Laser — dispositivo e princípio de operação

Comportamento normal da luz ao passar por um meio

Normalmente, quando a luz passa por um meio, sua intensidade diminui. O valor numérico dessa atenuação pode ser encontrado na lei de Bouguer:

Nessa equação, além das intensidades de luz I entrando e saindo do meio, existe também um fator denominado coeficiente linear de absorção de luz do meio. Na óptica tradicional, este coeficiente é sempre positivo.

Absorção de luz negativa

E se por algum motivo o coeficiente de absorção for negativo? O que então? Haverá amplificação da luz ao passar pelo meio; de fato, o meio apresentará absorção negativa.

As condições para observar tal imagem podem ser criadas artificialmente. O conceito teórico sobre a forma de implementação do fenômeno proposto foi formulado em 1939 pelo físico soviético Valentin Alexandrovich Fabrikant.

Ao analisar um hipotético meio amplificador de luz que passa por ele, Fabrikant propôs o princípio da amplificação de luz. E em 1955os físicos soviéticos Nikolai Genadievich Basov e Alexander Mikhailovich Prokhorov aplicaram essa ideia Fabrikant à região de radiofrequência do espectro eletromagnético.

Considere o lado físico da possibilidade de absorção negativa. De uma forma idealizada, os níveis de energia dos átomos podem ser representados como linhas - como se os átomos em cada estado tivessem apenas energias estritamente definidas E1 e E2. Isso significa que, ao passar de um estado para outro, um átomo emite ou absorve exclusivamente luz monocromática de um comprimento de onda precisamente definido.

Mas a realidade está longe do ideal e, de fato, os níveis de energia dos átomos têm uma certa largura finita, ou seja, não são linhas de valores exatos. Portanto, durante as transições entre os níveis, haverá também uma certa faixa de frequências emitidas ou absorvidas dv, que depende da largura dos níveis de energia entre os quais a transição ocorre. Os valores de E1 e E2 podem ser usados ​​para denotar apenas os níveis médios de energia do átomo.

Então, como assumimos que E1 e E2 são os pontos médios dos níveis de energia, podemos considerar um átomo nesses dois estados. Seja E2>E1. Um átomo pode absorver ou emitir radiação eletromagnética quando passa entre esses níveis. Suponha que, estando no estado fundamental E1, um átomo absorva radiação externa com energia E2-E1 e passe para um estado excitado E2 (a probabilidade de tal transição é proporcional ao coeficiente de Einstein B12).

Estando no estado excitado E2, o átomo sob a ação da radiação externa com energia E2-E1 emite um quantum com energia E2-E1 e é forçado a passar para o estado fundamental com energia E1 (a probabilidade de tal transição é proporcional a o coeficiente de Einstein B21).

Se um feixe paralelo de radiação monocromática com densidade espectral volumétrica w (v) passa através de uma substância cuja camada tem área de seção transversal unitária e espessura dx, então sua intensidade mudará no valor:

Aqui n1 é a concentração de átomos nos estados E1, n2 é a concentração de átomos nos estados E2.

Substituindo as condições do lado direito da equação, assumindo que B21 = B12, e então substituindo a expressão por B21, obtemos a equação para a mudança na intensidade da luz em níveis estreitos de energia:

Na prática, como mencionado acima, os níveis de energia não são infinitamente estreitos, portanto sua largura deve ser levada em consideração. Para não sobrecarregar o artigo com uma descrição de transformações e um monte de fórmulas, simplesmente notamos que, inserindo uma faixa de frequência e depois integrando sobre x, teremos uma fórmula para encontrar o coeficiente de absorção real de uma média:

Como é óbvio que em condições de equilíbrio termodinâmico, a concentração n1 de átomos no estado de menor energia E1 é sempre maior que a concentração n2 de átomos no estado superior E2, a absorção negativa é impossível em condições normais, é impossível amplificar leve apenas passando por um ambiente real sem tomar nenhuma medida extra...

Para que a absorção negativa seja possível, é necessário criar condições em que a concentração de átomos no estado excitado E2 no meio seja maior que a concentração de átomos no estado fundamental E1, ou seja, é necessário organizar uma distribuição reversa de átomos no meio de acordo com seus estados de energia.

A necessidade de bombeamento de energia do ambiente

Para organizar uma população invertida de níveis de energia (para obter um meio ativo), bombeamento (por exemplo, óptico ou elétrico) é usado. O bombeamento óptico envolve a absorção de radiação direcionada a eles por átomos, devido à qual esses átomos entram em um estado excitado.

O bombeamento elétrico em um meio gasoso envolve a excitação de átomos por colisões inelásticas com elétrons na descarga de gás. Segundo Fabrikant, alguns dos estados de baixa energia dos átomos devem ser eliminados por meio de impurezas moleculares.

É praticamente impossível obter um meio ativo usando bombeamento óptico em um meio de dois níveis, pois quantitativamente as transições de átomos por unidade de tempo do estado E1 para o estado E2 e vice-versa (!) Nesse caso serão equivalentes, o que significa que é necessário recorrer a pelo menos um sistema de três níveis.

Considere um sistema de bombeamento de três estágios. Deixe a radiação externa com a energia do fóton E3-E1 agir no meio enquanto os átomos no meio passam do estado com a energia E1 para o estado com a energia E3. Do estado de energia E3, são possíveis transições espontâneas para o estado E2 e para E1. Para obter uma população invertida (quando há mais átomos com o nível E2 em um determinado meio), é necessário tornar o nível E2 mais duradouro do que o E3. Para isso, é importante cumprir as seguintes condições:

O cumprimento dessas condições fará com que os átomos no estado E2 permaneçam mais tempo, ou seja, a probabilidade de transições espontâneas de E3 para E1 e de E3 para E2 excede a probabilidade de transições espontâneas de E2 para E1. Então o nível E2 se tornará mais duradouro, e tal estado no nível E2 pode ser chamado de metaestável. Portanto, quando a luz com frequência v = (E3 — E1) / h passa por tal meio ativo, essa luz será amplificada. Da mesma forma, um sistema de quatro níveis pode ser usado, então o nível E3 será metaestável.

dispositivo a laser

Assim, o laser inclui três componentes principais: um meio ativo (no qual é criada a inversão da população dos níveis de energia dos átomos), um sistema de bombeamento (um dispositivo para obter a inversão da população) e um ressonador óptico (que amplifica a radiação muitas vezes e forma um feixe direcionado da saída). O meio ativo pode ser sólido, líquido, gasoso ou plasma.

O bombeamento é feito de forma contínua ou pulsada. Com bombeamento contínuo, o fornecimento do meio é limitado pelo superaquecimento do meio e pelas consequências desse superaquecimento. No bombeamento pulsado, a energia útil introduzida aos poucos no meio é obtida mais devido à grande potência de cada pulso individual.

Lasers diferentes - bombeamento diferente

Os lasers de estado sólido são bombeados pela irradiação do meio de trabalho com poderosos flashes de descarga de gás, luz solar focalizada ou outro laser.Este é sempre bombeamento pulsado porque a potência é tão alta que a barra de trabalho entrará em colapso sob ação contínua.

Os lasers líquidos e gasosos são bombeados com uma descarga elétrica.Os lasers químicos assumem a ocorrência de reações químicas em seu meio ativo, como resultado da qual a população invertida de átomos é obtida dos produtos da reação ou de impurezas especiais com uma estrutura de nível apropriado.

Lasers semicondutores são bombeados por corrente direta através de uma junção pn ou por um feixe de elétrons. Além disso, existem métodos de bombeamento como fotodissociação ou método dinâmico de gás (resfriamento abrupto de gases aquecidos).

Ressonador óptico — o coração do laser

O ressonador óptico é um sistema de um par de espelhos, no caso mais simples, dois espelhos (côncavos ou paralelos) fixados um em frente ao outro, e entre eles ao longo de um eixo óptico comum existe um meio ativo na forma de um cristal ou um cubeta com gás. Os fótons que passam em ângulo pelo meio o deixam de lado, e os que se movem ao longo do eixo, sendo refletidos várias vezes, são amplificados e saem por um espelho translúcido.

Isso produz radiação laser – um feixe de fótons coerentes – um feixe estritamente direcionado. Durante uma passagem de luz entre os espelhos, a magnitude do ganho deve exceder um certo limite - a quantidade de perda de radiação através do segundo espelho (quanto melhor o espelho transmite, maior deve ser esse limite).

Para que a amplificação de luz seja realizada de forma eficaz, é necessário não apenas aumentar o caminho da luz dentro do meio ativo, mas também garantir que as ondas que saem do ressonador estejam em fase entre si, então as ondas interferentes darão a amplitude máxima possível.

Para atingir esse objetivo, é necessário que cada uma das ondas no ressonador retornando a um ponto no espelho da fonte e, em geral, em qualquer ponto do meio ativo, esteja em fase com a onda primária após um número arbitrário de reflexões perfeitas . Isso é possível quando o caminho óptico percorrido pela onda entre dois retornos satisfaz a condição:

onde m é um número inteiro, neste caso a diferença de fase será um múltiplo de 2P:

Agora, como cada uma das ondas difere em fase da anterior em 2pi, isso significa que todas as ondas que saem do ressonador estarão em fase umas com as outras, dando interferência de amplitude máxima. O ressonador terá radiação paralela quase monocromática na saída.

A operação dos espelhos no interior do ressonador proporcionará a amplificação dos modos correspondentes às ondas estacionárias no interior do ressonador; outros modos (surgidos devido às peculiaridades das condições reais) serão enfraquecidos.

Laser de rubi — o primeiro estado sólido

O primeiro dispositivo de estado sólido foi construído em 1960 pelo físico americano Theodore Maiman. Era um laser de rubi (rubi — Al2O3, onde alguns dos locais da rede — dentro de 0,5% — são substituídos por cromo triplamente ionizado; quanto mais cromo, mais escura é a cor do cristal rubi).

O primeiro laser funcional bem-sucedido projetado pelo Dr. Ted Mayman em 1960.

Um cilindro de rubi feito do cristal mais homogêneo, com diâmetro de 4 a 20 mm e comprimento de 30 a 200 mm, é colocado entre dois espelhos feitos em forma de camadas de prata aplicadas nas extremidades cuidadosamente polidas deste cilindro. Uma lâmpada de descarga de gás em forma de espiral envolve um cilindro ao longo de todo o seu comprimento e é alimentada com alta tensão por meio de um capacitor.

Quando a lâmpada é acesa, o rubi é intensamente irradiado, enquanto os átomos de cromo passam do nível 1 para o nível 3 (ficam nesse estado excitado por menos de 10-7 segundos), é aqui que as transições mais prováveis ​​para nível 2 são realizados - para um nível metaestável. O excesso de energia é transferido para a rede cristalina do rubi. As transições espontâneas do nível 3 para o nível 1 são insignificantes.

A transição do nível 2 para o nível 1 é proibida pelas regras de seleção; portanto, a duração desse nível é de cerca de 10 a 3 segundos, o que é 10.000 vezes mais do que no nível 3; esta é a população reversa do nível 2.

Surgindo espontaneamente durante transições espontâneas, os fótons podem causar transições forçadas do nível 2 para o nível 1 e provocar uma avalanche de fótons secundários, mas essas transições espontâneas são aleatórias e seus fótons se propagam de forma caótica, saindo principalmente do ressonador por sua parede lateral.

Mas os dos fótons que atingem o eixo sofrem múltiplas reflexões dos espelhos, causando simultaneamente a emissão forçada de fótons secundários, que novamente provocam a emissão estimulada, e assim por diante. Esses fótons se moverão em uma direção semelhante aos primários e o fluxo ao longo do eixo do cristal aumentará como uma avalanche.

O fluxo multiplicado de fótons sairá pelo espelho translúcido lateral do ressonador na forma de um feixe de luz estritamente direcional de intensidade colossal. O laser de rubi opera em um comprimento de onda de 694,3 nm, enquanto a potência do pulso pode chegar a 109 W

Laser neon com hélio

O laser de hélio-neon (hélio / neon = 10/1) é um dos lasers a gás mais populares. A pressão na mistura gasosa é de cerca de 100 Pa.Neon serve como um gás ativo, produz fótons com um comprimento de onda de 632,8 nm em modo contínuo. A função do hélio é criar uma população reversa a partir de um dos níveis de energia superiores do neon. A largura do espectro de tal laser é de cerca de 5 * 10-3 Hz Comprimento de coerência 6 * 1011 m, tempo de coerência 2 * 103 ° C.

Quando um laser de hélio-neon é bombeado, uma descarga elétrica de alta voltagem induz a transição dos átomos de hélio para um estado excitado metaestável do nível E2. Esses átomos de hélio colidem inelasticamente com átomos de néon no estado fundamental E1, transferindo sua energia. A energia do nível E4 de néon é maior do que o nível E2 de hélio em 0,05 eV. A falta de energia é compensada pela energia cinética das colisões atômicas. Como resultado, no nível E4 do néon, obtém-se uma população invertida em relação ao nível E3.

Tipos de lasers modernos

De acordo com o estado do meio ativo, os lasers são divididos em: sólido, líquido, gás, semicondutor e também cristal. De acordo com o método de bombeamento, eles podem ser: ópticos, químicos, descarga de gás. Pela natureza da geração, os lasers são divididos em: contínuos e pulsados. Esses tipos de lasers emitem radiação na faixa visível do espectro eletromagnético.

Lasers ópticos apareceram mais tarde do que outros. Eles são capazes de gerar radiação na faixa do infravermelho próximo, tal radiação (em um comprimento de onda de até 8 mícrons) é muito adequada para comunicações ópticas. Os lasers ópticos contêm uma fibra no núcleo da qual foram introduzidos vários íons de elementos de terras raras adequados.

O guia de luz, como em outros tipos de lasers, é instalado entre um par de espelhos.Para o bombeamento, a radiação laser com o comprimento de onda necessário é alimentada na fibra, de modo que os íons dos elementos de terras raras passem para um estado excitado sob sua ação. Voltando a um estado de energia mais baixo, esses íons emitem fótons com um comprimento de onda maior que o do laser inicial.

Desta forma, a fibra atua como uma fonte de luz laser. Sua frequência depende do tipo de elementos de terras raras adicionados. A própria fibra é feita de fluoreto de metal pesado, o que resulta na geração eficiente de radiação laser na frequência da faixa infravermelha.

Os lasers de raios X ocupam o lado oposto do espectro - entre ultravioleta e gama - são ordens de grandeza com comprimentos de onda de 10-7 a 10-12 M. Lasers desse tipo têm o brilho de pulso mais alto de todos os tipos de lasers.

O primeiro laser de raios X foi construído em 1985 nos Estados Unidos, no Livermore Laboratory. Lawrence. O laser gerado em íons de selênio, a faixa de comprimento de onda é de 18,2 a 26,3 nm, e o maior brilho cai na linha de comprimento de onda de 20,63 nm. Hoje, a radiação laser com comprimento de onda de 4,6 nm é obtida com íons de alumínio.

O laser de raios X é gerado por pulsos com duração de 100 ps a 10 ns, que depende do tempo de vida da formação do plasma.

O fato é que o meio ativo de um laser de raios X é um plasma altamente ionizado, obtido, por exemplo, quando um filme fino de ítrio e selênio é irradiado com um laser de alta potência no espectro visível ou infravermelho.

A energia do laser de raios X em um pulso atinge 10 mJ, enquanto a divergência angular no feixe é de aproximadamente 10 milirradianos. A relação entre a potência da bomba e a radiação direta é de cerca de 0,00001.