Lazeri

Një lazer (nga akronimi anglez LASER, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation; shqip: "amplifikimi i dritës nga emetimi i stimuluar i rrezatimit") është një pajisje që lëshon dritë përmes një procesi të përforcimit optike bazuar në emetimin e stimuluar të rrezatimit elektromagnetik. Lazeri i parë u ndërtua në 1960 nga Theodore H. Maiman në Hughes Research Laboratories, bazuar në punën teorike të Charles Hard Townes dhe Arthur Leonard Schawlow.

Një lazer ndryshon nga burimet e tjera të dritës në atë që lëshon dritë që është koherente . Koherenca hapësinore lejon që një lazer të përqendrohet në një vend të ngushtë, duke mundësuar aplikime të tilla si prerja me lazer dhe litografia . Koherenca hapësinore lejon gjithashtu që një rreze lazer të qëndrojë e ngushtë në distanca të mëdha ( kolimacion ), duke mundësuar aplikime të tilla si tregues lazer dhe lidar . Laserët gjithashtu mund të kenë koherencë të lartë kohore , e cila u lejon atyre të lëshojnë dritë me një spektër shumë të ngushtë, dmth, ato mund të lëshojnë një ngjyrë të vetme të dritës. Përndryshe, koherenca kohore mund të përdoret për të prodhuar impulse drite me një spektër të gjerë, por kohëzgjatje aq të shkurtër sa një femtekondë (" impulse ultra të shkurtër ").

Laserët përdoren në disqet optike të diskut , printerët lazer , skanuesit e barkodeve , instrumentet e sekuencave të ADN-së , fibra optike , prodhimi i çipit gjysmëpërçues ( fotolitografi ) dhe komunikimi optik në hapësirë të lirë , kirurgjia me lazer dhe trajtimet e lëkurës, materialet e prerjes dhe saldimit , ushtria dhe ligji pajisje zbatimi për shënjimin e shënjestrave dhe matjen e rrezes dhe shpejtësisë, dhe në ekranet e ndriçimit me lazer për argëtim. Ato janë përdorur për fenerët e makinavenë makinat luksoze, duke përdorur një lazer blu dhe një fosfor për të prodhuar dritë të bardhë shumë të drejtuar.

Fundamentalet

Lazerët dallohen nga burimet e tjera të dritës për koherencën e tyre. Koherenca hapësinore shprehet zakonisht përmes daljes duke qenë një rreze e ngushtë, e cila është e kufizuar në difraksion . Rrezet lazer mund të përqendrohen në njolla shumë të vogla, duke arritur një rrezatim shumë të lartë , ose ato mund të kenë divergjencë shumë të ulët, në mënyrë që të përqendrojnë fuqinë e tyre në një distancë të madhe. Koherenca e përkohshme (ose gjatësore) nënkupton një valë të polarizuar në një frekuencë të vetme, faza e së cilës është e ndërlidhur në një distancë relativisht të madhe ( gjatësia e koherencës ) përgjatë rrezes. Një rreze e prodhuar nga një burim drite termik ose tjetër jokoherent ka një amplituda dhe fazë të çastitqë ndryshojnë rastësisht në lidhje me kohën dhe pozicionin, duke pasur kështu një gjatësi të shkurtër koherence.

Lazerët karakterizohen sipas gjatësisë së tyre të valës në vakum. Shumica e lazerave "me gjatësi vale të vetme" në të vërtetë prodhojnë rrezatim në disa mënyra me gjatësi vale paksa të ndryshme. Megjithëse koherenca kohore nënkupton monokromatizmin, ka lazer që lëshojnë një spektër të gjerë drite ose lëshojnë gjatësi vale të ndryshme të dritës njëkohësisht. Disa lazer nuk janë në një mënyrë të vetme hapësinore dhe kanë rrezet e dritës që ndryshojnë më shumë sesa kërkohet nga kufiri i difraksionit . Të gjitha pajisjet e tilla klasifikohen si "lazer" bazuar në metodën e tyre të prodhimit të dritës, dmth., Emisionit të stimuluar. Laserët përdoren kur drita e koherencës së kërkuar hapësinore ose kohore nuk mund të prodhohet duke përdorur teknologji më të thjeshta.

Terminologjia

Fjala lazer filloi si akronim për "amplifikimin e dritës nga emetimi i stimuluar i rrezatimit". Në këtë përdorim, termi "dritë" përfshin rrezatimin elektromagnetik të çdo frekuence, jo vetëm dritë të dukshme , prandaj termat lazer infra të kuq , lazer ultraviolet , lazer me rreze X dhe lazer me rreze gama . Për shkak se paraardhësi i mikrovalës së lazerit, maseri , u krijua i pari, pajisjet e këtij lloji që funksionojnë në mikrovalë dhe radio frekuencat referohen si "maser" sesa "lazer mikrovalë" ose "radio lazer". Në literaturën e hershme teknike,, lazeri u quajt një maser optik ; ky term tani është vjetëruar.

Një lazer që prodhon dritë në vetvete është teknikisht një oshilator optik sesa një amplifikator optik siç sugjerohet nga shkurtesa. Beenshtë vërejtur me humor se shkurtesa LOSER, për "lëkundje të dritës nga emetimi i stimuluar i rrezatimit", do të kishte qenë më e saktë. Me përdorimin e përhapur të akronimit origjinal si një emër i zakonshëm, përforcuesit optikë janë referuar si "amplifikues lazer", megjithë tepricën e dukshme në atë emërtim.

Back-formuar folje të lase është përdorur shpesh në terren, që do të thotë "në dritë të prodhuar lazer", , veçanërisht në lidhje me të fituar të mesme të një lazer; kur funksionon një lazer thuhet se është "lazues". Përdorimi i mëtejshëm i fjalëve lazer dhe maser në një kuptim të zgjeruar, duke mos iu referuar teknologjisë lazer ose pajisjeve, mund të shihet në përdorime të tilla si maser astrofizik dhe lazer atomik .

Projektimi

Artikulli kryesor: Ndërtimi me lazer

Komponentët e një lazeri tipik: 1. Fitoni mesataren 2. Energjia e pompimit me lazer 3. Reflektor i lartë 4. Bashkues i daljeve 5. Rreze lazer

Një lazer përbëhet nga një medium fitimi , një mekanizëm për ta aktivizuar atë dhe diçka për të siguruar reagime optike . Mjedisi i fitimit është një material me veti që e lejojnë atë të amplifikojë dritën me anë të emetimit të stimuluar. Drita e një gjatësi vale specifike që kalon përmes mjedisit të fitimit amplifikohet (rritet fuqia).

Që mediumi i fitimit të amplifikojë dritën, duhet të furnizohet me energji në një proces të quajtur pompim . Energjia në mënyrë tipike furnizohet si një rrymë elektrike ose si dritë në një gjatësi vale të ndryshme. Drita e pompës mund të sigurohet nga një llambë flash ose nga një lazer tjetër.

Lloji më i zakonshëm i lazerit përdor reagime nga një zgavër optike - një palë pasqyra në të dy skajet e mediumit të fitimit. Drita kthehet prapa dhe prapa midis pasqyrave, duke kaluar përmes mesit të fitimit dhe duke u amplifikuar çdo herë. Në mënyrë tipike, një nga dy pasqyrat, bashkuesi i daljes , është pjesërisht transparent. Një pjesë e dritës ikën përmes kësaj pasqyre. Në varësi të dizajnit të zgavrës (nëse pasqyrat janë të sheshta apo të lakuara ), drita që del nga lazeri mund të përhapet ose të formojë një rreze të ngushtë . Në analogji me oshilatorët elektronikë , kjo pajisje nganjëherë quhet oshilator lazer .

Shumica e lazerave praktikë përmbajnë elementë shtesë që ndikojnë në vetitë e dritës së emetuar, siç janë polarizimi, gjatësia e valës dhe forma e rrezes.

Fizika e lazerit

Elektronet dhe mënyra se si ato ndërveprojnë me fushat elektromagnetike janë të rëndësishme në kuptimin tonë të kimisë dhe fizikës.

Emetimi i stimuluar

Artikulli kryesor: Emetimi i stimuluar

Animacion që shpjegon emetimin e stimuluar dhe parimin e lazerit Në këndvështrimin klasik , energjia e një elektroni që rrotullohet rreth një bërthame atomike është më e madhe për orbitat më larg bërthamës së një atomi . Sidoqoftë, efektet mekanike kuantike i detyrojnë elektronet të marrin pozicione diskrete në orbitale . Kështu, elektronet gjenden në nivele specifike të energjisë së një atomi, dy prej të cilave tregohen më poshtë:

Një elektron në një atom mund të thithë energji nga drita ( fotone ) ose nxehtësia ( fotonet ) vetëm nëse ekziston një kalim midis niveleve të energjisë që përputhet me energjinë e bartur nga fotoni ose fononi. Për dritën, kjo do të thotë që çdo tranzicion i dhënë do të thithë vetëm një gjatësi vale të veçantë të dritës. Fotonet me gjatësinë e valës së saktë mund të shkaktojnë që një elektron të kërcejë nga niveli i ulët në atë më të lartë të energjisë. Fotoni konsumohet në këtë proces.

Kur një elektron është i ngazëllyer në një nivel më të lartë energjie, ai nuk do të qëndrojë i tillë përgjithmonë. Përfundimisht, elektroni prishet në një nivel më të ulët energjie i cili nuk është i zënë, me kalimet në nivele të ndryshme që kanë konstante të ndryshme kohore. Kur një elektron i tillë prishet pa ndikim të jashtëm, ai lëshon një foton. Ky proces quhet " emisioni spontan ". Fotoni i emetuar ka fazë dhe drejtim të rastësishëm, por gjatësia e valës së tij përputhet me gjatësinë e valës thithëse të tranzicionit. Ky është mekanizmi i fluoreshencës dhe emetimit termik .

Një foton me gjatësinë e valës së saktë që do të absorbohet nga një tranzicion gjithashtu mund të shkaktojë rënien e një elektroni nga niveli më i lartë në nivelin më të ulët, duke emetuar një foton të ri. Fotoni i emetuar përputhet saktësisht me fotonin origjinal në gjatësi vale, fazë dhe drejtim. Ky proces quhet 'emision i stimuluar' .

Fitoni mesataren dhe zgavrën

Një demonstrim lazer helium – neoni . Shkëlqimi që kalon nëpër qendër të tubit është një shkarkesë elektrike. Kjo plazmë me shkëlqim është mediumi fitues për lazerin. Lazeri prodhon një vend të vogël, intensiv në ekran djathtas. Qendra e pikës duket e bardhë sepse imazhi është i ekspozuar atje. Spektri i lazerit helium – neon. Gjerësia e bandës aktuale është shumë më e ngushtë sesa tregohet; spektri kufizohet nga aparati matës.

Mjedisi i fitimit vihet në një gjendje të ngazëllyer nga një burim i jashtëm energjie. Në shumicën e lazerave, ky medium përbëhet nga një popullatë atomesh që janë ngacmuar në një gjendje të tillë me anë të një burimi të jashtëm drite, ose një fushe elektrike që furnizon energji për atomet që të thithin dhe të shndërrohen në gjendjet e tyre të ngacmuara.

Mediumi i fitimit të një lazeri është normalisht një material me pastërti, madhësi, përqendrim dhe formë të kontrolluar, i cili amplifikon rrezen me procesin e emetimit të stimuluar të përshkruar më sipër. Ky material mund të jetë i çdo gjendje : gazi, lëngu, i ngurtë ose plazma . Mjedisi i fitimit thith energjinë e pompës, e cila ngre disa elektrone në gjendje kuantike me energji më të lartë ("të ngacmuar ") . Grimcat mund të bashkëveprojnë me dritën ose duke thithur ose duke lëshuar fotone. Emisioni mund të jetë spontan ose i stimuluar. Në rastin e fundit, fotoni emetohet në të njëjtin drejtim me dritën që po kalon. Kur numri i grimcave në një gjendje të ngacmuar tejkalon numrin e grimcave në ndonjë gjendje me energji më të ulët, përmbysja e popullsisëarrihet. Në këtë gjendje, shkalla e emetimit të stimuluar është më e madhe se shkalla e thithjes së dritës në mjedis, dhe për këtë arsye drita amplifikohet. Një sistem me këtë veti quhet një përforcues optik . Kur vendoset një amplifikator optik brenda një zgavre optike rezonante, merret një lazer.

Në disa situata është e mundur të merret lazimi vetëm me një kalim të vetëm të rrezatimit EM përmes mjedisit të fitimit, dhe kjo prodhon një rreze lazer pa ndonjë nevojë për një zgavër rezonante ose reflektuese (shih për shembull lazer azoti ). Kështu, reflektimi në një zgavër rezonante zakonisht kërkohet për një lazer, por nuk është absolutisht i nevojshëm.

Rezonatori optik nganjëherë referohet si një "zgavër optike", por kjo është një emër i gabuar: lazer përdorin rezonatorë të hapur në krahasim me zgavrën e drejtpërdrejtë që do të përdorej në frekuencat e mikrovalëve në një maser . Rezonatori zakonisht përbëhet nga dy pasqyra midis të cilave një rreze koherente e dritës udhëton në të dy drejtimet, duke reflektuar përsëri në vetvete, në mënyrë që një foton mesatar të kalojë përmes mjedisit të fitimit në mënyrë të përsëritur para se të emetohet nga hapja e daljes ose të humbasë në shpërndarje ose thithje. Nëse fitimi (amplifikimi) në medium është më i madh se humbjet e rezonatorit, atëherë fuqia e dritës së riciklimit mund të rritet në mënyrë eksponenciale. Por secila ngjarje e emetimit të stimuluar kthen një atom nga gjendja e tij e ngacmuar në gjendjen themelore, duke zvogëluar përfitimin e mediumit. Me rritjen e fuqisë së rrezes, fitimi neto (fitimi minus humbja) zvogëlohet në unitet dhe mediumi i fitimit thuhet se është i ngopur. Në një lazer me valë të vazhdueshme (CW), ekuilibri i fuqisë së pompës kundër ngopjes së fitimit dhe humbjeve të kavitetit prodhon një vlerë ekuilibri të fuqisë së lazerit brenda kavitetit; kjo ekuilibër përcakton pikën e funksionimit të lazerit. Nëse fuqia e aplikuar e pompës është shumë e vogël, fitimi nuk do të jetë kurrë i mjaftueshëm për të kapërcyer humbjet e zgavrës, dhe drita lazer nuk do të prodhohet. Fuqia minimale e pompës e nevojshme për të filluar veprimin me lazer quhet pragu i lazimit . Mjedisi i fitimit do të amplifikojë çdo foton që kalon përmes tij, pavarësisht nga drejtimi; por vetëm fotonet në amodaliteti hapësinor i mbështetur nga rezonatori do të kalojë më shumë se një herë përmes mediumit dhe do të marrë përforcim thelbësor.

Drita e emetuar

Në shumicën e lazerëve, lazimi fillon me emetim spontan në mënyrën e lazimit. Kjo dritë fillestare më pas përforcohet nga emetimi i stimuluar në mjedisin fitues. Emisioni i stimuluar prodhon dritë që përputhet me sinjalin hyrës në drejtim, gjatësi vale dhe polarizim, ndërsa faza e dritës së emetuar është 90 gradë në plumb të dritës stimuluese. Kjo, e kombinuar me efektin filtrues të rezonatorit optik i jep dritës lazer koherencën e saj karakteristike dhe mund t'i japë asaj polarizim dhe monokromatizëm të njëtrajtshëm, në varësi të modelit të rezonatorit. Gjerësia themelore e lazerit drita e emetuar nga rezonatori lazues mund të jetë rend i madhësisë më i ngushtë se gjerësia e dritës që emetohet nga rezonatori pasiv. Disa lazer përdorin një mbjellës të veçantë injeksioni për të filluar procesin me një tra që tashmë është shumë koherente. Kjo mund të prodhojë trarë me një spektër më të ngushtë sesa përndryshe do të ishte e mundur.

Shumë lazer prodhojnë një tra që mund të përafrohet si një rreze Gaussian ; trarët e tillë kanë divergjencën minimale të mundshme për një diametër të caktuar të trarit. Disa lazer, veçanërisht ato me fuqi të lartë, prodhojnë rreze multimode, me modalitetet tërthore që përafrohen shpesh duke përdorur funksionet Hermite - Gaussian ose Laguerre -Gaussian. Disa lazer me fuqi të lartë përdorin një profil me majë të sheshtë të njohur si një " rreze tophat ". Rezonuesit e paqëndrueshëm të lazerit (nuk përdoren në shumicën e lazerave) prodhojnë trarë në formë fraktali. Sistemet optike të specializuara mund të prodhojnë gjeometri më komplekse të rrezeve, të tilla si trarët Bessel dhe vorbullat optike .

Pranë "belit" (ose rajonit fokal ) të një rreze lazer, ajo kulmohet shumë : frontet e valëve janë planare, normale në drejtimin e përhapjes, pa asnjë divergjencë të rrezes në atë pikë. Sidoqoftë, për shkak të difraksionit , kjo mund të mbetet e vërtetë vetëm brenda intervalit Rayleigh . Rrezja e një lazeri të vetëm me mënyrën tërthore (rrezja gaussian) përfundimisht divergjon në një kënd i cili ndryshon anasjelltas me diametrin e rrezes, siç kërkohet nga teoria e difraksionit . Kështu, "rrezja e lapsit" e gjeneruar direkt nga një lazer i zakonshëm helium-neoni do të përhapet në një madhësi prej ndoshta 500 kilometrash kur të ndriçonte në Hënë (nga distanca e tokës). Nga ana tjetër, drita nga aLazeri gjysmëpërçues zakonisht del nga kristali i vogël me një divergjencë të madhe: deri në 50 °. Sidoqoftë edhe një rreze e tillë divergjente mund të shndërrohet në një rreze të klimuar në mënyrë të ngjashme me anë të një sistemi lente , siç përfshihet gjithmonë, për shembull, në një tregues lazer drita e të cilit buron nga një diodë lazer . Kjo është e mundur për shkak të dritës së një mode të vetme hapësinore. Kjo veti unike e dritës lazer, koherenca hapësinore , nuk mund të përsëritet duke përdorur burime standarde të dritës (përveç duke hedhur pjesën më të madhe të dritës) siç mund të vlerësohet duke krahasuar rrezen nga një elektrik dore (pishtar) ose qendër të vëmendjes me atë të pothuajse çdo lazeri.

Një profil i rrezes lazer përdoret për të matur profilin e intensitetit, gjerësinë dhe divergjencën e rrezeve lazer.

Reflektimi difuz i një rreze lazer nga një sipërfaqe mat prodhon një model pikash me veti interesante.

Proceset kuantike kundrejt emisioneve klasike

Mekanizmi i prodhimit të rrezatimit në një lazer mbështetet në emisionin e stimuluar , ku energjia nxirret nga një tranzicion në një atom ose molekulë. Ky është një fenomen kuantik i zbuluar nga Albert Einstein i cili nxori marrëdhënien midis koeficientit A që përshkruan emisionin spontan dhe koeficientit B i cili vlen për thithjen dhe emisionin e stimuluar. Sidoqoftë, në rastin e lazerit elektron të lirë , nivelet e energjisë atomike nuk janë të përfshira; duket se funksionimi i kësaj pajisje mjaft ekzotike mund të shpjegohet pa iu referuar mekanikës kuantike.

Mënyrat e funksionimit të vazhdueshëm dhe të pulsuar

Një lazer mund të klasifikohet si operues ose në mënyrë të vazhdueshme ose në impuls, në varësi të faktit nëse prodhimi i energjisë është në thelb i vazhdueshëm me kalimin e kohës ose nëse prodhimi i tij merr formën e impulseve të dritës në një ose në një shkallë tjetër kohe. Sigurisht edhe një lazer prodhimi i të cilit është normalisht i vazhdueshëm mund të ndizet dhe fiket qëllimisht në një farë shpejtësie në mënyrë që të krijojë impulse drite. Kur shkalla e modulimit është në shkallë kohore shumë më e ngadaltë se sa jeta e zgavrës dhe periudha kohore gjatë së cilës energjia mund të ruhet në mjedisin lazues ose mekanizmin e pompimit, atëherë ai ende klasifikohet si një lazer i valës së vazhdueshme "i moduluar" ose "pulsuar". Shumica e diodave lazer të përdorura në sistemet e komunikimit bëjnë pjesë në atë kategori.

Funksionimi i valës së vazhdueshme

Disa aplikime të lazerit varen nga një rreze, fuqia e daljes së së cilës është konstante me kalimin e kohës. Një lazer i tillë njihet si vala e vazhdueshme ( CW ). Shumë lloje të lazerëve mund të bëhen për të funksionuar në modalitetin e valës së vazhdueshme për të kënaqur një aplikim të tillë. Shumë prej këtyre lazerave në të vërtetë lazohen në disa mënyra gjatësore në të njëjtën kohë dhe rrahjet ndërmjet frekuencave optike paksa të ndryshme të atyre lëkundjeve, në fakt, do të prodhojnë variacione të amplitudës në shkallët kohore më të shkurtër se koha e vajtjes (reciproke e frekuencës ndarja në hapësirëmidis mënyrave), zakonisht disa nanosekonda ose më pak. Në shumicën e rasteve, këta lazer quhen akoma "valë e vazhdueshme" pasi fuqia e tyre e daljes është e qëndrueshme kur mesatarisht kalon në periudha më të gjata kohore, me variacionet e fuqisë me frekuencë shumë të lartë që kanë pak ose aspak ndikim në aplikimin e synuar. (Sidoqoftë, termi nuk zbatohet për lazerët e mbyllur në modalitet , ku qëllimi është që të krijohen impulse shumë të shkurtra me shpejtësinë e kohës së vajtje-ardhjes.)

Për funksionimin e valës së vazhdueshme, kërkohet që përmbysja e popullsisë së mjedisit të fitimit të rimbushet vazhdimisht nga një burim i qëndrueshëm i pompës. Në disa media lazer, kjo është e pamundur. Në disa lazer të tjerë, do të kërkohej pompimi i lazerit në një nivel fuqie shumë të lartë të vazhdueshme, i cili do të ishte jopraktik ose shkatërronte lazerin duke prodhuar nxehtësi të tepërt. Lazer të tillë nuk mund të ekzekutohen në modalitetin CW.

Operacion i pulsuar

Funksionimi impulsiv i lazerave i referohet çdo lazeri që nuk klasifikohet si valë e vazhdueshme, në mënyrë që fuqia optike të shfaqet në impulse të një farë kohëzgjatje me një shpejtësi përsëritjeje. Kjo përfshin një gamë të gjerë të teknologjive që adresojnë një numër motivimesh të ndryshme. Disa lazer impulsohen thjesht sepse nuk mund të ekzekutohen në mënyrë të vazhdueshme .

Në raste të tjera, aplikimi kërkon prodhimin e impulseve që kanë një energji sa më të madhe. Meqenëse energjia e impulsit është e barabartë me fuqinë mesatare të ndarë me shpejtësinë e përsëritjes, ky qëllim nganjëherë mund të përmbushet duke ulur shpejtësinë e impulseve në mënyrë që të ndërtohet më shumë energji midis impulseve. Në ablacionin me lazer , për shembull, një vëllim i vogël materiali në sipërfaqen e një pjese pune mund të avullohet nëse nxehet në një kohë shumë të shkurtër, ndërsa furnizimi i energjisë gradualisht do të lejojë që nxehtësia të absorbohet në pjesën më të madhe të copë, duke mos arritur kurrë një temperaturë mjaft të lartë në një pikë të veçantë.

Aplikimet e tjera mbështeten në fuqinë e pulsit kulm (më tepër sesa në energjinë në impuls), veçanërisht në mënyrë që të marrin efekte optike jolineare . Për një energji të caktuar impuls, kjo kërkon krijimin e pulses e kohëzgjatjes më të shkurtër të mundshme shfrytëzuar teknika të tilla si Q-kalimi .

Gjerësia e bandës optike të një impuls nuk mund të jetë më e ngushtë se reciproke e gjerësisë së pulsit. Në rastin e impulseve jashtëzakonisht të shkurtra, kjo nënkupton lazimin e një bande të konsiderueshme, krejt në kundërshtim me bandat shumë të ngushta tipike të lazerëve CW. Mediumi lasing në disa lazer ngjyrë dhe lazer vibronic solid-shtet prodhon fitim optik në lidhje me një gjerësi të gjerë, duke e bërë një lazer të mundshëm i cili në këtë mënyrë mund të gjenerojnë pulses e dritë sa më të shkurtër disa femtoseconds (10 ^-15 s).

Q-kalimi

Artikulli kryesor: Q-komutimi

Në një lazer me kalim Q, përmbysja e popullatës lejohet të ndërtohet duke futur humbje brenda rezonatorit që tejkalon fitimin e mediumit; kjo gjithashtu mund të përshkruhet si zvogëlim i faktorit të cilësisë ose 'Q' të zgavrës. Pastaj, pasi energjia e pompës së ruajtur në mjedisin lazer të ketë afruar nivelin maksimal të mundshëm, mekanizmi i futur i humbjes (shpesh një element elektro- ose akusto-optik) hiqet me shpejtësi (ose që ndodh vetvetiu në një pajisje pasive), duke lejuar lazimin për të filluar e cila shpejt fiton energjinë e depozituar në mediumin e fitimit. Kjo rezulton në një impuls të shkurtër që përfshin atë energji, dhe kështu një fuqi të lartë të pikut.

Mbyllja e mënyrës

Artikulli kryesor: Bllokimi i modalitetit

Një lazer i mbyllur në modë është i aftë të lëshojë impulse jashtëzakonisht të shkurtra me rendin e dhjetëra pikosekonda deri në më pak se 10 femt sekonda . Këto impulse do të përsëriten në kohën e vajtjes, domethënë në kohën që duhet drita për të përfunduar një vajtje-ardhje midis pasqyrave që përbëjnë rezonatorin. Për shkak të kufirit të Furierit (i njohur gjithashtu si pasiguria në kohën e energjisë ), një impuls me një gjatësi kaq të shkurtër kohore ka një spektër të shpërndarë në një gjerësi të konsiderueshme bande. Kështu që një medium i tillë fitues duhet të ketë një gjerësi bande fitimi mjaft të gjerë për të amplifikuar ato frekuenca. Një shembull i një material të përshtatshëm është titan -doped, rritur artificiale safir ( Ti: safir) e cila ka një gjerësi bande shumë të gjerë fitimi dhe kështu mund të prodhojë impulse me kohëzgjatje vetëm disa femtosekonda.

Lazer të tillë të mbyllur në modë janë një mjet më i zhdërvjellët për kërkimin e proceseve që ndodhin në shkallë kohore jashtëzakonisht të shkurtra (të njohura si fizika e sekondës së dytë , kimia e femtosekondit dhe shkenca ultra fast ), për maksimizimin e efektit të jolinearitetit në materialet optike (p.sh. në gjenerimin e dytë harmonik , parametrik poshtë-konvertimit , oscillators optike parametrike dhe të ngjashme). Për shkak të fuqisë së madhe të pikut dhe aftësisë për të gjeneruar trena të stabilizuar në fazë të impulseve ultra të shpejta të lazerit, lazerët ultra të shpejtë të bllokimit të modalitetit mbështesin aplikimet e metrologjisë precize dhe spektroskopisë.

Pompim impulsiv

Një metodë tjetër për arritjen e funksionimit të lazerit impulsiv është pompimi i materialit lazer me një burim që impulsohet vetë, ose përmes karikimit elektronik në rastin e llambave flash, ose një lazeri tjetër që është tashmë i impulsuar. Pompimi impulsiv është përdorur historikisht me lazer me bojë, kur jeta e popullsisë së përmbysur e një molekule ngjyrosëse ishte aq e shkurtër sa që ishte e nevojshme një pompë e shpejtë dhe energjike. Mënyra për të kapërcyer këtë problem ishte të mbushni kondensatorë të mëdhenjtë cilat më pas kalojnë në shkarkimin përmes fenerëve, duke prodhuar një blic intensiv. Pompimi impulsiv kërkohet gjithashtu për lazerët me tre nivele në të cilat niveli i ulët i energjisë bëhet shpejt i populluar duke parandaluar lazimin e mëtejshëm derisa ato atome të relaksohen në gjendjen themelore. Këto lazer, siç janë lazeri eksimer dhe lazer me avull bakri, nuk mund të funksionojnë kurrë në modalitetin CW.

Historia

Themelet

Në vitin 1917, Albert Ajnshtajni krijoi bazat teorike për lazerin dhe maserin në letrën Zur Quantentheorie der Strahlung (Mbi Teorinë Kuantike të Rrezatimit) përmes një ri-derivimi të ligjit të Max Planck të rrezatimit, bazuar konceptualisht në koeficientët e probabilitetit ( Koeficientët e Ajnshtajnit ) për thithjen, emisionin spontan dhe emisionin e stimuluar të rrezatimit elektromagnetik. Në 1928, Rudolf W. Ladenburg konfirmoi ekzistencën e fenomeneve të emetimit të stimuluar dhe thithjes negative. Në vitin 1939, Valentin A. Fabrikantparashikoi përdorimin e emisionit të stimuluar për të amplifikuar valët "e shkurtër". Në 1947, Willis E. Lamb dhe RC Retherford gjetën emision të stimuluar të dukshëm në spektrat e hidrogjenit dhe kryen demonstrimin e parë të emetimit të stimuluar. Në vitin 1950, Alfred Kastler (Çmimi Nobel për Fizikën 1966) propozoi metodën e pompimit optik , të konfirmuar eksperimentalisht, dy vjet më vonë, nga Brossel, Kastler dhe Winter.

Maser

Artikulli kryesor: Maser

Në 1951, Joseph Weber paraqiti një punim mbi përdorimin e emetimeve të stimuluara për të bërë një amplifikator mikrovalë në Konferencën e Kërkimit të Tubit të Vakumit të Institutit të Radios Inxhinierëve të Radios në Otava , Ontario, Kanada, në Qershor 1952. Pas këtij prezantimi, RCA i kërkoi Weberit që të jepte një seminar mbi këtë ide dhe Charles Hard Townes i kërkoi një kopje të punimit.

Në vitin 1953, Charles Hard Townes dhe studentët e diplomuar James P. Gordon dhe Herbert J. Zeiger prodhuan amplifikatorin e parë me mikrovalë, një pajisje që funksionon në parime të ngjashme me lazerin, por amplifikon rrezatimin mikrovalë sesa rrezatimin infra të kuq ose të dukshëm. Maseri i Townes ishte i paaftë për prodhim të vazhdueshëm. Ndërkohë, në Bashkimin Sovjetik, Nikolai Basov dhe Aleksandr Prokhorov po punonin në mënyrë të pavarur në oshilatorin kuantik dhe zgjidhën problemin e sistemeve me dalje të vazhdueshme duke përdorur më shumë se dy nivele energjie. Këto media fitimi mund të lëshojnë emisione të stimuluaramidis një shteti të ngazëllyer dhe një shteti të ngacmuar më të ulët, jo shtetit themelor, duke lehtësuar mirëmbajtjen e përmbysjes së popullsisë . Në vitin 1955, Prokhorov dhe Basov sugjeruan pompimin optik të një sistemi me shumë nivele si një metodë për marrjen e përmbysjes së popullsisë, më vonë një metodë kryesore e pompimit me lazer.

Townes raporton se disa fizikantë të shquar - mes tyre Niels Bohr , John von Neumann dhe Llewellyn Thomas - argumentuan se maseri shkelte parimin e pasigurisë së Heisenberg dhe kështu që nuk mund të funksiononte. Të tjerë si Isidor Rabi dhe Polykarp Kusch prisnin që do të ishte jopraktike dhe nuk ia vlen të përpiqesh. Në 1964 Charles H. Townes, Nikolay Basov dhe Aleksandr Prokhorov ndanë Çmimin Nobel në Fizikë, "për punën themelore në fushën e elektronikës kuantike, e cila ka çuar në ndërtimin e oshilatorëve dhe amplifikatorëve bazuar në lazer maser parim ".

Lazer

Në vitin 1957, Charles Hard Townes dhe Arthur Leonard Schawlow , atëherë në Bell Labs , filluan një studim serioz të lazerit infra të kuq. Ndërsa idetë u zhvilluan, ata braktisën rrezatimin infra të kuq për t'u përqëndruar në dritën e dukshme . Koncepti fillimisht u quajt "maser optik". Në 1958, Bell Labs paraqiti një kërkesë për patentë për maserin e tyre optik të propozuar; dhe Schawlow dhe Townes paraqitën një dorëshkrim të llogaritjeve të tyre teorike në Revistën Fizike , botuar atë vit në Vëllimin 112, Çështja Nr. 6. Fletore LASER: Faqja e parë e fletores ku Gordon Gould krijoi shkurtesën LASER dhe përshkroi elementet për ndërtimin e pajisjes. Njëkohësisht, në Universitetin e Kolumbisë , studenti i diplomuar Gordon Gould ishte duke punuar në një tezë doktorature në lidhje me nivelet e energjisë së taliumit të ngazëllyer . Kur Gould dhe Townes u takuan, ata folën për emetimin e rrezatimit , si një temë e përgjithshme; më pas, në nëntor 1957, Gould vuri në dukje idetë e tij për një "lazer", përfshirë përdorimin e një rezonatori të hapur (më vonë një përbërës thelbësor i pajisjes lazer). Për më tepër, në 1958, Prokhorov propozoi në mënyrë të pavarur përdorimin e një rezonatori të hapur, paraqitjen e parë të botuar (në BRSS) të kësaj ideje. Diku tjetër, në SH.B.A., Schawlow dhe Townes kishin rënë dakord për një dizajn lazer me rezonator të hapur - me sa duket të pavetëdijshëm për botimet e Prokhorov dhe punën e pabotuar me lazer të Gould.

Në një konferencë në 1959, Gordon Gould publikoi termin LASER në letrën LASER, Amplifikimi i Dritës nga Emisioni i Rrezatimit të Stimuluar . Synimi gjuhësor i Gould ishte përdorimi i pjesëzës së fjalës "-aser" si prapashtesë - për të treguar saktë spektrin e dritës që emeton pajisja LASER; kështu rrezet x: xaser , ultraviolet: uvaser , et cetera; askush nuk e vendosi veten si një term diskret, megjithëse "raser" ishte për pak kohë i njohur për denotimin e pajisjeve që emetojnë radio-frekuencë.

Shënimet e Gould përfshinin aplikime të mundshme për një lazer, të tilla si spektrometria , interferometria , radari dhe bashkimi bërthamor . Ai vazhdoi zhvillimin e idesë, dhe paraqiti një kërkesë për patentë në Prill 1959. Zyra e Patentave e Sh.B.A. mohoi aplikimin e tij dhe i dha një patentë Laboratorëve Bell , në 1960. Kjo provokoi një proces gjyqësor njëzet e tetë vjeçar , duke shfaqur prestigj shkencor dhe para si aksionet. Gould fitoi patentën e tij të parë të vogël në 1977, por vetëm në vitin 1987 ai fitoi fitoren e parë të rëndësishme në procesin e patentës, kur një gjykatës federal urdhëroi Zyrën e Patentave të SH.B.A.-së që të lëshojë patente për Gould për pompimin optik dhepajisje lazer shkarkimi gazi . Çështja se si të caktohet kredia për shpikjen e lazerit mbetet e pazgjidhur nga historianët.

Më 16 maj 1960, Theodore H. Maiman operoi lazerin e parë që funksiononte në Hughes Research Laboratories , Malibu, California, përpara disa ekipeve kërkimore, përfshirë ato të Townes , në Universitetin e Columbia , Arthur Schawlow , në Bell Labs , dhe Gould, në kompaninë TRG (Grupi i Kërkimit Teknik). Lazeri funksional i Maiman përdori një kristal rubini sintetik të pompuar me flakë për të prodhuar dritë të kuqe lazer në gjatësi vale 694 nanometra. Pajisja ishte e aftë vetëm për punë impulsive, për shkak të skemës së saj të dizajnit të pompimit me tre nivele. Më vonë atë vit, Fizikanti iranian Ali Javan , dhe William R. Bennett dhe Donald Herriott , ndërtuan lazerin e parë të gazit , duke përdorur helium dhe neon që ishte i aftë të funksiononte vazhdimisht në infra të kuqe (Patenta Amerikane 3,149,290); më vonë, Javani mori Çmimin Albert Einstein në 1993. Basov dhe Javhan propozuan konceptin e diodës lazer gjysmëpërçuese . Në 1962, Robert N. Hall demonstroi pajisjen e parë të diodës lazer , e cila ishte bërë me arsenid galiumi dhe emetuar në brezin afër infra të kuqe të spektrit në 850 nm. Më vonë atë vit,Nick Holonyak , Jr demonstroi lazerin e parë gjysmëpërçues me një emision të dukshëm. Ky lazer i parë gjysmëpërçues mund të përdoret vetëm në funksionimin e rrezes impulsive, dhe kur të ftohet në temperatura të azotit të lëngët (77 K). Në vitin 1970, Zhores Alferov , në BRSS, dhe Izuo Hayashi dhe Morton Panish të Laboratorëve të Telefonisë Bell gjithashtu zhvilluan në mënyrë të pavarur lazer me dioda me temperaturë dhome, me funksionim të vazhdueshëm, duke përdorur strukturën heterojunction .

Risitë e fundit

Që nga periudha e hershme e historisë së lazerit, hulumtimi për lazer ka prodhuar një larmi të llojeve të përmirësuara dhe të specializuara të lazerit, të optimizuar për qëllime të ndryshme të performancës, duke përfshirë:

brezat e gjatësisë së valës së re
fuqia maksimale e daljes
energjia maksimale e impulsit[1]
fuqia maksimale e impulsit[2]
kohëzgjatja minimale e impulsit të daljes
gjerësia minimale e linjës
efikasitetin maksimal të energjisë
kosto minimale

dhe ky hulumtim vazhdon edhe sot e kësaj dite.

Në 2015, studiuesit bënë një lazer të bardhë, drita e të cilit modulohet nga një nanosheet sintetike e bërë nga zinku, kadmiumi, squfuri dhe seleni që mund të lëshojë dritë të kuqe, jeshile dhe blu në përmasa të ndryshme, me secilën gjatësi vale që shtrihet 191 nm.

Në vitin 2017, studiuesit në TU Delft demonstruan një lazer mikrovalë me bashkim AC Josephson . Meqenëse lazeri operon në regjimin e superpërcjellësit, ai është më i qëndrueshëm se lazerët e tjerë të bazuar në gjysmëpërçues. Pajisja ka potencial për aplikime në llogaritjen kuantike . Në vitin 2017, studiuesit në TU Mynih demonstruan lazerin e bllokimit të mënyrës më të vogël të aftë të lëshojë çifte impulse lazer pikosekondësh të mbyllura në fazë me një frekuencë përsëritje deri në 200 GHz.

Në vitin 2017, studiuesit nga Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) , së bashku me studiuesit amerikanë nga JILA , një institut i përbashkët i Institutit Kombëtar të Standardeve dhe Teknologjisë (NIST) dhe Universitetit të Colorado Boulder , krijuan një rekord të ri botëror duke zhvilluar një lazer me fibër erbium-doped me një gjerësi linje prej vetëm 10 milihertz.

Llojet dhe parimet e funksionimit

Gjatësitë e valëve të lazerave komercialisht të disponueshëm. Llojet e lazerit me linja të veçanta lazer tregohen mbi shiritin e gjatësisë së valës, ndërsa më poshtë tregohen lazer që mund të lëshojnë në një interval të gjatësisë së valës. Ngjyra kodifikon llojin e materialit lazer (shih përshkrimin e figurës për më shumë detaje).

Lazer gazi

Artikulli kryesor: Lazeri me gaz

Pas shpikjes së lazerit të gazit HeNe, shumë shkarkime të tjera të gazit janë gjetur të amplifikojnë dritën në mënyrë koherente. Lazerat e gazit që përdorin shumë gazra të ndryshëm janë ndërtuar dhe përdorur për shumë qëllime. Helium-neon lazer (Hënë) është në gjendje për të vepruar në një numër të gjatësive valore të ndryshme, por pjesa më e madhe janë engineered për të lase në 633 nm; këto lazer me kosto relativisht të ulët, por shumë koherentë janë jashtëzakonisht të zakonshëm në hulumtimet optike dhe laboratorët arsimorë. Lazerat komercialë të dioksidit të karbonit (CO ₂ ) mund të lëshojnë qindra vat në një mënyrë të vetme hapësinore të cilat mund të përqendrohen në një vend të vogël. Ky emetim është në infra të kuqe termike në 10.6 µm; lazer të tillë përdoren rregullisht në industri për prerjen dhe saldimin. Efikasiteti i një CO ₂lazeri është jashtëzakonisht i lartë: mbi 30%. Lazerat me jon argoni mund të veprojnë në një numër tranzicionesh lazimi midis 351 dhe 528.7 nm. Në varësi të modelit optik, një ose më shumë nga këto tranzicione mund të lazojnë njëkohësisht; linjat më të përdorura janë 458 nm, 488 nm dhe 514.5 nm. Një shkarkesë e tërthortë elektrike azotike në gaz në presionin atmosferik (TEA) lazer është një lazer me gaz i lirë, i ndërtuar shpesh në shtëpi nga hobistët, i cili prodhon një dritë ultraviolet ultraviolet ultraviolet në 337.1 nm. Lazer jonik metalik janë lazer me gaz që gjenerojnë gjatësi vale ultravjollcë të thella . Helium- argjendi (HeAg) 224 nm dhe neoni-bakri (NeCu) 248 nm janë dy shembuj. Ashtu si të gjitha lazer gaz presionit të ulët, mediat fitim prej këtyre lazer kanë mjaft të ngushta luhatje linewidths , më pak se 3 GHz (0.5 picometers ), duke i bërë ata kandidatë për përdorim në ndriçim fluoreshent shtypur Raman spectroscopy .

Lazer kimikë

Lazerët kimikë mundësohen nga një reaksion kimik që lejon që një sasi e madhe energjie të lirohet shpejt. Lazer të tillë shumë të lartë të energjisë janë veçanërisht me interes për ushtrinë, megjithatë lazer kimik të valëve të vazhdueshme në nivele shumë të larta të fuqisë, të ushqyer nga rrjedha të gazrave, janë zhvilluar dhe kanë disa zbatime industriale. Si shembuj, në lazer fluorin hidrogjeni (2700–2900 nm) dhe lazer fluorid deuterium (3800 nm) reaksioni është kombinimi i gazit hidrogjen ose deuterium me produktet e djegies së etilenit në trifluorin azoti .

Lazer eksimer

Lasers Excimer janë një lloj i veçantë i lazer gazit mundësuar nga një shkarkimi elektrik në të cilin medium lasing është një excimer , ose më saktë një exciplex në planet ekzistuese. Këto janë molekula që mund të ekzistojnë vetëm me një atom në një gjendje të ngacmuar elektronike . Sapo molekula të transferojë energjinë e saj të ngacmimit në një foton, atomet e saj nuk janë më të lidhura me njëra-tjetrën dhe molekula shpërbëhet. Kjo zvogëlon në mënyrë drastike popullsinë e një gjendje të ulët të energjisë, duke lehtësuar kështu një përmbysje të popullsisë. Excimers që përdoren aktualisht janë të gjitha përbërjet e gazit fisnik ; Gazet fisnike janë kimikisht inerte dhe mund të formojnë përbërje vetëm në gjendje të ngacmuar. Lazerat eksimer zakonisht funksionojnë në ultravioletgjatësi vale me aplikime kryesore përfshirë fotolitografinë gjysmëpërçuese dhe kirurgjinë LASIK të syve. Molekulat e eksimerit që përdoren zakonisht përfshijnë ArF (emision në 193 nm), KrCl (222 nm), KrF (248 nm), XeCl (308 nm) dhe XeF (351 nm). Lazeri molekular i fluorit , që lëshon në 157 nm në ultravioletin e vakumit, nganjëherë referohet si një lazer eksimer, megjithatë kjo duket të jetë një emër i gabuar përderisa F ₂ është një përbërje e qëndrueshme.

Lazerat në gjendje të ngurtë

Lazerët në gjendje të ngurtë përdorin një shufër kristalore ose qelqi e cila është "doping" me jone që sigurojnë gjendjet e kërkuara të energjisë. Për shembull, lazeri i parë i punës ishte një lazer rubini , i bërë nga rubini ( korundi i dopeduar me krom ). Përmbysja Popullsia mbahet aktualisht në Dopant. Këto materiale pompohen në mënyrë optike duke përdorur një gjatësi vale më të shkurtër sesa gjatësia e valës lasuese, shpesh nga një tub tub ose nga një lazer tjetër. Përdorimi i termit "gjendje e ngurtë" në fizikën e lazerit është më i ngushtë sesa në përdorimin tipik. Lazerat gjysmëpërçues (diodat lazer) zakonisht nuk referohen si lazer me gjendje të ngurtë.

Neodymium është një dopant i zakonshëm në kristale të ndryshme lazer me gjendje të ngurtë, duke përfshirë ortovanadat e jtriumit ( Nd: YVO ₄ ), fluorid litiumi të jtriumit ( Nd: YLF ) dhe garnet alumini të jtriumit ( Nd: YAG ). Të gjithë këta lazer mund të prodhojnë fuqi të lartë në spektrin infra të kuq në 1064 nm. Ato përdoren për prerjen, saldimin dhe shënjimin e metaleve dhe materialeve të tjerë, dhe gjithashtu në spektroskopi dhe për pompimin e lazerëve të ngjyrave . Këto lazer zakonisht janë dyfishuar , trefishuar ose katërfishuar të frekuencës për të prodhuar 532 nm (jeshile, të dukshme), 355 nm dhe 266 nm ( UV) trarëve, përkatësisht. Lazerat me gjendje të ngurtë (DPSS) të pompuar me dioda të frekuencës përdoren për të bërë tregues lazer të gjelbër të ndritshëm.

Ytterbium , holmium , thulium dhe erbium janë "dopantë" të tjerë të zakonshëm në lazer me gjendje të ngurtë. Ytterbium përdoret në kristale të tilla si Yb: YAG, Yb: KGW, Yb: KYW, Yb: SYS, Yb: BOYS, Yb: CaF ₂ , që veprojnë zakonisht rreth 1020–1050 nm. Ato janë potencialisht shumë efikase dhe me energji të lartë për shkak të një defekti të vogël kuantik. Fuqitë jashtëzakonisht të larta në impulse ultra të shkurtër mund të arrihen me Yb: YAG. Holmium -doped Kristal YAG lëshojnë në 2097 nm dhe formojnë një lazer efikase vepron në infra të kuqegjatësitë e valëve që absorbohen fuqimisht nga indet që mbajnë ujin. Ho-YAG zakonisht operohet në një mënyrë pulsuese dhe kalon përmes pajisjeve kirurgjikale me fibra optike për të rishfaqur nyjet, për të hequr kalbjen nga dhëmbët, për të avulluar kanceret dhe për të pluhurosur gurët në veshka dhe tëmth.

Titanium -doped safir ( Ti: safir ) prodhon një shumë të harmonishëm infra të kuqe lazer, e përdorur zakonisht për spectroscopy . Isshtë gjithashtu i dukshëm për përdorim si një lazer i mbyllur në mënyrë që prodhon impulse ultra të shkurtër me fuqi kulmore jashtëzakonisht të lartë.

Kufizimet termike në lazerët me gjendje të ngurtë lindin nga fuqia e pompës së pakthyeshme që ngroh mjedisin. Kjo nxehtësi, kur shoqërohet me një koeficient të lartë termo-optik (d n / d T ) mund të shkaktojë thjerrëzim termik dhe të zvogëlojë efikasitetin kuantik. Lazerat e diskut të hollë të pompuar nga diodat i kapërcejnë këto çështje duke pasur një medium fitimi që është shumë më i hollë se diametri i rrezes së pompës. Kjo lejon një temperaturë më uniforme në material. Lazerët e hollë të diskut kanë treguar që prodhojnë trare deri në një kilovat.

Lazer me fibra

Artikulli kryesor: Lazeri me fibra

Lazer me gjendje të ngurtë ose përforcues lazer ku drita drejtohet për shkak të reflektimit total të brendshëm në një fibër optike në një mënyrë të vetme quhen lazer me fibra . Drejtimi i dritës lejon rajone fitimi jashtëzakonisht të gjata duke siguruar kushte të mira ftohjeje; fibrat kanë raport të lartë sipërfaqe ndaj vëllimit që lejon ftohje efikase. Për më tepër, vetitë e valëzimit të fibrave priren të zvogëlojnë shtrembërimin termik të rrezes. Jonet Erbium dhe Ytterbium janë specie të zakonshme aktive në lazer të tillë.

Shumë shpesh, lazeri me fibra është krijuar si një fibër me dy veshje . Kjo lloj fije përbëhet nga një bërthamë fibre, një veshje e brendshme dhe një veshje e jashtme. Indeksi i tre shtresave koncentrike zgjidhet në mënyrë që bërthama e fibrave të veprojë si një fibër me një modë të vetme për emetimin e lazerit ndërsa veshja e jashtme vepron si një bërthamë shumë multimode për lazerin e pompës. Kjo e lejon pompën të përhapë një sasi të madhe të energjisë brenda dhe përmes rajonit aktiv të bërthamës së brendshme, ndërsa ka akoma një aperturë të lartë numerike (NA) për të patur kushte të lehta nisjeje.

Drita e pompës mund të përdoret në mënyrë më efikase duke krijuar një lazer në disk me fibra , ose një pirg lazerësh të tillë.

Lazerat me fibra kanë një kufi themelor në atë që intensiteti i dritës në fibër nuk mund të jetë aq i lartë sa jolinearitetet optike të shkaktuara nga forca e fushës elektrike lokale mund të bëhen dominuese dhe të parandalojnë funksionimin me lazer dhe / ose të çojnë në shkatërrimin material të fibrës. Ky efekt quhet fotodarking . Në materialet me lazer me shumicë, ftohja nuk është aq efikase dhe është e vështirë të ndash efektet e fotodarkingut nga efektet termike, por eksperimentet në fibra tregojnë se fotodarkimi mund t'i atribuohet formimit të qendrave me ngjyra të gjata . ^{[ nevojitet citim ]}

Lazer kristali fotonik

Lazerët kristalë fotonikë janë lazer të bazuar në nano-struktura që sigurojnë mbylljen e mënyrës dhe dendësinë e strukturës së gjendjeve optike (DOS) të kërkuara për të marrë reagimet. ^{[ nevojitet sqarim ]} Ato janë me madhësi tipike mikrometër ^{[të dyshimtë - diskutohen ]} dhe akordohen në brezat e kristaleve fotonike.

Lazer gjysmëpërçues

Artikulli kryesor: Lazerat gjysmëpërçues

Një diodë lazer tregtare 'kanaçe e mbyllur' 5.6 mm, të tilla si ato që përdoren në një CD ose DVD player Lazerat gjysmëpërçues janë dioda të cilat pompohen elektrikisht. Rikombinimi i elektroneve dhe vrimave të krijuara nga rryma e aplikuar paraqet fitimin optik. Reflektimi nga skajet e kristalit formon një rezonator optik, megjithëse rezonatori mund të jetë i jashtëm ndaj gjysmëpërçuesit në disa dizajne.

Diodat komerciale të lazerit lëshojnë në gjatësi vale nga 375 nm në 3500 nm. Diodat me lazer me fuqi të ulët dhe të mesme përdoren në treguesit lazer , printerët lazer dhe lojtarët CD / DVD. Diodat me lazer përdoren shpesh për të pompuar optikisht lazer të tjerë me efikasitet të lartë. Diodat me lazer industrial me fuqi më të lartë, me fuqi deri në 20 kW, përdoren në industri për prerjen dhe saldimin. Lazerat gjysmëpërçuese të zgavrës së jashtme kanë një mjedis aktiv gjysmëpërçues në një zgavër më të madhe. Këto pajisje mund të gjenerojnë rezultate të larta të energjisë me cilësi të mirë të rrezes, rrezatim me gjerësi vija të ngushtë të rregullueshme për gjatësi vale , ose impulse lazer ultra të shkurtër.

Në 2012, Nichia dhe OSRAM zhvilluan dhe prodhuan dioda lazer jeshile me fuqi të lartë komerciale (515/520 nm), të cilat konkurrojnë me lazer tradicionalë me gjendje të ngurtë të pompuar me dioda.

Lazerat vertikale që lëshojnë sipërfaqe ( VCSEL ) janë lazer gjysmëpërçues, drejtimi i emetimit i të cilave është pingul me sipërfaqen e meshës. Pajisjet VCSEL zakonisht kanë një rreze dalëse më rrethore sesa diodat konvencionale me lazer. Që nga 2005, vetëm 850 nm VCSEL janë gjerësisht të disponueshme, me 1300 nm VCSEL që fillojnë të komercializohen, dhe pajisjet 1550 nm janë një fushë e hulumtimit. VECSEL - et janë VCSEL me zgavër të jashtme. Lazerat e kaskadës kuantike janë lazer gjysmëpërçues që kanë një tranzicion aktiv midis nën-bandave të energjisë së një elektroni në një strukturë që përmban disa puse kuantike .

Zhvillimi i një lazeri silici është i rëndësishëm në fushën e llogaritjes optike . Silici është materiali i zgjedhur për qarqet e integruar , dhe kështu përbërësit fotonikë elektronikë dhe silicë (siç janë ndërlidhjet optike ) mund të fabrikohen në të njëjtën çip. Fatkeqësisht, silici është një material i vështirë lazeri për tu trajtuar, pasi ai ka veti të caktuara që bllokojnë gërshetimin. Sidoqoftë, kohët e fundit ekipet kanë prodhuar lazer silici përmes metodave të tilla si fabrikimi i materialit lazues nga silici dhe materiale të tjera gjysmëpërçuese, të tilla si fosfidi i indiumit (III) ose arseniti i galiumit (III), materiale që lejojnë prodhimin e dritës koherente nga silici. Këto quhen lazer silici hibrid . Zhvillimet e fundit kanë treguar gjithashtu përdorimin e lazerave nanowire të integruar monolitikisht direkt në silic për ndërlidhje optike, duke hapur rrugën për aplikimet e nivelit të çipave. Këto lazer heterostruktura nanowire të afta për ndërlidhje optike në silic janë gjithashtu të aftë të lëshojnë çifte impulsesh pikosekondi të mbyllura në fazë me një frekuencë përsëritje deri në 200 GHz, duke lejuar përpunimin e sinjalit optik në chip. Një lloj tjetër është një lazer Raman , i cili përfiton nga shpërndarja e Ramanit për të prodhuar një lazer nga materiale të tilla si silici.

Lasing pa ruajtur mediumin e ngazëllyer në një përmbysje të popullsisë u demonstrua në 1992 në gaz natriumi dhe përsëri në 1995 në gaz rubidium nga ekipe të ndryshme ndërkombëtare. Kjo u arrit duke përdorur një maser të jashtëm për të nxitur "transparencën optike" në medium duke futur dhe ndërhyrë në mënyrë shkatërruese në tranzicionet e elektroneve tokësore midis dy shtigjeve, në mënyrë që gjasat që elektronet e tokës të thithin ndonjë energji të ketë qenë anulohet.

Lazer ngjyrosës

Lazerat e ngjyrosjes përdorin një bojë organike si medium fitues. Spektri i gjerë i fitimit të ngjyrave të disponueshëm, ose përzierjeve të ngjyrave, lejon që këto lazer të jenë shumë të akordueshëm, ose të prodhojnë impulse me kohëzgjatje shumë të shkurtër ( sipas rendit të disa femtosekonda ). Megjithëse këta lazer të rregullueshëm njihen kryesisht në formën e tyre të lëngët, studiuesit gjithashtu kanë demonstruar emetim të rregullueshëm të gjerësisë së ngushtë në konfigurimet osciluese dispersive që përfshijnë media të fitimit të bojës në gjendje të ngurtë. Në formën e tyre më të përhapur, këto lazer të ngjyrave në gjendje të ngurtë përdorin polimere të ngjyrosur me bojë si media lazer.

Lazer me elektron të lirë

Lazeri me elektron të lirë *FELIX* në Institutin FOM për Fizikën e Plazmës Rijnhuizen, Nieuwegein

Lazerët e elektroneve të lira , ose FEL, gjenerojnë rrezatim koherent, me fuqi të lartë që është i rregullueshëm, aktualisht variojnë në gjatësi vale nga mikrovalët përmes rrezatimit terahertz dhe infra të kuqe deri në spektrin e dukshëm, deri tek rrezet X të buta. Ato kanë diapazonin më të gjerë të frekuencave nga çdo lloj lazeri. Ndërsa rrezet FEL ndajnë të njëjtat tipare optike si lazerët e tjerë, siç është rrezatimi koherent, funksionimi FEL është krejt i ndryshëm. Ndryshe nga lazerët e gazit, të lëngshëm ose të ngurtë, të cilat mbështeten në gjendje të lidhura atomike ose molekulare, FEL-et përdorin një rreze elektronike relativiste si medium lazimi, pra termi elektron i lirë .

Media ekzotike

Ndjekja e një lazeri me energji të lartë kuantike duke përdorur tranzicionet midis gjendjeve izomerike të një bërthame atomike ka qenë objekt i një studimi të gjerë akademik që nga fillimi i viteve 1970. Pjesa më e madhe e kësaj është përmbledhur në tre artikuj shqyrtues. Ky hulumtim ka qenë me hapësirë ndërkombëtare, por kryesisht i bazuar në ish-Bashkimin Sovjetik dhe Shtetet e Bashkuara. Ndërsa shumë shkencëtarë mbeten optimistë se një përparim është afër, një lazer me rreze gama operacionale është ende për t'u realizuar.

Disa nga studimet e hershme ishin drejtuar drejt impulseve të shkurtra të neutroneve që ngacmojnë gjendjen e sipërme të izomerit në një gjendje të ngurtë, kështu që tranzicioni i rrezeve gama mund të përfitojë nga ngushtimi i vijës së efektit Mössbauer . Së bashku, priteshin disa përparësi nga pompimi me dy faza të një sistemi me tre nivele. Ishte hamendësuar që bërthama e një atomi, e ngulitur në fushën e afërt të një reje elektronike të lëkundur në mënyrë koherente të drejtuar nga lazeri do të përjetonte një fushë më të madhe dipole sesa atë të lazerit drejtues. Për më tepër, jolineariteti i resë lëkundëse do të prodhonte harmonikë hapësinore dhe kohore, kështu që tranzicionet bërthamore të multipolaritetit më të lartë mund të drejtohen edhe në shumëfish të frekuencës së lazerit.

Në shtator 2007, BBC News raportoi se kishte spekulime rreth mundësisë së përdorimit të asgjësimit të pozitronit për të drejtuar një lazer me rreze gama shumë të fuqishme . Dr. David Cassidy i Universitetit të Kalifornisë, Riverside propozoi që një lazer i vetëm i tillë mund të përdoret për të ndezur një reagim të shkrirjes bërthamore , duke zëvendësuar brigjet e qindra lazerave të punësuar aktualisht në eksperimentet e shkrirjes inerciale .

Lazer me rreze X me bazë hapësinore të pompuar nga një shpërthim bërthamor janë propozuar gjithashtu si armë antimisile. Pajisjet e tilla do të ishin armë me një të shtënë.

Qelizat e gjalla janë përdorur për të prodhuar dritë lazer. Qelizat u përpunuan gjenetikisht për të prodhuar proteina fluoreshente të gjelbër (GFP). GFP përdoret si "medium fitimi" i lazerit, ku bëhet amplifikimi i dritës. Më pas qelizat u vendosën midis dy pasqyrave të vegjël, vetëm 20 të miliontat e një metri të gjerë, të cilët vepronin si "zgavra e lazerit" në të cilën drita mund të kërcej shumë herë nëpër qelizë. Me të larë qelizën me dritë blu, mund të shihet se lëshon dritë lazeri të drejtuar dhe intensive.

Përdorimi

Artikulli kryesor: Lista e aplikacioneve për lazer

Kur lazeri u shpik në vitin 1960, ata u quajtën "një zgjidhje që kërkon një problem". Që atëherë, ata janë bërë të kudogjendur, duke gjetur dobi në mijëra aplikacione shumë të ndryshme në çdo pjesë të shoqërisë moderne, duke përfshirë elektronikën e konsumit , teknologjinë e informacionit, shkencën, mjekësinë, industrinë, zbatimin e ligjit , argëtimin dhe ushtrinë . Komunikimi me fibra optike duke përdorur lazer është një teknologji kryesore në komunikimet moderne, duke lejuar shërbime të tilla si interneti .

Përdorimi i parë i dukshëm gjerësisht i lazerave ishte skaneri i barkodit të supermarketit , i prezantuar në vitin 1974. Lojtari laserdisc , i prezantuar në 1978, ishte produkti i parë i suksesshëm i konsumatorit që përfshiu një lazer, por luajtësi i kompaktit të diskut ishte pajisja e parë e pajisur me lazer që u bë e zakonshme , duke filluar në 1982 ndjekur pak nga printerët lazer .

Disa përdorime të tjera janë:

Komunikimet: përveç komunikimit me fibra optike , lazer përdoren për komunikim optik në hapësirë të lirë , përfshirë komunikimin me lazer në hapësirë .
Mjekësia: shih më poshtë .
Industria: prerje duke përfshirë konvertimin e materialeve të hollë, saldimin , trajtimin e nxehtësisë së materialit , shënimin e pjesëve ( gdhendje dhe ngjitje ), prodhim shtesë ose procese të shtypjes 3D të tilla si sinterimi Lazerët dallohen nga burimet e tjera të dritës për lazer selektiv dhe shkrirja lazer selektive , matja pa kontakt e pjesëve dhe skanimi 3D dhe lazer pastrimi .
Ushtarak: shënjimi i shënjestrave, municionet udhëzuese , mbrojtja raketore , kundërmasat elektro-optike (EOCM) , lidar , trupat verbuese. Shikoni më poshtë
Zbatimi i ligjit : Zbatimi i trafikut LIDAR . Lazerët përdoren për zbulimin e gjurmëve të fshehta të gishtave në fushën e identifikimit kriminalistik Lazerët dallohen nga burimet e tjera të dritës për
Hulumtimi: spektroskopi , heqje lazer , pjekje lazer , shpërndarje lazer , interferometri lazer , lidar , mikrodissektim kapës lazer , mikroskopi fluoreshence , metrologji , ftohje lazer .
Produkte komerciale: printerë lazer , skanues të barkodeve , termometra , tregues lazer , hologramë , flluska .
Argëtim: disqe optike , shfaqje të ndriçimit lazer , pllaka rrotullimi me lazer

Në vitin 2004, duke përjashtuar lazer diodë, afërsisht 131,000 lazer u shitën me një vlerë prej 2.19 miliardë dollarë. Në të njëjtin vit, afërsisht 733 milion lazer diodë, me vlerë prej 3.20 miliardë dollarë, u shitën.

Në mjekësi

Artikujt kryesorë: Ilaçi me lazer dhe Lazeri në trajtimin e kancerit

Lazerët kanë shumë përdorime në mjekësi, duke përfshirë operacionin lazer (veçanërisht kirurgjinë e syve ), shërimin me lazer, trajtimin e gurëve në veshka , oftalmoskopinë dhe trajtimet kozmetike të lëkurës siç janë trajtimi i akneve , ulja e celulitit dhe strijave dhe heqja e qimeve .

Laserët përdoren për të trajtuar kancerin duke tkurrur ose shkatërruar tumore ose rritje prekanceroze. Ato përdoren më së shpeshti për të trajtuar kancere sipërfaqësore që ndodhen në sipërfaqen e trupit ose rreshtimin e organeve të brendshme. Ato përdoren për të trajtuar kancerin e lëkurës në qelizat bazale dhe fazat e hershme të të tjerëve si kanceri i qafës së mitrës , penisi , vagjina , vulva dhe qelizat jo të vogla të mushkërive . Terapia me lazer shpesh është e kombinuar me trajtime të tjera, të tilla si kirurgjia , kimioterapia ose terapia rrezatuese . Termoterapia intersticiale e induktuar me lazer (LITT), ose lazeri intersticialfotokoagulimi , përdor lazer për të trajtuar disa kancere duke përdorur hiperterminë, e cila përdor nxehtësinë për të tkurrur tumoret duke dëmtuar ose vrarë qelizat kancerogjene. Lazerat janë më precize sesa metodat tradicionale të kirurgjisë dhe shkaktojnë më pak dëme, dhimbje, gjakderdhje , ënjtje dhe dhëmbëza. Një disavantazh është që kirurgët duhet të kenë trajnim të specializuar. Mund të jetë më e shtrenjtë se trajtimet e tjera.

Si armë

Artikulli kryesor: Armë me lazer

Një armë lazer është një lazer që përdoret si një armë me energji të drejtuar . Lazerët dallohen nga burimet e tjera të dritës për Arma Taktike e Energjisë së Lartë Taktike SHBA – Izraelite është përdorur për të rrëzuar raketa dhe predha artilerie.

Hobi

Në vitet e fundit, disa hobi kanë marrë interes në lazer. Lazerët e përdorur nga hobistët janë zakonisht të klasës IIIa ose IIIb (shih Siguria ), megjithëse disa kanë bërë llojet e tyre të klasës IV. Sidoqoftë, në krahasim me hobistët e tjerë, hobistët e lazerit janë shumë më pak të zakonshëm, për shkak të kostos dhe rreziqeve të mundshme të përfshira. Për shkak të kostos së lazerëve, disa hobi përdorin mjete të lira për të marrë lazer, të tilla si shpëtimi i diodave lazer nga DVD-të e prishur (të kuqe), Blu-ray player (vjollcë), apo edhe dioda me lazer me fuqi më të lartë nga ndezësit CD ose DVD .

Hobistët gjithashtu kanë marrë lazer të tepërt të pulsuar nga aplikacionet ushtarake në pension dhe duke i modifikuar për holografinë impulsive. Janë përdorur lazer me impuls Ruby dhe impulsues YAG.

Shembuj nga fuqia

Aplikime të ndryshme kanë nevojë për lazer me fuqi të ndryshme dalëse. Laserët që prodhojnë një rreze të vazhdueshme ose një seri impulsesh të shkurtra mund të krahasohen në bazë të fuqisë së tyre mesatare. Lazerët që prodhojnë impulse mund të karakterizohen gjithashtu bazuar në fuqinë kulmore të secilit impuls. Fuqia kulmore e një lazeri impulsiv është shumë rende më e madhe se fuqia e tij mesatare. Fuqia mesatare e daljes është gjithmonë më e vogël se energjia e konsumuar.

Fuqia e vazhdueshme ose mesatare e nevojshme për disa përdorime:
Fuqia	Përdorni
1-5 mW	Tregues lazer
5 mW	CD-ROM makinë
5-10 mW	DVD player ose njësi DVD-ROM
100 mW	High-speed CD-RW ndezjes
250 mW	Consumer 16 × DVD-R ndezjes
400 mW	Djegia përmes një xhevahire, përfshirë disk brenda 4 sekondave
400 mW	Regjistrim me shtresë të dyfishtë DVD 24
1 W	Lazeri i gjelbër në zhvillimin e prototipit Holographic Versatile DiscLazerët dallohen nga burimet e tjera të dritës për
1-20 W	Prodhimi i shumicës së lazerëve me gjendje të ngurtë komerciale të disponueshme që përdoren për përpunimin mikro
30–100 W	Lazera tipike kirurgjikale të mbyllura me CO ₂ Lazerët dallohen nga burimet e tjera të dritës për
100–3000 W	Lazera tipike të mbyllura CO _{2 të} përdorura në prerjet industriale me lazer

Shembuj të sistemeve impulsive me fuqi të lartë të pikut:

700 TW (700 × 10 ¹² W) - Impianti Nacional i Ndezjes , një sistem lazer me rreze 192, 1.8 megajoule ngjitur me një dhomë të synuar me diametër 10 metra
1.3 PW (1.3 × 10 ¹⁵ W) - lazeri më i fuqishëm në botë që nga viti 1998, i vendosur në Laboratorin Lawrence Livermore

Siguria

Artikulli kryesor: Siguria në lazer

Majtas: Simboli evropian paralajmërues me lazer kërkohet për lazerët e Klasit 2 dhe më të lartë. Djathtas: Etiketa paralajmëruese e lazerit amerikan, në këtë rast për një lazer Klasa 3B

Edhe lazeri i parë u njoh si potencialisht i rrezikshëm. Theodore Maiman karakterizoi lazerin e parë si një fuqi të një "Gillette" pasi mund të digjej përmes një teh rroje Gillette . Sot, është pranuar që edhe lazer me fuqi të ulët me vetëm disa milliwatt të energjisë mund të jenë të rrezikshëm për shikimin e njeriut kur rrezja godet syrin direkt ose pas reflektimit nga një sipërfaqe me shkëlqim. Në gjatësi vale të cilat kornea dhe lentet mund të përqendrohen mirë, koherenca dhe divergjenca e ulët e dritës lazer do të thotë që ajo mund të përqendrohet nga syri në një vend jashtëzakonisht të vogël në retinë , duke rezultuar në djegie të lokalizuar dhe dëmtim të përhershëm në sekonda ose edhe më pak koha

Lazerët zakonisht etiketohen me një numër të klasës së sigurisë, i cili identifikon sa i rrezikshëm është lazeri:

Klasa 1 është natyrshëm e sigurt, zakonisht sepse drita përmbahet në një mbyllje, për shembull në lexuesit CD.
Klasa 2 është e sigurt gjatë përdorimit normal; injoroj refleks i syrit do të parandaluar dëmtimin. Zakonisht deri në 1 mW fuqi, për shembull treguesit me lazer.
Lazerat e klasës 3R (ish IIIa) janë zakonisht deri në 5 mW dhe përfshijnë një rrezik të vogël të dëmtimit të syve brenda kohës së refleksit të pulsimit. Vështrimi në një tra të tillë për disa sekonda ka të ngjarë të shkaktojë dëmtim të një pike në retinë.
Klasa 3B mund të shkaktojë dëmtime të menjëhershme të syve pas ekspozimit.
Lazerët e klasit 4 mund të djegin lëkurën, dhe në disa raste, edhe drita e shpërndarë mund të shkaktojë dëmtime të syve dhe / ose lëkurës. Shumë lazer industrialë dhe shkencorë janë në këtë klasë.

Fuqitë e treguara janë për lazer me dritë të dukshme, me valë të vazhdueshme. Për lazer me impuls dhe gjatësi vale të padukshme, zbatohen kufij të tjerë të fuqisë. Njerëzit që punojnë me lazer të klasës 3B dhe klasa 4 mund të mbrojnë sytë e tyre me syze sigurie të cilat janë krijuar për të thithur dritë me një gjatësi vale të veçantë.

Lazerat infra të kuqe me gjatësi vale më të gjatë se rreth 1.4 mikrometra shpesh referohen si "të sigurt për sytë", sepse kornea tenton të thithë dritën në këto gjatësi vale, duke mbrojtur retinën nga dëmtimi. Etiketimi "i sigurt për sytë" mund të jetë mashtrues, megjithëse vlen vetëm për rrezet e valëve të vazhdueshme me fuqi relativisht të ulët; një lazer me fuqi të lartë ose me kalim Q në këto gjatësi vale mund të djegë korneën, duke shkaktuar dëme të mëdha në sy, madje edhe lazer me fuqi të moderuar mund të dëmtojnë syrin.

Lazerët mund të jenë një rrezik për aviacionin civil dhe ushtarak, për shkak të potencialit për të shpërqendruar përkohësisht ose për të verbër pilotët. Shikoni lazer dhe sigurinë e aviacionit për më shumë në lidhje me këtë temë.

Kamerat e bazuara në pajisje të bashkuara me ngarkesë mund të jenë në të vërtetë më të ndjeshme ndaj dëmtimit të lazerit sesa sytë biologjikë.

Shiko gjithashtu