LASER I JEGO

ZASTOSOWANIE

Definicja:



Laser - jest to urządzenie elektroniki
kwantowej, generujące lub wzmacniające
spójne promieniowanie
elektromagnetyczne w zakresie
widmowym zawartym między daleką
podczerwienią (fale submilimetrowe) a
nadfioletem. W działaniu lasera
wykorzystano zjawisko wzmocnienia
promieniowania przez emisje wymuszona
w ośrodku, w którym nastąpiło odwrócenie
(inwersja) obsadzeń.



Laser składa się z substancji czynnej, w której
uzyskuje się akcję laserową dzięki umieszczeniu jej w
rezonatorze optycznym, warunkiem wstępnym
zaistnienia akcji laserowej jest inwersja obsadzeń
poziomów energetycznych. Typowo uzyskuje się ją w
układzie trzech (lub czterech) poziomów
energetycznych: podstawowego, wzbudzonego i
leżącego między nimi poziomu metatrwałego, to jest
charakteryzującego się względnie długim czasem
życia, atomy przeprowadza się (tzw. pompowanie
lasera) do poziomu wzbudzonego na kilka sposobów:
oświetlając substancję czynną silnym światłem o
dostatecznej energii fotonów za pomocą np. innego
lasera lub błysku flesza (tzw. pompowanie optyczne),
za pomocą wyładowania elektrycznego (lasery
gazowe), wykorzystując energię reakcji chemicznych,
za pomocą wiązki elektronowej, zderzeń atomów itd.

Zastosowanie lasera



-technologię materiałów (precyzyjne cięcie, spawanie i wiercenie trudno
topliwych materiałów, wyważanie dynamiczne zautomatyzowane cięcie
papieru, tkanin, tworzyw sztucznych itp.);



-precyzyjne pomiary długości, odległości,
pułapu chmur, stopnia zanieczyszczeń
atmosfery, szybkości przepływu itp.;



-sterowanie pracą maszyn roboczych, wytyczanie
torów wodnych w portach, chodników w kopalniach,
precyzyjne pozycjonowanie złożonych konstrukcji;



-medycynę i biologię (mikrochirurgiczne zabiegi
okulistyczne, bezkrwawe zabiegi chirurgiczne, zapobieganie
próchnicy, usuwanie naczyniaków, zabiegi kosmetyczne);



-zapisywanie i odtwarzanie danych



-technikę wojskową (pomiar odległości,
sterowanie bombami i pociskami, oświetlanie,
specjalne metody rozpoznania i fotografowania);



-holografia;



-technologię chemiczną (selektywna
kataliza reakcji chemicznych);



-telekomunikację optyczną (wielokanałowa łączność
światłowodowa między dużymi centrami
obliczeniowymi).

Emisja wymuszona i spontaniczna



Laser jest urządzeniem, które
wykorzystuje emisję wymuszoną (w
zakresie światła widzialnego) i
spontaniczną.



Emisja wymuszona:
Przejście atomu, jonu lub cząsteczki z wyższego poziomu do niższego może
się odbyć w sposób wymuszony, pod wpływem oddziaływania
elektromagnetycznego o częstotliwości określonej zależnością Bohra.
Występuje wtedy emisja wymuszona.
Kwant promieniowania zewnętrznego o energii równej różnicy poziomów
energetycznych pada na atom znajdujący się w stanie wzbudzonym. Pod
wpływem bodźca zewnętrznego atom powraca do stanu podstawowego,
emitując przy tym nowy kwant promieniowania identyczny z poprzednim.
To ostatnie stwierdzenie ma podstawowe znaczenie dla dalszych rozważań,
gdyż oznacza ono, że częstotliwość promieniowania pochodzącego od
emisji wymuszonej jest identyczna z częstotliwością promieniowania
wymuszającego, a ich fazy są ściśle ze sobą powiązane. Poza tym emisja
wymuszona odbywa się w tym samym kierunku, w którym porusza się
kwant oddziałujący z atomem wzbudzonym. Ta właśnie zgodność
częstotliwości, fazy i kierunku rozchodzenia się promieniowania
wymuszonego z wymuszającym determinuje zasadniczą właściwość światła
laserowego, a mianowicie jego spójność.
Do wystąpienia akcji laserowej konieczne jest odpowiednie ukształtowanie
struktury energetycznej układu, w którym tę akcję chcemy otrzymać.
Chodzi przede wszystkim o doprowadzenie układu kwantowego do takiej
struktury energetycznej, aby przeważały w nim elementy wzbudzone, gdyż
dopiero ich liczbowa przewaga decyduje o powstaniu akcji laserowej.



Emisja spontaniczna:
Nieodzownym warunkiem emisji światła jest wzbudzenie
atomów lub cząsteczek. Odbywa się to nie tylko przez
absorpcję kwantów promieniowania, lecz również za pomocą
innych sposobów dostarczania energii do układu: najczęściej i
najprościej przez doprowadzenie go do odpowiednio wysokiej
temperatury (np. w żarówce).
Wzbudzone atomy lub cząsteczki, pod wpływem naturalnej
tendencji do znajdowania się na niższych poziomach
energetycznych, wracają samorzutnie, w sposób zupełnie
przypadkowy i bezładny, do stanu pierwotnego, emitując przy
tym fotony. Proces ten nazywa się emisją spontaniczną.
Promieniowanie to jest niespójne, gdyż poszczególne atomy
źródła emitują kwanty niezależnie od siebie, w sposób
nieuporządkowany, bez wzajemnego powiązania.
Promieniowanie wszystkich zwykłych źródeł światła jest
rezultatem emisji spontanicznej.
Wysyłany przy tym zespół fal, tj. widmo promieniowania, zależy
jedynie od schematu poziomów energetycznych źródła
emitującego i rodzajów dozwolonych przejść miedzy nimi.

Rodzaje laserów



Lasery rubinowe
Substancją czynną jest kryształ korundu z domieszką
jonów chromu, pompowany optycznie fleszem, pracują
impulsowo, emitują światło czerwone o długości fali λ =
694,3 nm, znaczenie głównie historyczne.



Laser helowo-neonowe
Wypełnione mieszaniną helu i neonu pod niskim
ciśnieniem, pompowane elektrycznie i poprzez
zderzenia atomów, emitują światło czerwone λ = 632,8
nm, ostatnio konstruuje się lasery helowo-neonowe
emitujące również światło zielone, wykorzystywane w
badaniach naukowych oraz ze względu na prostą
budowę w dydaktyce i niektórych zastosowaniach
praktycznych.



Laser kryptonowy i ksenonowy
Wypełnione kryptonem lub ksenonem z domieszką
fluoru lub chloru, emitują promieniowanie
ultrafioletowe, zastosowania badawcze i do
pompowania optycznego laserów barwnikowych.



Laser argonowy
Wypełnione argonem, emitują światło o kilku
długościach fali: od 457,9 nm do 514,5 nm,
zastosowania badawcze i do pompowania laserów
barwinowych.



Laser neodymowy
Szkło z domieszką neodymu, emitują impulsowo
promieniowanie podczerwone o λ=1,06µm, lub po
zastosowaniu elementów optyki nieliniowej światło o
fali krótszej o czynnik 2 lub 4, wielka moc impulsów
aż do J/impuls, zastosowania głównie badawcze.



Laser molekularny
Wypełnione dwutlenkiem węgla z dodatkiem azotu i helu,
emitują impulsowo lub ciągle światło podczerwone,
przestrajalna długość emitowanej fali w obszarze ok. λ = 10
µm, charakteryzują się w dużą mocą, zastosowania
przemysłowe i badawcze.



Laser barwnikowy
Substancją czynną jest przepływająca, laminarna struga
roztworu zawierającego barwnik organiczny, np. rodaminę,
pompowane optycznie laserem argonowym, kryptonowym lub
neodymowym, charakteryzują się przestrajaną w szerokim
zakresie długością emitowanej fali świetlnej, zastosowania
badawcze.



Laser półprzewodnikowy
Laser oparty na półprzewodniku, rodzaj diody luminescencyjnej
o dużej wydajności (nośniki ładunku - dziury i elektrony -
zostają wstrzyknięte w obszar złącza, rekombinują wysyłając
promieniowanie rezonowane optycznie przez wypolerowany
kryształ).

Koniec