Lazer (elektromanyetik)

ÖZELLİKLER

Lazerler kendi tutarlılık diğer ışık kaynaklarından ayırt edilir. Mekansal tutarlılık tipik kırınım-sınırlı dar bir ışın olmak çıkışı aracılığıyla ifade edilir. Lazer ışınları çok yüksek parlama elde, çok küçük noktalar odaklı olabilir, ya da büyük bir mesafe güçlerini konsantre etmek için çok düşük farklılığı olabilir.
Temporal (ya da boyuna) tutarlılık faz kiriş boyunca nispeten büyük bir mesafe (tutarlılık uzunluğu) üzerine korelasyon tek bir frekansta bir polarize dalga ima eder.Termal ya da başka tutarsız ışık kaynağı tarafından üretilen bir ışın anlık bir genlik var ve bu şekilde kısa bir uzunluğa sahip olan bir tutarlılık, zaman ve konumuna göre  aşamalar rastgele değişir.
Lazerler vakum içinde kendi dalga boyuna göre karakterize edilir. Çoğu "tek dalga boyu" lazerler aslında çoğu zaman tek bir kutuplaşma içinde biraz farklı frekansları (dalga boylarını) sahip çeşitli modlarda radyasyon üretmek. Zamansal ahenk monochromaticity ifade etse de, ışık geniş bir spektrumunu yayan veya eş zamanlı olarak farklı dalga boylarında ışık yayan lazerler bulunmaktadır. Tek mekansal mod değildir ve dolayısıyla kırılma limiti için gerekli olan daha fazla sapmak ışık ışınları olan bazı lazerler vardır. Bununla birlikte, bu tür cihazlar ışık üretme yöntemlerine göre "lazer" olarak sınıflandırılır, yani emisyon uyarmıştır. Gerekli uzaysal ve zamansal tutarlılık ışık basit teknolojiler kullanılarak üretilemezdi ,bu yüzden lazerler uygulamalarında kullanılmaktadır.

TERMİNOLOJİ

Kelime lazer "uyarılmış radyasyon emisyonu ışık amplifikasyon" için bir kısaltma olarak başladı. Modern kullanımı bakımından, "hafif" herhangi bir frekans elektromanyetik radyasyon, sadece görünür ışık, böylece bu nedenle terimler kızılötesi lazer, UV lazer X ışını, lazer, vb içerir. Lazer, maser mikrodalga selefi Çünkü, mikrodalga ve radyo frekanslarında çalışan bu tür cihazların "mazerlerin" yerine "mikrodalga lazerler" ya da "radyo lazerler" olarak anılacaktır, ilk geliştirildi. Özellikle Bell Telephone Laboratories erken teknik edebiyat, lazer optik MASER denirdi; Bu terim artık kullanılmıyor.
Tek başına ışık üretir lazer teknik bir optik osilatör yerine kısaltma önerdiği gibi bir optik amplifikatör. Bu mizahi olmuştur "uyarılmış radyasyon emisyonu ışık salınım" için kısaltma LOSER, daha doğru olduğu dikkat çekmiştir.Ortak isim olarak orijinal kısaltma yaygın kullanımı ile, optik yükselticiler anılacaktır gelmiş için "lazer yükselteçleri" olarak, bu atama belirgin fazlalık rağmen.
Lütfen oluşturulmuş fiil, yani alanda sıkça kullanılan lase için "Lazer ışığı üretmek için," , özellikle bir lazer kazanç ortamında referans; bir lazer olması söylenir çalışırken "Devamlı" olup, lazer teknolojisi ya da cihazlar atıfta uzun bir anlamda kelime lazer ve maser daha başka kullanımı, örneğin Astrofiziksel maser ve atom lazer olarak kullanıldığı görülebilir.

TASARIM

Bir lazer bir kazanç ortamı, onu çektirmek için bir mekanizma ve optik geribildirim sağlamak için bir şey oluşur.Kazanç ortamı o uyarılmış emisyon yoluyla ışık yükseltmek için izin veren özelliklere sahip bir malzemedir. Kazanç ortamı (güç artışı) yükseltilir geçen belirli bir dalga boyundaki ışık.
Kazanç ortamı ışık amplifiye için, bu pompalama olarak adlandırılan bir süreç, enerji ile ikmal edilmesi gerekmektedir. Enerji tipik olarak bir elektrik akımı ya da farklı bir dalga boyunda ışık tedarik edilir. Pompa ışık flaş lambası ile ya da başka bir lazer ile sağlanabilir.
Lazer en yaygın tipi kazanç ortamında her iki ucundaki ayna optik oyuk bir çift geri besleme kullanılmaktadır. Işık kazanç ortamında geçerek ileri ve geri aynalar arasında sıçrar ve her zaman amplifiye edilir. Tipik olarak, iki ayna biri, çıkış bağlantı elemanı, kısmen saydamdır. Işığın bir kısmı bu ayna aracılığıyla kaçar. Kavite (aynalar düz veya eğri olup olmadığını) tasarımına bağlı olarak, lazer çıkan ışığı yaymak veya dar ışın oluşturabilir. Elektronik osilatörler benzer bir şekilde, bu cihaz, bazen bir lazer osilatör olarak adlandırılır.
En pratik lazerler gibi ışının kutuplaşma, dalga boyu ve şekli gibi yayılan ışığın özelliklerini etkileyen ek elemanlar içerirler.

FİZİKTE LAZER

Klasik görünümde, bir atom çekirdeği etrafında dönen bir elektronun enerji bir atomun çekirdeğinden daha yörüngeler için büyüktür. Ancak, kuantum mekanik etkiler yörüngelerde ayrık pozisyonlarına almak için elektronları zorlar. Böylece, elektron aşağıda gösterilmiştir ikisi bir atom, spesifik enerji seviyelerinde bulunur
Bir elektron enerjisi ya ışıktan (fotonlar) veya ısı (fononlar) emer, bu enerjinin o olay kuantum alır. Ama geçişler sadece bu yukarıda gösterilen iki olarak ayrık enerji düzeyleri arasında izin verilir. Bu emisyon çizgileri ve emici hatları yol açar.
Bir elektron daha yüksek bir enerji seviyesine düşük gelen heyecanlı zaman, sonsuza kadar bu şekilde kalacak değil. Uyarılmış durumda bir elektron o geçişi karakterize, belirli bir zaman sabitine göre, işgal değil daha düşük bir enerji durumuna bozulabilir. Böyle bir elektronun foton yayan, dış etkisi olmadan bozunur zaman, bu "spontane emisyon" denir. Yayılan foton ile ilişkili faz rastgele. Böyle bir durumda heyecanlı birçok atomlarla bir malzeme böylece (ışık bir dalga etrafında) çok spektral sınırlı radyasyon neden olabilir, ancak bireysel fotonlar ortak faz ilişkisi olurdu ve rastgele yönlere yayılan olacaktır. Bu floresans ve ısı emisyon mekanizmadır.
Bir geçiş ile ilişkili bir frekansta Harici elektromanyetik alan atomun kuantum mekaniksel durumunu etkileyebilir. Atomun elektron iki sabit devletler (ikisi de bir dipol alanı gösterir) arasında bir geçiş yapar gibi, bir dipol alanı var bir geçiş durumuna geçer ve küçük bir elektrik dipol gibi davranan ve bu dipol bir salınır Karakteristik frekans. Bu frekansta, dış elektrik alanına yanıt olarak, bu geçiş durumuna girmeden atomu olasılığı önemli ölçüde artar. Böylece, iki sabit devletler arasındaki geçişler oranı nedeniyle kendiliğinden emisyon ötesinde geliştirilmiştir. Yüksek devlet Böyle bir geçiş emilimi denir ve bu bir olay foton (fotonun enerji yüksek devlet artan enerji güç gider) yok eder. Daha düşük bir enerji durumuna yüksek dan bir geçiş Bununla birlikte, ek bir foton üretir; Bu stimüle edilmiş emisyona işlemidir.

ORTA VE BOŞLUK KAZANCI

Kazanç ortamı uyarılmış duruma bir enerji dış kaynak tarafından hareketlendirilir. lazerler bu ortam dışında bir ışık kaynağı ya da atomlar absorbe ve hareketli cisimlere dönüştürülmesi için enerji sağlayan bir elektrik alanı vasıtasıyla böyle bir durumda hareketlendirilmiş  atomların birleşmesiyle oluşur.
Bir lazer kazanç ortamı, normal olarak, yukarıda tarif edilen stimüle edilmiş emisyona işlemi ile ışın güçlendirir kontrol saflıkta, boyut, konsantrasyon, ve şekle sahip bir malzemedir. Bu madde herhangi bir devletin olabilir: Doğal gaz, sıvı, katı veya plazma. Kazanç orta yüksek enerji ("heyecan") Kuantum devletler bazı elektronları tutarsa pompa enerjisini emer. Parçacıklar ya emici veya yayan fotonlar tarafından ışığın etkileşimde bulunabilirsiniz. Emisyon spontan ya da uyarılmış olabilir. Son bahsedilen durumda, foton geçen ışığın aynı yönde yayılır. Bir uyarılmış halde parçacıkların sayısı, bazı düşük enerjili halde parçacıkların sayısını aştığında, popülasyon inversiyon elde edilir ve içinden geçen ışık nedeni uyarılmış emisyon miktarı emme miktarından daha büyüktür. Bu nedenle, ışık yükseltilir. Tek başına, bu optik amplifikatör yapar. Bir optik amplifikatör bir rezonant optik boşluğunun içine yerleştirildiği zaman, tek bir lazer osilatörü elde edilir. [8]
(Örneğin, azot lazer bakınız) birkaç durumlarda, kazanç aracılığıyla EM radyasyon sadece tek bir geçiş ile lasing elde etmek mümkündür ve bu da bir rezonant veya yansıtıcı boşluğunun herhangi bir gerek olmaksızın, bir lazer ışını üretir. [9] Dolayısıyla , bir rezonant boşluğunda yansıması, genellikle, bir lazer için gerekli değildir, ancak mutlaka gerekli değildir.
Optik rezonatör bazen "optik kavite" olarak ifade edilir, ancak bu bir yanlış isim: Bir maser mikrodalga frekanslarında çalışan olacağını literal boşluğuna karşı lazerler açık rezonatörler kullanın. Rezonatör, tipik olarak bir ışık ışını tutarlı bir çıkış açıklığından çıkan ya da kırınım veya emilim kaybolur önce ortalama foton art arda kazanç ortamında geçecek şekilde kendi üzerinde geri yansıtma olarak her iki yönde hareket ettiği arasında iki ayna oluşur. Orta kazanç (büyütme) rezonatör kayıpları büyükse, o zaman çevrimli ışığın gücü katlanarak çıkabilir. Ancak her uyarılmış emisyon olay ortamın kazancını azaltarak, zemin durumuna onun heyecanlı durumdan bir atom döndürür. Işın gücü artan net kazanç (kazancı eksi kaybı) birlik azaltır ve kazanç ortamı doymuş olduğu söyleniyor. Sürekli dalga (CW) lazer, kazanç doygunluğu ve kavite kayıplara karşı pompa güç dengesi boşluğunun içindeki lazer gücünün bir denge değeri üretir; Bu denge lazerin çalışma noktasını belirler. Uygulanan pompa gücü çok küçükse, kazanç resonatör kayıpların üstesinden gelmek yeterli olmayacak ve lazer ışık üretilecek olmayacaktır. Lazer eylemi başlatmak için gereken minimum pompa gücü Devamlı eşik denir. Kazanç ortamı yönü ne olursa olsun, içinden geçen herhangi fotonlar yükseltmek olacaktır; ama rezonatör tarafından desteklenen bir mekansal modunda sadece fotonlar aracılığıyla birden fazla geçmesine ve önemli amplifikasyon alacaksınız.

YAYILAN IŞIK

Uyarılmış emisyon tarafından üretilen ışık dalga boyu, aşama ve kutuplaşma açısından giriş sinyaline çok benzer. Bu lazer ışığı onun karakteristik tutarlılığını verir ve muntazam kutuplaşmayı korumak ve sık sık Monokromatiklik optik kavite dizaynı tarafından kurulan sağlar.
(Optik fiber lazer gibi) yerine dalga kılavuzu fazla serbest alan (ya da homojen bir ortamda) seyahat ederken boşluğunda, kiriş ve lazerin çıkış ışını, çok lazer bir Gauss kiriş olarak yaklaşık olarak hesaplanabilir; bu kirişler, belirli bir çapı için en az bir sapma gösterirler. Ancak bazı yüksek güçlü lazerler Hermite-Gauss veya Laguerre-Gauss işlevleri kullanarak sık sık yaklaşık olarak enine modları ile, çok modlu olabilir. O kararsız lazer rezonatörler (çoğu lazer kullanılmaz) gösterilmiştir fraktal şekilli ışınlarının üretilmesi [10] ışını "bel" (ya da fokal bölgenin) oldukça collimated yakınlarında. Dalga cepheleri yayılma yönüne normal düzlemseldir bu noktada hiçbir ışın sapma ile. Ancak, kırınım nedeniyle sadece iyi Rayleigh aralığında doğru kalabilir. Tek bir çapraz mod (Gauss ışın) lazer ışını kırınım teorisinin sonunda gereği olarak, ışın çapı ile ters orantılı olarak değişir bir açıyla ayrılır. (Toprak mesafeden) Ay'da parlıyordu Böylece, doğrudan ortak bir helyum-neon lazer tarafından oluşturulan "kalem ışın" belki de 500 kilometrelik bir boyuta yayılmış olacaktır. 50 ° 'ye kadar: Öte yandan, bir yarı iletken lazer ışık tipik küçük büyük sapma ile kristal çıkar. Bununla birlikte, hatta böyle bir ıraksak ışını yaydığı ışığın bir lazer diyodundan kaynaklanmaktadır lazer işaretleyici, örneğin, her zaman dahil olduğu gibi, bir mercek sistemi ile benzer şekilde birleştirilen ışının dönüştürülebilir. Yani nedeniyle tek mekansal modda ışık varlık mümkündür. Lazer ışığının, mekansal bütünlük, bu eşsiz özelliği hemen hemen her lazer buna bir el feneri (fener) ya da spot gelen ışını karşılaştırarak takdir edilebilir (ışığın en atarak hariç) standart ışık kaynakları kullanılarak çoğaltılmış olamaz.

Kuantum vs klasik emisyon işlemleri

Bir lazer ışın üretme mekanizması enerjisi bir atom veya molekül bir geçiş elde edilir uyarılmış emisyonu dayanır. Bu kendiliğinden emisyon ve absorpsiyon için geçerlidir ve emisyon uyarılmış B katsayısı anlatan bir katsayısı arasındaki ilişkiyi türetilmiş Einstein tarafından keşfedilen bir kuantum olgudur. Bununla birlikte, serbest elektron lazer olması durumunda atom enerji seviyeleri dahil değildir; Bu oldukça egzotik cihazın çalışması kuantum mekaniğine değinmeden açıklanabilir görünür.

Operasyonun sürekli ve darbeli modları

Bir lazer, sürekli ya da darbeli, her iki modda çalışan güç çıkışı, zaman içinde esas itibarıyla sürekli olup olmadığına ya da çıkışı bir ya da başka bir zaman ölçeğinde ışık darbeleri biçimini alır olmasına bağlı olarak da sınıflandırılabilir. Kimin çıkışı normalde sürekli kasıtlı ışık darbeleri yaratmak için bazı oranda açık ve kapalı olabilir tabii, hatta bir lazer. Modülasyon oranı geldiği zaman o hala bir "modüle" ya da "darbeli" sürekli dalga lazer olarak sınıflandırılır, kavite ömrü ve enerji Devamlı orta ya da pompalama mekanizması saklanabilir, üzerinde bir süre daha yavaş ölçekler. Iletişim sistemlerinde kullanılan en lazer diyot bu kategorideki düşer.

Sürekli dalga operasyonu

Lazer bazı uygulamaları, çıkış gücü zaman içinde sabit olan bir kiriş bağlıdır. Bu tür bir lazer sürekli dalga (CW) olarak da bilinir. Lazer birçok çeşidi, bir uygulamayı gerçekleştirmek için sürekli dalga modunda çalışmak üzere yapılabilir. Aynı anda birçok uzunlamasına modlarda aslında lase bu lazerlerin çoğu, ve zaman gidiş-dönüş süresi (frekans aralığı tersi arasındaki daha kısa ölçekler üzerinde aslında genlik değişimleri üretecek olan salınımların biraz farklı optik frekansları arasındaki atıyor modları), tipik olarak birkaç nanosaniye veya daha azdır. Çok yüksek frekanslı güç değişimleri az veya amaçlanan uygulama hiçbir etkiye sahip olan, artık süreler boyunca ortalama Çoğu durumda bu lazerler hala çıkış gücü olarak "Sürekli dalga" olarak adlandırılmaktadır sabit. (Ancak terim niyeti gidiş-dönüş süresi hızında çok kısa darbeleri oluşturmak için mod-kilitli lazerler, uygulanmaz).
Sürekli dalga çalışması için sürekli olarak sabit bir pompa kaynağı tarafından doldurulan kazanç ortamı nüfus ters için gereklidir. Bazı lazer uygulaması medyada bu imkansız. Diğer bazı lazerler bu pratik olabilir ya da aşırı ısı üreterek lazer yok edeceğini çok yüksek, sürekli güç düzeyinde lazer pompalama gerektirir. Bu tür lazerler CW modunda çalıştırılamaz.

Darbeli operasyon

Optik güç bir tekrarlama oranı bazı atım süresi görünür şekilde lazer darbeli çalışması, sürekli dalgası olarak sınıflandırılan herhangi bir lazer işaret eder. Bu, farklı motivasyonlarla bir dizi hitap teknolojilerin geniş bir yelpazede kapsar. Onlar sürekli modda çalıştırmak olamaz çünkü bazı lazerler sadece darbeli edilir.
Diğer durumlarda, uygulama, mümkün olduğunca büyük bir enerjiye sahip darbeler üretimini gerektirir. Nabız enerjisi tekrarlama oranı ile bölünmesiyle ortalama güce eşit olduğundan, bu amaç, bazen daha fazla enerji palsları arasında içine inşa edilebilir, böylece darbe hızını düşürerek sağlanabilir. Isı sağlayacak kademeli enerjiyi sağlayan birim kütlesi içine absorbe edilmesi oysa, çok kısa bir süre içinde ısıtılır, örneğin lazer ablasyonunun olarak, bir iş parçasının yüzeyinde bir malzemeden küçük bir hacim buharlaştırılabilir asla belli bir noktada yeterince yüksek sıcaklık ulaşmak.
Diğer uygulamalar, özellikle doğrusal olmayan optik etkileri elde etmek amacıyla, en yüksek darbe gücü (yerine nabız enerjisi) dayanmaktadır. Belirli bir darbe enerjisi için, bu tür Q-anahtarlama olarak teknikleri kullanılarak mümkün olan en kısa süre bakliyat oluşturarak gerektirir.
Bir darbenin optik bant genişliği atım genişliğinin karşılıklı daha dar olamaz. Son derece kısa darbeler halinde, bu CW lazerlerin tipik dar bant genişlikleri çok oldukça aykırı bir önemli bant genişliği üzerinde lazer uygulaması, ima eder. Bazı boya lazer ve titreşimsel katı hal lazerleri lasing maddeyi birkaç femtosaniyelik (10-15 s) gibi kısa ışık darbeleri üretebilen bir lazer mümkün kılan, bir bant genişliği üzerinde optik kazanımın üretir.

Q-anahtarlama

Bir Q-anahtarlı lazer nüfus inversiyon orta kazanç aşan rezonatör içindeki kaybını tanıtarak kurmak için izin verilir; Bu, aynı zamanda boşluğun bir kalite faktörünün azaltılması veya Q "olarak tarif edilebilir. Daha sonra bir lazer ortamında  pompa enerjisi mümkün olan en yüksek seviyede saklanır, kişiye zarar mekanizması (genellikle elektrolit veya akustik-optik eleman) yaklaşmıştır sonra, hızlı bir şekilde yok edilir (ya da pasif cihazın kendiliğinden meydana gelir), lazer uygulaması sağlayan, hızla kazanç ortamında depolanan enerjiyi elde etmeye  başlayacaktır. Bu, enerji ve böylece yüksek bir tepe güce içeren kısa bir pals ile sonuçlanır.

Mod-kilitleme

Bir mod-kilitli lazer aşağı az 10 femtosaniyelik için piko onlarca sipariş üzerine son derece kısa darbeleri yayan yeteneğine sahiptir. Bu darbeler, yani gidiş-dönüş zamanda rezonatörünü içeren aynalar arasındaki tek gidiş-dönüş tamamlamak için ışık süresini tekrar edecektir. Fourier sınırı (aynı zamanda enerji-time belirsizlik olarak da bilinir) nedeniyle, böyle kısa zamansal uzunlukta bir darbe hatırı sayılır bir bant genişliği yayılmış bir yelpazesine sahiptir. Bu nedenle böyle bir kazanç ortamı, bu frekansları yükseltmek için yeterince geniş bir kazanç bant genişliğine sahip olmalıdır. Çok geniş bir kazanç bant genişliği vardır ve bu yüzden sadece birkaç femtosaniyelik süresi darbeleri üretebilir: (safir Ti) uygun olan bir malzeme örneği, titanyum katkılı, yapay olarak yetiştirilen safir olup.
Böyle bir mod-kilitli lazerler ikinci harmonik üretimi, parametrik, örneğin (optik malzemeler doğrusal olmayan etkisini maksimize etmek için, (femtosaniye fizik, kimya ve femtosaniye ultra bilim olarak da bilinir) çok kısa zaman ölçekleri süreçlerini araştıran meydana gelen birçok yönlü bir araçtır nedeniyle büyük zirve güç, optik parametrik osilatörler ve benzeri), dönüşüm aşağı ve ablasyon uygulamalarıdır. Çünkü son derece kısa darbe süresi, Yine [kaynak belirtilmeli], böyle bir lazer son derece yüksek bir tepe gücüne ulaşarak darbeleri üretecektir .

DARBELİ POMPALAMA

Darbeli lazer işlemi gerçekleştirmenin bir başka yöntem flaş lambalarında, ya da zaten darbeli başka lazer halinde elektronik şarj ile, ya kendisi darbeli bir kaynaktan lazer malzeme pompalanmasıdır. Bir boya molekülünün ters nüfus ömrü, yüksek enerji, hızlı pompa gerekli olduğunu çok kısa nerede pulse pompalama tarihsel boya lazerler ile kullanılmıştır. Bu sorunun üstesinden gelmek için bir yol daha sonra yoğun bir flaş üreten flafl yoluyla tahliye anahtarlamalı büyük kapasitörler kadar şarj oldu. Darbeli pompalama aynı zamanda daha düşük enerji düzeyi hızla bu atomlar zemin durumuna dinlenmek kadar ileri lazer uygulaması önlenmesi son derece nüfuslu hale geldiği üç seviyeli lazerler için gereklidir. Böyle excimer laser ve bakır buhar lazeri gibi bu lazerler, CW modunda çalışmaktadır.