Lasrar som källor för elektromagnetisk strålning

Lasrar – uppdelning beroende på vilket aktivt medium som används

Laser är en akronym för Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation . De fungerar genom att förstärka det emitterade ljuset genom att tvinga fram emissionen. De avger elektromagnetisk strålning inom området synligt, ultraviolett eller infrarött ljus. Driften av lasrar är baserad på stimulerad emission, som består i att belysa exciterade atomer med strålning av en definierad energi. Den mest allmänna uppdelningen av lasrar baseras på deras klassificering beroende på det aktiva mediet eller våglängden på den utsända strålningen. Med hänsyn till det aktiva mediet som finns i lasern kan vi särskilja gas-, flytande- och fast-tillståndslasrar. Molekyler, atomer eller joner som ingår i ett sådant medium skiljer sig åt i sin energistruktur. Det bestämmer de viktigaste parametrarna för lasern. Nedan är de viktigaste exemplen på lasrar, beroende på vilket aktivt medium som används. Inom parentes står våglängdsintervallen för den emitterade vågen:

Gaslasrar

• Helium-neon (543 nm eller 633 nm)
• Argan (458nm, 488nm eller 514,5nm)
• Salpeter (337,1 nm)
• Krypton (647,1 nm, 676,4 nm)
• Koldioxid (10,6 μm)

Flytande lasrar

• Färglaser (400 nm – 700 nm)

Solid-state lasrar

• Rubinlaser (694,3 nm)
• YAG neodym laser
• Neodymium laser i glas
• YAG erbiumlaser (1645 nm)
• YAG thulium laser (2015 nm)

Egenskaper för utvalda lasrar

• Argon laser

Argonlasern tillhör gruppen gasjonlasrar. Det aktiva mediet i detta fall bildas av argonjoner. Denna laser kan avge mer än 30 linjer från ultraviolett till rött ljus. Argonatomer hålls i urladdningsröret vid ett tryck av cirka 0,1 Torr. Elektronerna som skapas under urladdningen kolliderar med argonatomer. De kan direkt jonisera och excitera dem, flytta atomerna från grundtillståndet till det exciterade jontillståndet. En annan, mer effektiv process är tvåstegs jonisering av argon. Jonen som bildas på detta sätt överförs sedan till ett ännu högre excitationstillstånd, vilket kallas det övre lasertillståndet. Detta gör det möjligt att generera flera spektrallinjer med olika frekvenser.

• Helium-neon laser

Helium-neonlasern är ett exempel på en gaslaser, byggd 1959. Ljus emitteras som ett resultat av den så kallade populationsinversionen. Helium och neon placeras i ett 10:1-förhållande (totalt tryck är nära 1,3 hPa) i ett kvartsglasrör. Spänning appliceras i dess ändar, vilket orsakar urladdningar i gasen. Som ett resultat skapas ett elektrostatiskt fält inuti röret. Det accelererar elektroner och joner till höga hastigheter. Eftersom det finns fler heliumatomer inuti en sådan laser, träffar accelererade elektroner dem mycket oftare och orsakar deras excitation till högre energitillstånd, som är relativt stabila under en relativt lång tid. De exciterade heliumatomerna kolliderar i sin tur med neonatomerna och överför excitationsenergin till dem. För denna gas är excitationstiderna på en högre nivå större än på en lägre nivå, därför inträffar efter en tid den så kallade populationsinversionen.

• Koldioxidlaser (molekylär)

Sådana lasrar kan arbeta i både kontinuerligt och pulsläge. Det aktiva mediet i detta fall är en blandning av koldioxid (CO ₂ ), kväve (N ₂ ) och helium (He) i ett volymförhållande av 1:1,3 : 1,7. Var och en av dem fyller specifika funktioner. Koldioxid är den aktiva gasen, elektriska urladdningar, som ger excitationsenergi, sker i kväve, medan helium är designat för att stabilisera CO ₂ -plasman och avleda den resulterande värmen. Elektriska urladdningar som sker i en blandning av koldioxid och kväve orsakar en mycket effektiv excitation av N ₂ -molekyler. Eftersom en sådan molekyl har identiska kärnor är en dipolövergång förbjuden. Energi går förlorad endast till följd av kollisioner. Om det finns koldioxidmolekyler i det molekylära laserröret, orsakar kollisioner av den andra typen, som en konsekvens av det goda sammanträffandet av de exciterade N ₂ – och CO ₂ -nivåerna excitation av CO ₂ -molekyler och återgår till grundtillståndet N ₂ molekyler. I detta fall uppnås inversion i blandningen mycket lättare än i ren CO ₂ .

• Rubin laser

Den byggdes 1960 av Theodore Maiman. Den aktiva substansen som ansvarar för rubinlaserns egenskaper är rubin (aluminiumtrioxid, Al ₂ O ₃ , där några av aluminiumatomerna är ersatta av Cr ³⁺ kromatomer). Rubinlasrar arbetar i pulser och avger strålning i det synliga röda ljusområdet. Den centrala delen av lasern är en rubinstav med en blixtlampa ovanför. Den intensiva ljusblixten som kommer från den exciterar vissa rubinatomer till ett högre energitillstånd. I sin tur exciterar rubinatomerna andra atomer på detta sätt genom att skicka fotoner. På båda sidor av rubinstaven finns speglar som förstärker denna effekt. En av dem är semipermeabel, och fotonerna som strömmar ut genom den är den resulterande laserstrålen. Rubinlasrar är nu främst av historiskt intresse. Deras användning är begränsad till holografi eller tatueringsborttagning.