un metall de grup de transició a la xarxa cristal·lina aïllant (Ti+3, Cr +3, V+2, С+2, Ni+2, Fe +2, etc.), ions de terres rares (Ce+3, Pr+3, Nd +3, Pm+3, Sm+2, Eu +2, +3 , Tb+3, Dy+3, Ho+3 , Er +3, Yb+3, etc.), i actínids com U+3. Els nivells d'energia dels ions només són responsables de la generació. Les propietats físiques del material base, com la conductivitat tèrmica i l'expansió tèrmica, són essencials per a un funcionament eficient del làser. La disposició dels àtoms de la xarxa al voltant d'un ió dopat modifica els seus nivells d'energia. S'aconsegueixen diferents longituds d'ona de generació en el medi actiu dopant diferents materials amb el mateix ió.
Làser holmi
Un exemple de làser d'estat sòlid és un generador quàntic, en el qual l'holmi substitueix un àtom de la substància base de la xarxa cristal·lina. Ho:YAG és un dels millors materials de generació. El principi de funcionament d'un làser d'holmi és que el granat d'itri d'alumini està dopat amb ions d'holmi, bombejats òpticament per una làmpada de flaix i emet a una longitud d'ona de 2097 nm en el rang IR, que és ben absorbit pels teixits. Aquest làser s'utilitza per a operacions a les articulacions, en el tractament de les dents, per a l'evaporació de cèl·lules canceroses, ronyons i càlculs biliars.
Generador quàntic de semiconductors
Els làsers de pou quàntic són econòmics, de producció massiva i fàcilment escalables. El principi de funcionament d'un làser semiconductor es basa en l'ús d'un díode d'unió p-n, que produeix llum d'una determinada longitud d'ona per recombinació de portadors amb un biaix positiu, similar als LED. Els LED emeten espontàniament i els díodes làser - forçats. Per complir la condició d'inversió de població, el corrent de funcionament ha de superar el valor llindar. El medi actiu d'un díode semiconductor té la forma d'una regió de connexió de dues capes bidimensionals.
El principi de funcionament d'aquest tipus de làser és tal que no es requereix cap mirall extern per mantenir les oscil·lacions. La reflectivitat creada per l'índex de refracció de les capes i la reflexió interna del medi actiu és suficient per a aquest propòsit. Les superfícies extrems dels díodes estan estellades, cosa que garanteix que les superfícies reflectants siguin paral·leles.
Una connexió formada per materials semiconductors del mateix tipus s'anomena homounció, i una connexió creada per una connexió de dos diferents s'anomenaheterounió.
Semiconductors de tipus P i n amb alta densitat de portadors formen una unió p-n amb una capa d'esgotament molt prima (≈1 µm).
Làser de gas
El principi de funcionament i l'ús d'aquest tipus de làser permet crear dispositius de gairebé qualsevol potència (des de mil·liwatts fins a megawatts) i longituds d'ona (des d'UV fins a IR) i permet treballar en modes polsats i continus.. Segons la naturalesa dels mitjans actius, hi ha tres tipus de generadors quàntics de gas, a saber, atòmics, iònics i moleculars.
La majoria dels làsers de gas es bombegen amb una descàrrega elèctrica. Els electrons del tub de descàrrega són accelerats pel camp elèctric entre els elèctrodes. Col·lisionen amb àtoms, ions o molècules del medi actiu i indueixen una transició a nivells d'energia més alts per aconseguir un estat d'inversió poblacional i emissió estimulada.
Laser molecular
El principi de funcionament d'un làser es basa en el fet que, a diferència dels àtoms i ions aïllats, les molècules dels generadors quàntics atòmics i iònics tenen bandes d'energia àmplies de nivells d'energia discrets. A més, cada nivell d'energia electrònica té un gran nombre de nivells de vibració, i aquests, al seu torn, tenen diversos nivells de rotació.
L'energia entre els nivells d'energia electrònica es troba a les regions UV i visible de l'espectre, mentre que entre els nivells de vibració i rotació, a l'IR llunyà i proper.àrees. Així, la majoria dels generadors quàntics moleculars funcionen a les regions infrarojes llunyanes o properes.
Làsers excimer
Els excímers són molècules com ArF, KrF, XeCl, que tenen un estat fonamental separat i són estables al primer nivell. El principi de funcionament del làser és el següent. Com a regla general, el nombre de molècules en l'estat fonamental és petit, de manera que no és possible el bombeig directe des de l'estat fonamental. Les molècules es formen en el primer estat electrònic excitat combinant halogenurs d' alta energia amb gasos inerts. La població de la inversió s'aconsegueix fàcilment, ja que el nombre de molècules a nivell de base és massa petit en comparació amb l'excitada. El principi de funcionament d'un làser, en resum, és la transició d'un estat electrònic excitat lligat a un estat fonamental dissociatiu. La població en estat fonamental es manté sempre en un nivell baix, perquè les molècules en aquest punt es dissocien en àtoms.
El dispositiu i principi de funcionament dels làsers és que el tub de descàrrega s'omple amb una barreja d'halogenur (F2) i gas de terres rares (Ar). Els electrons en ella dissocien i ionitzen molècules d'halogenur i creen ions carregats negativament. Els ions positius Ar+ i els negatius F- reaccionen i produeixen molècules ArF en el primer estat lligat excitat amb la seva transició posterior a l'estat base repulsiu i generació de radiació coherent. El làser excimer, el principi de funcionament i aplicació del qual ara estem considerant, es pot utilitzar per bombarmedi actiu sobre colorants.
Laser líquid
En comparació amb els sòlids, els líquids són més homogenis i tenen una densitat d'àtoms actius més alta que els gasos. A més d'això, són fàcils de fabricar, permeten una fàcil dissipació de la calor i es poden substituir fàcilment. El principi de funcionament del làser és utilitzar colorants orgànics com a medi actiu, com ara DCM (4-dicyanoethylene-2-metil-6-p-dimethylaminostyryl-4H-pyran), rodamina, estiril, LDS, cumarina, estilben, etc. …, dissolt en un dissolvent adequat. Una solució de molècules de colorant és excitada per radiació la longitud d'ona de la qual té un bon coeficient d'absorció. El principi de funcionament del làser, en definitiva, és generar a una longitud d'ona més gran, anomenada fluorescència. La diferència entre l'energia absorbida i els fotons emesos s'utilitza per les transicions d'energia no radiativa i escalfa el sistema.
La banda de fluorescència més àmplia dels generadors quàntics líquids té una característica única: l'afinació de la longitud d'ona. El principi de funcionament i l'ús d'aquest tipus de làser com a font de llum ajustable i coherent és cada cop més important en aplicacions d'espectroscòpia, holografia i biomèdica.
Recentment, s'han utilitzat generadors quàntics de colorants per a la separació d'isòtops. En aquest cas, el làser excita selectivament un d'ells i el provoca una reacció química.
