Œ W I A T £ O L A S E R O W E

Œwiat³o laserowe ró¿ni siê bardzo od œwiat³a nor-

malnego:

! Jest monochromatyczne, co oznacza, ¿e sk³ada siê ze

œwiat³a o jednej, okreœlonej d³ugoœci fali (jednym kolo-
rze). D³ugoœæ fali œwiat³a jest okreœlona przez kwant
energii wyzwalanej, gdy elektron przeskakuje na ni¿-
sz¹ orbitê, trac¹c czêœæ energii zamienionej na œwiat³o.

! Jest spójne, czyli „zorganizowane” - ka¿dy foton po-

rusza siê synchronicznie z innymi. Oznacza to, ¿e
wszystkie fotony maj¹ pocz¹tek fali zaczynaj¹cy siê
w tym samym miejscu (i gdy uderzaj¹ w przeszkodê,
robi¹ to tak¿e razem).

! Jest kierunkowe i ma bardzo zwarty promieñ, jest

bardzo mocne i skoncentrowane. Dla porównania la-
tarka wypromieniowuje œwiat³o w wielu kierunkach
i jest ono bardzo s³abe; zmieszane ze œwiat³a o ró¿-
nych d³ugoœciach fali.

I N W E R S J A O B S A D Z E Ñ
I E M I S J A W Y M U S Z O N A

Choæ istnieje wiele typów laserów, dzia³aj¹ na

tej samej zasadzie. W laserze œrodowisko wzmacniaj¹-
ce jest „pompowane” optycznie (b³yskami) lub elek-
trycznie (wy³adowaniami), aby atomy przesz³y ze stanu
podstawowego w stan wzbudzenia

. Dziêki temu

w oœrodku wzmacniaj¹cym (czyli substancji laseruj¹-
cej) tworzy siê ogromna iloœæ atomów w stanie wzbu-
dzenia (z elektronami o wy¿szym poziomie energii). To
zwiêksza stopieñ inwersji (odwrócenia) obsadzeñ, czyli
liczba atomów w stanie wzbudzonym zaczyna prze-
wy¿szaæ iloœæ atomów w stanie podstawowym.

W atomie wzbudzonym elektrony przenosz¹ siê

z orbit ni¿szych na orbity o wy¿szym poziomie energe-
tycznym, dalej od j¹dra. Gdy elektron przemieœci siê na
orbitê o wy¿szym poziomie energetycznym, bêdzie mia³
tendencjê do powrotu (bêdzie „chcia³” powróciæ) do
stanu podstawowego

. Gdy to zrobi, wypromieniuje

nadmiar energii w postaci cz¹steczki œwiat³a, fotonu

.

Foton ma okreœlon¹ d³ugoœæ fali (czêstotliwoœæ, kolor),
zale¿n¹ od poziomu energetycznego, na jakim znajdo-
wa³ siê elektron, który go wyemitowa³

.

Jeœli wzbudzony foton napotka inny atom,

w którym bêdzie elektron w takim samym stanie, mo¿e
wyst¹piæ emisja wymuszona

. Pierwszy foton nie

zostanie poch³oniêty, a mo¿e wymusiæ (indukowaæ)
przyspieszenie przejœcia atomu ze stanu wzbudzonego
do podstawowego i foton wyemitowany z drugiego
atomu zostanie wprawiony w drgania o takiej samej
czêstotliwoœci i w takim samym kierunku jak foton ude-
rzaj¹cy. Z atomu wydobêd¹ siê w tym samym kierunku
dwa spójne, zgodne w fazie fotony o tej samej energii,
a wiêc i czêstotliwoœci. Te fotony natrafiaj¹ na kolejne

podobne sobie fotony,
co spowoduje lawino-
wy wzrost iloœci foto-
nów o takich samych
w³asnoœciach.

R E Z O N A T O R

Aby nast¹pi³a

akcja laserowa, oœro-
dek wzmacniaj¹cy mu-
si zostaæ umieszczony
w rezonatorze. Wów-

5

4

3

2

1

j a k t o d z i a ł a

Lasery są obecnie wszędzie – nie tylko w fil-

mach SF, gdzie strzelają z nich krążowniki

kosmiczne, lecz także w większości domów

w odtwarzaczach CD i DVD, w medycynie,

wojsku, fabrykach, miernictwie i na placach

budowy – w poziomicach laserowych.

Pierwszy laser (rubinowy) zbudował w 1960 r.

Theodore Maiman, a sama nazwa jest skró-

tem od: Light Amplification by Stimulated

Emission of Radiation, czyli „wzmocnienie

światła przez wymuszoną emisję promienio-

wania”, która dokładnie określa, co laser robi.

Lasery są obecnie tak powszechne i niezbęd-

ne, gdyż ich światło ma bardzo szczególne

właściwości: jest kierunkowe, doskonale

spójne i monochromatyczne.

M

Ł

ODY

TECHNIK

1

/2005

2

24

4

LASER

M a r e k U t k i n

L A S E R R U B I N O W Y

czas promieniowanie wprowadzone wzd³u¿ osi rezona-
tora odbija siê wielokrotnie od zwierciad³a umieszczo-
nego na jednym koñcu rezonatora i od pó³przezroczys-
tego zwierciad³a na drugim koñcu

. Pomiêdzy zwier-

ciad³ami nastêpuje powielanie fotonów wskutek emisji
wymuszonej. Po osi¹gniêciu odpowiedniej energii pro-
mieniowanie wychodzi z rezonatora przez pó³przezro-
czyste zwierciad³o w postaci spójnej, monochromatycz-
nej, doskonale równoleg³ej wi¹zki œwiat³a o du¿ej mo-
cy. Jest ona doskonale równoleg³a, bowiem fale, które
nie s¹ prostopad³e do zwierciade³, uciekaj¹ bez wzmoc-
nienia na boki oœrodka drgaj¹cego. Œwiat³o, które siê
w koñcu wydostaje, jest œwiat³em laserowym.

TYPY LASERÓW

Oœrodek wzmacnia-

j¹cy lasera mo¿e byæ cia-
³em sta³ym, gazem, ciecz¹
lub pó³przewodnikiem.
Lasery, wed³ug zastoso-
wanego materia³u, dziel¹
siê na:

! Lasery sta³e - maj¹ ma-
teria³ wzmacniaj¹cy z cia³
sta³ych, takich jak rubin
lub granat neodymowo-it-
rowo-glinowy (lasery
Yag). Lasery Nd-Yag emi-
tuj¹ œwiat³o podczerwo-
ne. Rubin jest to kryszta³
tlenku glinu (Al

2

O

3

),

w którym niektóre atomy
glinu s¹ zast¹pione ato-
mami chromu (aktywnymi
w pracy lasera), absorbu-
j¹cymi ¿ó³to-zielon¹ czêœæ
widma i nadaj¹cymi rubi-
nowi charakterystyczn¹
czerwon¹ barwê. Mono-
kryszta³ sztucznego rubi-
nu jest jednoczeœnie oœ-
rodkiem wzmacniaj¹cym
i rezonatorem i ma kszta³t
prêta. Umieszczony jest
w ksenonowej lampie
b³yskowej du¿ej mocy.
W prêcie rubinu wystar-
czy pojawienie siê jedne-
go tylko fotonu o czêstot-
liwoœci rezonansowej, po-
ruszaj¹cego siê równoleg-
le do osi prêta, aby rozpo-
cz¹³ siê proces narastania
emisji wymuszonej. Laser
neodymowy pozwala na
uzyskanie w impulsie du-
¿ych mocy. W podobny
sposób jak laser neody-
mowy dzia³aj¹ lasery,
w których w ró¿nych os-

nowach krystalicznych wystêpuj¹ jony metali ziem
rzadkich.

! Lasery gazowe emituj¹ w zakresie œwiat³a widzial-

nego (najpowszechniejszymi laserami gazowymi s¹
helowe i helowo-neonowe, He-Ne), istniej¹ te¿ lasery
argonowe. Lasery CO

2

emituj¹ energiê w dalekiej

podczerwieni i s¹ stosowane do ciêcia twardych ma-
teria³ów. Laser gazowy pracuje dziêki wy³adowaniu
elektrycznemu w gazach o niskim ciœnieniu, podob-
nie jak ma to miejsce w œwietlówce. Atomy w sta-
nach metatrwa³ych przekazuj¹ energiê atomom lub
cz¹steczkom w³aœciwego oœrodka laseruj¹cego.

! Lasery ekscymerowe (nazwa jest skrótem od excited

(wzbudzony) i dimers, pseudomoleku³y) zawieraj¹

6

A i m i ę j e g o 4 4 ! W ł a ś n i e 4 4 l a t a t e m u p o w s t a ł y d w a o d k r y c i a , k t ó r e z m i e -
n i ł y ś w i a t – t e c h n o l o g i a p l a n a r n a p r o d u k c j i u k ł a d ó w s c a l o n y c h i l a s e r

M

Ł

ODY

TECHNIK

1

/2005

2

25

5

1

2

3

4

5

6

L A S E R T R Ó J S T O P N I O W Y

gazy reaktywne, takie jak chlor i fluor, mieszane z ga-
zami szlachetnymi, jak argon, krypton lub ksenon.
Gdy zostaj¹ wzbudzone elektrycznie, wytwarzana
jest pseudomoleku³a (dimer). W trakcie akcji lasero-
wej, dimer wytwarza œwiat³o w zakresie ultrafioletu.

! Lasery barwnikowe jako oœrodek wzmacniaj¹cy wy-

korzystuj¹ z³o¿one barwniki organiczne, jak rodami-
na 6G, w roztworach p³ynnych lub zawiesinach. S¹

one przestrajane w szerokim zakresie d³ugoœci fal.

! Lasery pó³przewodnikowe, niekiedy zwane diodami

laserowymi, nie s¹ laserami sta³ymi i dzia³aj¹ podob-
nie jak diody œwiec¹ce LED. Do ich budowy stosuje
siê arsenek galu lub azotek galu. Zwierciad³ami lase-
ra pó³przewodnikowego mog¹ byæ same krawêdzie
kryszta³u. Te urz¹dzenia elektroniczne s¹ niewielkie
i maj¹ zazwyczaj nisk¹ moc. S¹ instalowane w np.
drukarkach laserowych i odtwarzaczach CD.

j a k t o d z i a ł a

M

Ł

ODY

TECHNIK

1

/2005

Typ lasera

Rubinowy (CrAlO

3

/ Al2O

3

)(czerwony)

Neodymowy (pod-
czerwień)

Laser półprzewod-
nikowy GaAs

Laser barwnikowy
(Rodamina 6G)

Laser gazowy
He-Ne (czerwony)

Laser argonowo-
jonowy (niebieski,
zielony)

Laser azotowy

Laser CO

2

(pod-

czerwień, mikrofa-
le)

Długość
fali [nm]

694,3

1060

800-900

przestraja-

ny w za-

kresie

200-800

632,8

488-514,5

337,1

10600

Rodzaj pracy,

długość impulsu

impulsowa

(5-100 ns)

ciągła lub impulso-

wa (15 ns)

ciągła lub impulso-

wa (10

2

ns)

zależna od lasera

pompującego

ciągła

ciągła lub impulso-

wa (10

3

ns)

impulsowa (10 ns)

ciągła lub impulso-

wa

(10

2

-5x10

4

ns)

Energia [J]

1-10

2

10

–1

- 10

2

10

–5

- 10

–3

zależna

od lasera

pompujące-

go

–

–

0,01

1-10

3

Moc [W]

10

3

-10

9

10-10

3

10

–3

-10

zależna

od lasera

pompujące-

go

10

–3

-10

–1

1-10

3

10

6

10-10

4

Zastosowanie

technologiczne spawanie, topienie,
wiercenie, dentystyka, biologia

telekomunikacja, laserowe układy
śledzące, kontrolowane reakcje ją-
drowe, cięcie twardych metali

telekomunikacja

spektroskopia, rozdzielanie izotopów,
biologia

metrologia, interferometria, hologra-
fia, geodezja

chirurgia, spektroskopia

spektroskopia, reakcje fotochemiczne

laserowe układy śledzące, chirurgia,
dentystyka, obróbka materiałów, cięcie
i spawanie metali, kontrolowane reak-
cje jądrowe, rozdzielanie izotopów

2

26

6

L A S E R G A Z O W Y

Porównanie podstawowych typów laserów

K L A S Y F I K A C J A L A S E R Ó W :

Lasery dziel¹ siê na

cztery podstawowe grupy
(klasy), zale¿nie od mo¿li-
woœci powodowania
uszkodzeñ biologicz-
nych:

Skrócona historia laserów:

1960 – Wynalezienie lasera rubinowego, T. Mai-

man.

1962 – Wynalezienie lasera pó³przewodnikowe-

go (dioda laserowa) dzia³aj¹cego impul-
sowo (aby dzia³aæ, laser musi byæ zanu-
rzony w ciek³ym azocie).

1960 – Nagrodê Nobla za fundamentalne bada-

nia w dziedzinie elektroniki kwantowej,
które doprowadzi³y do wynalezienia ma-
sera, otrzymali N. G. Basow, A. M. Pro-
chorow i Ch. H. Townes

1972 – STL uzyskuj¹ 1 Gbit/s poprzez modulacjê

diody laserowej.

1973 – Bell Labs konstruuj¹ diodê laserow¹ o ¿y-

wotnoœci 1000 godzin.

1975 – Pierwsza komercyjna dioda laserowa.

Pracuje w temperaturze pokojowej.

1976 – Bell Labs wytwarzaj¹ diodê laserow¹

o ¿ywotnoœci 100 000 godzin (ponad
11 lat); dioda pracuje w temperaturze po-
kojowej.

1977 – General Telephone & Electronics przesy³a

pierwsze rozmowy telefoniczne przez
w³ókno œwiat³owodowe. Uzyskuje
6 Mbit/s.

M

Ł

ODY

TECHNIK

1

/2005

Klasa

1

1M

2

2M

3R

3B

4

Podział

Lasery, które są bezpieczne w typowych warunkach pracy

Lasery emitujące promieniowanie w zakresie długości fal
od 302,5 nm do 4000 nm, które są bezpieczne w racjo-
nalnych warunkach pracy, ale mogą być niebezpieczne
podczas patrzenia w wiązkę przez przyrządy optyczne
(np. skanery kodu kreskowego). Max. 4,0 mW.

Lasery emitujące promieniowanie widzialne w przedziale
długości fal od 700nm. Ochrona oka jest zapewniona
w sposób naturalny przez instynktowne reakcje obronne.

Lasery emitujące promieniowanie widzialne w przedziale
długości fal od 700nm. Ochrona oka jest zapewniona
w sposób naturalny przez instynktowne reakcje obronne,
ale mogą być niebezpieczne podczas patrzenia w wiązkę
przez przyrządy optyczne.

Lasery emitujące promieniowanie w zakresie długości fal
od 302,5 nm do 106 nm, patrzenie bezpośrednie w wiąz-
kę jest potencjalnie niebezpieczne (większość wskaźni-
ków do tablicy). Praca ciągła: 1 – 5 mW.

Lasery, które są niebezpieczne podczas bezpośredniej
ekspozycji promieniowania. Patrzenie na odbicia rozpro-
szone jest zwykle bezpieczne.

Lasery, które wytwarzają niebezpieczne odbicia rozpro-
szone. Mogą one powodować uszkodzenie skóry oraz
stwarzają zagrożenie pożarem. Podczas obsługi laserów
klasy 4 należy zachować szczególną ostrożność. Praca
ciągła: 500 mW, pulsacyjna: 10 J/cm

2

lub granica odbicia

rozproszonego.

MINI

QUIZ

MT

CZYT

AM,

W

IÊC

W

IEM

Œwiat³o podczerwone emituj¹ lasery:

a) sta³e

b) He-Ne

c) Nd-Yag

2

27

7