18. LASERY – zastosowanie

Autor: Maciej Bąk

WROCŁAW 2007

• LASER - akronim od Light Amplification by Stimulated Emission of

Radiation - wzmocnienie światła poprzez wymuszoną emisję
promieniowania.

• Jest to kwantowy generator monochromatycznej, spójnej (koherentnej) i

spolaryzowanej wiązki światła.

•

Rozważmy atom znajdujący się w stanie wzbudzonym. W trakcie procesu emisji
uprzednio wzbudzona cząsteczka wysyła spontanicznie (średnio po okresie tzw. czasu
życia t

2

) kwant energii promienistej oraz przechodzi z wyższego (stan E

2

) na niższy

poziom kwantowy - stan E

1

. Co się stanie z cząsteczką wzbudzoną uprzednio do stanu E

2

gdy (przed upływem czasu t

2

) padnie na nią promieniowanie rezonansowe o energii

kwantu E = E

2

- E

1

? Otóż A. Einstein w 1917 r. wykazał, że cząsteczka wyemituje drugi

"bliźniaczy" kwant promieniowania, a sama opuści stan wzbudzony i przeniesie się na
stan E1. Proces ten nazwano emisją wymuszoną. Ważną cechą procesu emisji
wymuszonej jest przyrost w układzie energii promienistej. Fotony biegną w tym samym
kierunku, mają identyczne fazy i częstotliwości.

LASER

LASER

Zasadniczymi częściami lasera są: ośrodek czynny, układ optyczny, układ

pompujący.

• Układ pompujący (2)

Zadaniem układu jest przeniesienie jak największej liczby elektronów w substancji
czynnej do stanu wzbudzonego. Układ musi być wydajny tak by doszło do inwersji
obsadzeń. Pompowanie lasera odbywa się poprzez błysk lampy błyskowej (flasha), błysk
innego lasera, przepływ prądu w gazie, reakcję chemiczną, zderzenia atomów, wstrzelenie
wiązki elektronów do substancji.

• Układ optyczny (3,4)

Pełni rolę sprzężenia zwrotnego dla wybranych częstotliwości, dzięki czemu laser
generuje światło tylko o jednej częstotliwości. Układ optyczny składaja się zazwyczaj z
dwóch zwierciadeł z czego przynajmniej jedno jest częściowo przepuszczalne, dokładnie
wykonane i odpowiednio ustawione zwierciadła stanowią rezonator dla wybranej
częstotliwości fali i określonego kierunku ruchu.

• Ośrodek czynny (1)

Tutaj w odpowiednich warunkach zachodzi akcja

laserowa, czyli kwantowe wzmacnianie (powielanie)

fotonów. Akcja laserowa rozpoczyna się od

emisji spontanicznej lub wprowadzenia fotonu

inicjującego z zewnątrz.

LASE

R

Podział laserów w zależności od ośrodka czynnego:

Lasery gazowe:

Lasery gazowe:

* He-Ne laser helowo-neonowy (543 nm lub 633 nm) [atomowy]

* Ar laser argonowy (458 nm, 488 nm lub 514,5 nm) [jonowy]

* laser azotowy (308 nm)

* laser kryptonowy (jonowy 647nm, 676 nm)

* laser na dwutlenku węgla CO

2

(10.6 μm)

[molekularny]

pracują w reżimie pracy ciągłej z mocą od 30-100 W lub impulsowej o czasie i energii

impulsów odpowiednio ok. 10-600 mikrosekund i 0.25 J oraz częstotliwości do 1 kHz.

* laser ekscymerowy XeCl (308 nm)

Lasery światłowodowe

Lasery światłowodowe

Lasery na swobodnych elektronach

Lasery na swobodnych elektronach

Lasery na ciele stałym:

Lasery na ciele stałym:

* laser rubinowy (694,3 nm)

* laser neodymowy na szkle

* laser neodymowy na YAG-u (Nd:YAG) (1064nm)

(YAG - granat itrowo-aluminiowy - sztuczny kryształ)

* laser erbowy na YAG-u (Er:YAG) (1645 nm)

* laser tulowy na YAG-u (Tm:YAG) (2015 nm)

* laser holmowy na YAG-u (Ho:YAG) (2090 nm)

* laser tytanowy na szafirze (Ti:szafir)

* laser na centrach barwnych

LASE

R

•

Lasery na cieczy

Lasery na cieczy

lasery barwnikowe - ośrodkiem czynnym są barwniki rozpuszczone w

nieaktywnym ośrodku przezroczystym np. Rodamina. Maksymalny zakres
strojenia w oparciu o różne dostępne barwniki wynosi 300-1040 nm.

• Lasery półprzewodnikowe

(Ośrodek aktywny – półprzewodnik, pompowanie – wstrzykiwanie

mniejszościowych nośników ładunków do obszaru złącza, rezonator – para
zwierciadeł (Fabry-Perot) lub rozłożone odbicie Bragga, prąd progowy –
inicjacja akcji laserowej)

Typy laserów półprzewodnikowych:

• Homostruktura

• Pojedyncza heterostruktura

• Podwójna heterostruktura

• VCSEL

LASE

R

LASER – zastosowania, medycyna

Zastosowania w medycynie:

Zastosowania w medycynie:



korekcja wad wzroku (astygmatyzm, krótkowzroczność i dalekowzroczność –

wady refrakcji)

Metody:

LASIK (Laser Assised In Situ Keratomileusis)

Metoda mechaniczno – laserowa, inwazyjna.Stosowana przy głębszych wadach refrakcji. Polega ona

na użyciu ultrafioletowego lasera ekscimerowego, który działając z dokładnością do 0,25 mikrometra

odparowuje nierówności w głębszych warstwach

rogówki.

1

2

3

4

LASER - zastosowania, medycyna

Zastosowania w medycynie:

Zastosowania w medycynie:



korekcja wad wzroku (astygmatyzm, krótkowzroczność i dalekowzroczność –

wady refrakcji)

Metody:

LASEK (Laser-Assisted Sub-Epithelial Keratectomy)

LASEK jest metodą mniej inwazyjną niż LASIK, ponieważ modyfikuje tylko powierzchniowe warstwy

rogówki.

PRK (Photorefractive keratectomy)

Metoda czysto laserowa, wykorzystywany jest laser ekscimerowy emitujący zimne światło

ultrafioletowe. Przy użyciu lasera następuje modelowanie rogówki oka poprzez usuwanie jej tkanek.

Prowadzi to do zmiany krzywizny rogówki, a tym samym mocy optycznej oka.

1

2

LASER – zastosowania, medycyna

Zastosowania w medycynie:

Zastosowania w medycynie:



chirurgia małoinwazyjna

Skalpel laserowy ( stosowany laser CO

2

, laser YAG)

Skupiona wiązka laserowa tnie precyzyjnie tkankę. Stosowanie skalpela laserowego

granicza

krwawienia pooperacyjne, ponieważ ciepło, jake wydzielaja, zgrzewa

przecinane naczynia

krwionośne.

Światło lasera zostaje doprowadzone do zakończenia skalpela za pośrednictwem

światłowodu.

Natężenie wiązki laserowej skalpela może być dostosowane

do potrzeb. Przy małej mocy służy do spajania rozerwanych

tkanek lub krwawiących naczyń krwionośnych. Przy dużej

mocy może przebijać lub unicestwiać tkanki. Wiązka dużej

mocy jest użyteczna do oczyszczania zablokowanych arterii

lub niszczenia chorych tkanek.

LASER – zastosowania, medycyna

Zastosowania w medycynie:

Zastosowania w medycynie:



Laseroterapia, biostymulacja

Wykorzystuje

się

lasery

niskoenergetyczne

nie

przekraczające

kilkudziesięciu miliwatów.

Promienie wytwarzane przez laser tego typu

wykazują właściwości lecznicze, wśród których można wymienić likwidowanie

stanów zapalnych, działanie przeciwbólowe, regenerujące

komórki i

tkanki, usprawniające

przemianę materii.



Stomatologia

Utwardzanie polimerowych wypełnień, ozonoterapia, wybielanie zębów



Chirurgia kosmetyczna

Usuwanie tatuaży, blizn, włosów

LASER – zastosowania, przemysł

Zastosowania w przemyśle:

Zastosowania w przemyśle:



Laserowe cięcie ( laser CO

2

)

Wykorzystywana jest metoda termicznego oddzielania materiału. Rozdzielanie materiału

może następować w trzech rodzajach, poprzez: sublimację, topienie, wypalanie. Najczęściej

stosowana jest kombinacja trzech rodzajów do oddzielania materiału.Cechą ciecia

laserowego jest punktowe wprowadzenie energii i wysokoenergetyczny strumień tnący.

Lasery są obecnie szeroko stosowane zarówno do cięcia materiałów metalowych jak i

niemetali. Są wykorzystywane w procesie cięcia stali niestopowych i wysokostopowych,

aluminium, tytanu, tworzyw sztucznych, drewna i ceramiki.

LASER – zastosowania, przemysł

Zastosowania w przemyśle:

Zastosowania w przemyśle:



Znakowanie laserowe (grawerowanie)

W systemach przeznaczonych do znakowania materiałów używa się obecnie ok. 90%

laserów Nd:YAG, gdzie wzbudzanie następuje poprzez diody lub lampy. Prędkość

znakowania sięga nawet do kliku metrów na sekundę. Typowy przedział mocy wyjściowej

lasera 3 - 150 W.

Lasery Nd:YAG są najczęściej stosowane do znakowania metali, tworzyw sztucznych,

ceramiki, materiałów emaliowanych. W aplikacjach służących do grawerowania szkła,

drewna, skóry stosuje się lasery CO

2

o mocach od 10 do 50 W.

Znakowanie laserowe polega na nanoszeniu na powierzchnię przedmiotów znaków,

przy pomocy wiązki promieniowania laserowego. Promieniowanie to powoduje usunięcie

cienkiej warstwy materiału, bądź zmiany termofizyczne lub termochemiczne wywołujące

zmianę zabarwienia. Powierzchnia materiału bywa specjalnie pokrywana warstwą np.
farby lub tlenku celem zwiększenia kontrastowości oznakowania.

LASER – zastosowania, przemysł

Zastosowania w przemyśle:

Zastosowania w przemyśle:



Spawanie laserowe

Spawanie laserowe polega na stapianiu obszaru styku łączonych przedmiotów

ciepłem otrzymanym w wyniku doprowadzenia do tego obszaru skoncentrowanej
wiązki światła koherentnego, o bardzo dużej gęstości mocy, ok. l0

2

do 10

11

W/mm2

Do spawania używane są zarówno lasery CO2 jak i Nd:YAG. Lasery CO2 dużej

mocy (2-12kW) są stosowane do spawania karoserii samochodowych, elementów
przekładni, wymienników ciepła. Od wielu lat lasery Nd:YAG o mocy 100-500 W
znajdują zastosowanie do spawania niewielkich elementów jak przyrządy medyczne,
obudowy sprzętu elektronicznego.

LASER – zastosowania

Zastosowania militarne:

Zastosowania militarne:



THEL - Tactical High Energy Laser

THEL został opracowany przez US Army i Izrael. Airborne Balistic Laser - YAL-1- mieści
się w Boeingu 747. Dodatkowo na razie obydwa te urządzenia to lasery chemiczne,
wykorzystujące do emisji spójnej wiązki światła wysokoenergetyczne reakcje chemiczne
pochodnych chlorków.

LASER –

zastosowania

Zastosowania militarne:

Zastosowania militarne:



Wskaźniki celu

Są to lasery wykorzystywane do wskazania celu pociskom rakietowym
naprowadzanym na odbitą wiązkę promieniowania laserowego. Wskaźniki laserowe mogą
być integralną częścią stacji kontrolnej pocisku rakietowego znajdującego się w
samolocie.



Oświetlacze

Oświetlacze to urządzenia laserowe wykorzystywane do podniesienia poziomu luminancji
obserwowanej scenerii.



Urządzenia lokacji

Laserowe urządzenia lokacji (ladars) to laserowe odpowiedniki stacji radiolokacyjnych,
służące do ustalenia odległości, położenia kątowego celu i szybkości przemieszczania
się celu.



Dalmierze, celowniki laserowe, broń laserowa

LASER

Zastosowania użytkowe:

Zastosowania użytkowe:



Drukarka laserowa



Gromadzenie inforamcji, danych - płyty CD, DVD



Czytniki kodów paskowych



Urządzenia geodezyjne (poziomice laserowe)



Poligrafia



Sprzęt komputerowy - Mysz opytczna o dużej rodzielczości, nagrywarki CD/DVD

LASE

R

Zastosowania naukowe :

Zastosowania naukowe :



do osadzania warstw cienkich (osadzanie materiałów w postaci struktur

wielowarstwowych)

(wprowadza zmiany w mikrostrukturze materiału tylko w zaplanowanym miejscu
stosuje się do materiałów trudno obrabialnych metodą mechaniczną, termiczną, chemiczną
)



precyzyjna mikroobróbka – np: drążarki laserowe



Wytwarzanie układów elektronicznych (np: technika grubowarstwowa – laserowe

kalibrowanie parametrów podzespołów)



renowacji zabytków (ablacja laserowa)



mikroskopia, nanotechnologia



zdalna detekcja skażeń chemicznych i biologicznych,