LASER

Wymuszona emisja

promieniowania i jej

zastosowania

Wykład - 8 -

2

Prof. J. Zieliński

 

Terminy zaliczeń poprawkowych w semestrze letnim
2010/11
o 28 marzec

o 18 kwiecień

o 16 maj

o 13 czerwiec

Przypominam, że

Przypominam, że

 na wszystkie kolejne terminy poprawkowe
obowiązują karty zie-lone.

 Do zaliczenia można podejść po zaliczeniu ćwiczeń
rachunko-wych

 zaliczona w terminie zerowym teoria a nie wpisana

zaliczona w terminie zerowym teoria a nie wpisana

do indeksu została skreślona

do indeksu została skreślona

Zaliczenia zaczynają się o
godz. 15
sala 2 bud 5

W tym semestrze

Zaliczenie przedmiotu jest w formie egzaminu

> Aby móc przystąpić do egzaminu trzeba mieć
zaliczone ćwicze-nia i laboratoria. Pozytywne oceny
muszą być wpisane do karty o-cen i do indeksu.

Egzamin składa się z dwóch części:

- Pisemnej student pisze odpowiedź na 3 pytania z
zestawu 4-ech

- Ustnej odpowiedzi uzupełniające na pytania z
zestawu pisemne-go + inne pytania.

Historia ważniejszych wydarzeń

:

1917 – A. Einstain sugeruje możliwość pobudzenia
atomów do emisji światła
1960 – Theodore Maiman testuje 15 maja pierwszy
udany laser i uzyskuje pierwszą wiązkę światła
laserowego
1968 – Laser argonowy został po raz pierwszy użyty do
usuwania katarakty z oczu (USA)
1969 – 1 sierpnia naukowcy użyli lasera do pomiaru
odległości Księżyca. Impuls odbił się od zwierciadła
umieszczonego na Księżycu przez astronautów
1972 – Dalmierze laserowe i wskaźniki celów zostały
użyte po raz pierwszy na polu walki w Wietnamie
1978 – Marynarka USA użyła lasera chemicznego o
mocy 400 kW do zestrzelenia przeciwpancernego
pocisku rakietowego

Spontaniczna i

wymuszona emisja

promieniowania

Wzbudzone pod wpływem różnych czynników

zewnę-trznych, atomy lub cząsteczki, takich jak
promieniowanie,

tempe-ratura

czy

pola

elektromagnetyczne, wracają samorzutnie w sposób
przypadkowy i bezładny do stanów podstawowych.
Rys. pokazuje schematycznie emisyjne i absorpcyjne
przejścia kwantowe między dwoma poziomami
energetycznymi. Jeżeli proces przechodzenia do
stanów podstawowych zachodzi z emisją kwantów
promieniowania

elektromagnetycznego,

to

nazywamy go emisją spontaniczną. Promieniowanie
to jest niespójne, ponieważ poszczególne atomy
emitują kwanty niezależnie od siebie, w sposób
nieuporządkowanym, bez wzajemnej korelacji.

Promieniowanie wszystkich zwykłych źródeł światła

jest

rezulta-tem

emisji

spontanicznej.

Widmo

promieniowania zależy jedynie od układu poziomów
energetycznych i dozwolonych przejść między nimi.

a )

p rz e d e m is j ¹ p o e m is j i

E

2

h 

E

1

b )

p rz e d a b s o p rp c j ¹ p o a b s o rp c j i

E

2

h 

E

1

Przejścia kwantowe
pomiędzy dwoma
poziomami
energetycznymi:
a) przejście emisyjne;
b) przejście absorpcyjne

.

Przejście atomu, jonu lub cząsteczki z poziomu

wzbudzonego do niższego poziomu energetycznego
może również zachodzić w sposób wymuszony, pod
wpływem

działania

kwantu

promieniowania

elektromagnetycznego o częstotliwości wynikającej z
zależności Bohra

hν=E

2

-E

1

(15.1)

 
dla przejścia kwantowego z wyższego poziomu
energetycznego E

2

na niższy poziom energetyczny E

1

.

Proces ten nazywamy wymuszoną, indukowaną lub
stymulowaną emisją promieniowania. Schemat wy-
muszonego przejścia emisyjnego pokazano na rysunku.

przed emisj¹ po emisji

hh

h

Kwantowe przejście
emisyjne z wymuszoną
emisją kwantu
promieniowania

W

procesie

emisji

wymuszonej

kwant

promieniowania o od-powiedniej energii wyzwala przy
“zderzeniu” z atomem wzbudzonym nowy kwant, nie
tracąc przy tym na działanie wymuszające nic ze swej
energii. Zamiast jednego kwantu wchodzącego do
układu mamy więc na jego wyjściu dwa
jednakowe kwanty, co oznacza wzmocnienie
promieniowania.

Częstotliwość

promieniowania

pochodzącego od emisji wy-muszonej jest
identyczna z częstotliwością promieniowania
wymu-szającego, a ich fazy są ze sobą ściśle
powiązane.

Poza tym emisja wymuszona odbywa

się w tym samym kierunku, w którym porusza się
kwant wymuszający. Zgodność częstotliwości, fazy i
kierunku

promieniowania

wymuszonego

z

promieniowanie

wymuszającym

determinuje

tzw.

spójność lub koherentność

światła uzyskiwanego w

taki sposób.

Proces emisji wymuszonej jest podstawą działania

wzmacniaczy i generatorów kwantowych tzw. laserów (w
odniesieniu do światła) i maserów (w zakresie
mikrofalowym).

Ponieważ podstawę efektu laserowego stanowią

procesy emisji wymuszonej, należy więc dążyć do
stworzenia

w

danym

układzie

kwan-towym

uprzywilejowanych warunków dla zaistnienia i przebiegu
tych

procesów.

Chodzi

przede

wszystkim

o

doprowadzenie układu do takie-go stanu, w którym
przeważać będą elementy (atomy, jony lub cząste-czki)
wzbudzone. Wynika to stąd, że przy oddziaływaniu
promieniowa-nia z układem kwantowym istnieje takie
samo prawdopodobieństwo wystąpienia aktów emisji
wymuszonej i aktów absorpcji. wszystko zależy więc od
liczbowego stosunku napotkanych na drodze kwantów
wymuszających

elementów

wzbudzonych

i

niewzbudzonych

Jeśli te ostatnie są w większości, to układ w

końcowym bilansie pochłania promieniowanie, przy
równym obsadzeniu poziomów układ jest neutralny,
(akty emisji i absorpcji równoważą się); dopiero w wa-
runkach przewagi elementów wzbudzonych układ
kwantowy emituje promieniowanie (przeważają akty
emisji) - jest zdolny do wzmacniania doprowadzonej na
jego wejście fali elektromagnetycznej.

Inwersja obsadzeń

energetycznych

Doprowadzenie do wzbudzenia układu oznacza

zakłócenie

normalnego

rozkładu

energetycznego

elementów, istniejącego w każdym ośrodku w warunkach
równowagi cieplnej.

W warunkach równowagi termicznej, obsadzenie

poszczególnych

poziomów

energetycznych

opisuje

statystyczne

prawo

Boltzmanna

wyrażające

się

równaniem

N

C

E

kT

i

i











exp

gdzie N

i

- liczba elementów obsadzających poziom

energetyczny E

i

; C - stała charakterystyczna dla

danego układu; k - stała Boltzmanna (k=1.38044 . 10

-

23

J/stop ).

Rozkład

taki

ilustrują

dwa

wykresy

boltzmannowskiej dla dwóch różnych temperatur danego
układu (T

1

< T

2

). Jak widać, ze wzrostem temperatury

obsadzenie wyższych poziomów wzrasta, dorównując
teoretycznie przy nieskończenie wysokiej temperaturze,
obsadzeniu poziomów niższych, lecz nigdy go - w
warunkach

równowagi

termodynamicznej

-

nie

przewyższając.

N N

N

1

T

1

<T

2

T

1

N

1

N

2

N

2

T

2

N

3

N

3

N

4

N

4

E

1

E

2

E

3

E

4

E E

1

E

2

E

3

E

4

E

Boltzmannowski rozkład obsadzenia poziomów energetycznych
(linie ciągłe) z pokaza-niem możliwej inwersji obsadzeń
poziomów E

1

i E

3

(prostokąty) w stanie nierówno-wagowym

wywołanym poprzez pompowanie energii do układu.

Z zależności (15.1) i (15.2) wynika, że dla omawianego
dwupoziomo-wego układu kwantowego stosunek:

N

N

E

E

kT

h

kT

2

1

2

1























exp

exp



W równowadze termodynamicznej N

1

>N

2

> N

3

> N

4

(rys. 15.3) - co oczywiście uprzywilejowuje absorpcję
promieniowania wymuszają-cego. W celu rozwinięcia
akcji laserowej (wzmacniania światła) ko-nieczne jest
odwrócenie stanu obsadzeń, czyli inaczej dokonanie in-
wersji obsadzeń (np. tak jak to zaznaczono na rys.
15.3 dla pozio-mów E

1

i E

3

); wtedy otrzyma się

nadwyżkę aktów emisji wymuszonej nad aktami
absorpcji. Układ z inwersją obsadzeń poziomów
energetycznych nazywany jest również układem
antyboltzman-nowskim.

Zasada działania lasera

Słowo laser pochodzi od pierwszych liter określenia
angielskiego: Light Amplification by Stimulated
Emission of Radiation co oznacza: wzmocnienie
światła przez wymuszoną emisję promieniowania.

Główne elementy lasera to:

- ośrodek czynny, w którym zachodzą procesy emisji
wymuszonej,

- źródło wywoływania inwersji obsadzeń (pompowania
energii do układu), oraz

- rezonator optyczny w którym powstaje i powiększa się
lawina fotonów.

Ośrodkiem czynnym może być gaz, ciecz lub

ciało stałe posia-dające najbardziej odpowiednią
strukturę poziomów energetycznych.

Inwersji obsadzeń

dokonuje się poprzez

pompowanie optyczne za pomocą odpowiednich lamp
błyskowych, wyładowania jarzeniowe w gazach, reakcje
chemiczne w gazach i cieczach, lub odpowiednie prądy
elektryczne w ośrodkach półprzewodnikowych.

Rezonator optyczny stanowi interferometr

utworzony najczę-ściej z komory i dwóch zwierciadeł
ustawionych prostopadle do osi komory. Wewnątrz
komory znajduje się ośrodek czynny.

Zasadnicze efekty fizyczne w oparciu o które możemy
opisać pracę lasera to:
> Pompowanie

> inwersja obsadzeń

> emisja wymuszona

œwiat³o pompuj¹ce

Z

1

Z

2

wi¹zka

promieni

laserowych

œwiat³o pompuj¹ce

Schemat przebiegu
generacji światła
laserowego:
Z

1

- zwierciadło

całkowicie odbijające i
Z

2

- zwierciadło częściowo

przepuszczalne tworzą
rezonator optyczny.

Na rys. przedstawiono w sposób poglądowy przebieg
generacji świa-tła laserowego w ośrodku czynnym,
umieszczonym w rezonatorze op-tycznym. W środkowej
i górnej części komory z ośrodkiem czynnym pokazano
symbolicznie: narastanie promienia poosiowego i
wielokro-tne

odbicie

promienia

od

zwierciadeł

interferometru. W dolnej części rezonatora pokazano
kilka promieni nieosiowych, nie biorących udzia-łu w
wytwarzaniu wiązki promieniowania laserowego.

Mechanizm wzmocnienia kwantowego, czyli akcja

laserowa za-czyna się rozwijać jeszcze przed
momentem

kiedy

błysk

pompujący

zdoła

przesunąć wszystkie elektrony na poziomy
wzbudzone.

Wskutek tego akcja laserowa rozmywa się

na pewien nieduży okres czasu, co obniża maksimum
intensywności laserowego błysku świetlnego

. W celu

przyśpieszenia narastania lawiny fotonowej pomiędzy
zwierciadłem odbijającym i komorą z ośrodkiem
czynnym umieszczamy zawór świetlny, otwierający
dostęp do zwierciadła jedynie na bardzo krótki odstęp
czasu tuż przed zakończeniem procesu pompowania
układu. To skrócenie czasu błysku lasera pozwala na
otrzymywanie impulsów o natężeniu 100.000 razy
przekraczającym

natężenie

zwykłego

impulsu

laserowego. Należy podkreślić, że impuls ten nie
niesie więcej energii niż impuls zwykły, jest ona
tylko bardziej skupiona w czasie. Zawór świetlny
spełnia rolę elementu regulującego dobroć rezonatora.

Czas trwania impulsów z laserów z regulowaną

dobrocią rezo-natora wynosi od 10 do 50 ns. Przez
dodatkowe zabiegi można skrócić czas trwania impulsu
do 10

-10

, a nawet do 10

-12

s. Tak krótkie impulsy

laserowe nazywamy pikosekundowymi. Maksymalne
uzyskane przy tym moce sięgają 10

10

W.

zawór czynny oœ

rodek

œ

wietlny laserowy

zwierciad³o zwierciad³o

odbijaj¹ce pó³przepuszczalne

Schemat lasera do uzyskiwania krótkich impulsów

poprzez regulowanie dobroci rezonatora

BUDOWA LASERA

1) Ośrodek aktywny, czyli zespół atomów, jonów lub też
cząsteczek.
2) Układ pompujący, czyli układ, który wytwarza inwersje
obsadzeń. Inwersja obsadzeń jest warunkiem koniecznym
do uzyskania wzmocnienia promieniowania..
3) Zwierciadło rezonatora. Rezonator jest układem
optycznym, który sprzęga promieniowanie
charakterystyczne dla danego ośrodka z tym ośrodkiem. W
najprostszym przypadku rezonator stanowią dwa płaskie,
doskonale odbijające zwierciadła, które są ustawione
idealnie równolegle do siebie w odległości L=nλ/2 (n jest
liczba całkowita, λ jest długością fali światła laserowego),
umożliwiającej powstanie w nim fal stojących.
Częstości tych fal są częstościami modów podłużnych
lasera.
4) Drugie zwierciadło rezonatora
5) Wiązka laserowa

Lasery na ciele stałym

MATERIAŁY LASEROWE
Za akcję laserową odpowiadają atomy, jony, molekuły
rozmieszczone w sieci materiału. Praca lasera zależy od
domieszki, czyli jonu, kyóry jest aktywny - „czynny”.
Typowa zawartość domieszki to 0,01 – 10%
Rola osnowy –

Wpływa na szerokość i położenie poziomów
energetycznych

 Transmituje energię pompy i energię generowaną

materiał

Wzór

Temp

topn.

n

uwagi

szafir

Al

2

O

3

2040

1,76

Domieszka Cr, dobra przewodność

cieplna

Fluorki

C

2

F

2

1350

1,43

Duża higroskopijność i mała

wytrzymałość termiczna

wolframia

ny

CaWO

4

1570

1,9

Domieszki metale ziem …, Nd

Granaty

Y

2

Al

5

O

12

1970

1,8

Domieszki wszystkie metale, najlepiej

Nd. Dobre właściwości termiczne

Szkła

800-900 1,5-

1,6

Możliwość łatwego formowania.

Domieszka Nd

Wymagania:
 Szerokie pasmo pochłaniania

 Energia pasma pochłaniania nie może być zbyt
daleko od energii pasma generacji

 Małe straty na rozproszenia nie promieniste

 Powinny posiadać pasmo metastabilne

 Opróżnienie poziomów metastabilnych przez
luminescencję

 Wąska linia poziomu generacyjnego

LASER
RUBINOWY

PRĘTY LASEROWE

LAMPY I OŚWIETLACZE LASEROWE

REZONATORY OPTYCZNE

Materiały trzy- i cztero-poziomowe

Rubin

Kryształ Al

2

O

3

: Cr

3+

typowa domieszka 0,05%

> W laserze rubinowym substancją czynną jest kryształ
korundu (trójtlenek glinu) z domieszka jonów chromu.
> Pompowanie optyczne odbywa się przy pomocy flesza.
> Lasery rubinowe pracują impulsowo, emitując światło
czerwone o długości fali 694,3nm.

Obecnie ma znaczenie głównie historyczne.

Schemat działania lasera rubinowego

Schemat działania lasera rubinowego

:

 intensywny błysk światła z kwarcowej lampy błyskowej
wzbudza niektóre atomy kryształu rubinu do wyższego
stanu energetycznego

 niektóre atomy wysyłają fotony, które następnie
pobudzają inne atomy do wysłania identycznych fotonów, w
efekcie ilość fotonów gwałtownie wzrasta

 lustra po obu stronach rubinu odbijają wielokrotnie
powstałe fotony, zwiększając ilość identycznych fotonów

 fotony wychodzą przez półprzepuszczalne lustro i
otrzymujemy światło laserowe

Neodym:

Jest domieszką uniwersalną – może występować
zarówno w kryszta-łach jak i szkłach

Pozwala na uzyskanie generacji ciągłej.

Charakterystyczne cechy (w porównaniu do Cr)

Węższe linie pochłaniania (o rząd)

 Więcej pasm luminescencji (1,06µm; 1,3µm ; 0,8µm )

 Można stosować wyższe koncentracje (w szkłach do
10%, typowo 3%)

 Szerokość linii luminescencji zależy od osnowy (≈ cm

-

1

w kryszta-łach, ≈ 100 cm

-1

w szkłach)

 Czas życia na poziomie metastabilnym 100µs ÷ 1ms

Cechy szkieł domieszkowanych Nd

3+

Dodatnie: możliwość wytopu dużych bloków, duża
jednorodność

opty-czna,

możliwość

regulowania

współczynnika

załamania,

możliwość

stosowania

wysokiej koncentracji domieszki, prosta „konstrukcja”.

Ujemne:

niska

przewodność

ciepła,

wysoka

rozszerzalność

cieplna,

mała

twardość,

mała

przejrzystość w ultrafiolecie.

Laser neodymowy znajduje zastosowanie
głównie w:

 telekomunikacji

 laserowych układach śledzących

 kontrolowanych reakcjach jądrowych.

Lasery gazowe:

- atomowe

- jonowe

- molekularne

Ośrodki czynne

Gazy szlachetne

He, Ne, Ar, Xe

Pary metali i niemetali

Cs, Cd, Rb, Hg

Mieszaniny gazów
szlachetnych

He-Ne, He-Xe

Mieszaniny różnych
gazów lub par

Ne-O

2

, He-Cd, He-Se, He-

NO-NO

2

,

He- N

2

– CO

2

> Laser gazowy to taki laser, w którym ośrodkiem czynnym
jest gaz, mieszanina gazów lub mieszanina gazów i par
metalu. Szczególna cecha takiego ośrodka aktywnego jest
mała gęstość – w rezultacie widmo energetyczne cząsteczek
aktywnych (atomów, jonów, molekuł) nie ulega
zniekształceniu na skutek oddziaływania z sąsiednimi
cząsteczkami aktywnymi. Dlatego też poziomy energetyczne
w widmie gazów są wąskie, co pozwala skoncentrować
energie
promieniowania lasera gazowego w kilku lub nawet w jednym
modzie wzdłużnym.
> Dobierając w odpowiedni sposób gazowy ośrodek aktywny,
można otrzymać generacje w dowolnym zakresie widma, od
ultrafioletu do dalekiej podczerwieni. Dla przykładu, generacje
impulsowa realizuje sie na kilkuset różnych liniach, od
próżniowego nadfioletu (0,16 µm) do obszaru
submilimetrowego (0,8 mm).
> Niezwykle krótką długość fali (0,15 µm) otrzymano w
parach antymonu oraz w wodorze (0,116 µm). Ze względu na
różnorodnosc i specyfikę gazów w laserze gazowym stosuje
sie różne sposoby realizacji inwersji obsadzeń (pompowanie),
m.in. poprzez wyładowanie elektryczne (metoda stosowana
najczęściej), wzbudzanie chemiczne, wzbudzenie wiązka
elektronów i inne.

Lasery gazowe mogą być przystosowane do

pracy ciągłej lub

pracy ciągłej lub

impulsowej.

impulsowej.

Średnica wiązki na zwierciadle rezonatora

Średnica wiązki na zwierciadle rezonatora:
• w laserach gazowych atomowych i jonowych zazwyczaj
wynosi 1-5 mm, a jej rozbieżność 0,2-2 mrad
• w laserach gazowych molekularnych 5-50 mm, a jej
rozbieżność 1-5 mrad

Moce wyjściowe przy pracy ciągłej:

Moce wyjściowe przy pracy ciągłej:
• laserów gazowych atomowych He-Ne - rzędu 10 mW
• laserów gazowych jonowych (Ar+) od kilkudziesięciu mW do
kilkudziesięciu W
• laserów gazowych molekularnych 1-1000 W

Zakres częstotliwości

Zakres częstotliwości pracy lasera gazowego zawiera zakres
widma widzialnego do dalekiej podczerwieni.

Trwałość l

Trwałość lasera gazowego jest rzędu 1000-2000 h pracy.

Laser helowo-neonowy jest napełniony mieszaniną helu i
neonu w stosunku 10:1, zamknięta w rurze ze szkła
kwarcowego.
Miedzy końcami rury przyłożone jest napięcie, w wyniku
którego w rurze powstaje pole elektrostatyczne, które
przyspiesza elektrony i jony do dużych prędkości.

Maksymalne moce laserów He-Ne osiągają wartość kilku
watów przy sprawności 0,1%.
Rury laserów He-Ne mogą pracować ponad 20000 godzin.
Dzięki du-żej monochromatyczności, ukierunkowaniu wiazki i
prostocie konstru-kcji lasery te stosowane są w wielu
dziedzinach nauki i techniki, m. in. w:
• holografii
• geodezji
• w żyroskopach laserowych
• metrologii

Ostatnio konstruuje się lasery helowo-neonowe, które emitują
światło zielone, wykorzystywane w badaniach naukowych
oraz (ze względu na prostą budowę) w dydaktyce i niektórych
zastosowaniach prakty-cznych.

LASER CO

LASER CO

2

2

Najbardziej rozpowszechnionymi laserami gazowymi są
lasery CO

2

. Urządzenia te mogą pracować zarówno w trybie

ciągłym (CW – Con-tinuous Wave) jak i impulsowym.
Charakteryzują się najwyższymi mocami i największa
sprawnością energetyczna (5 - 12%).

Skład czynnika roboczego:
Czynnikiem roboczym w rezonatorze jest mieszanka CO

2

,N

2

,i

He w proporcjach 1:1,3:7,7
 CO

2

jest gazem aktywnym



w N

2

odbywa sie wyładowanie elektryczne

dostarczające energii wzbudzenia


He służy do stabilizacji plazmy CO

2

i

odprowadzenie ciepła

Zasadniczym wymaganiem wobec konstrukcji laserów CO

2

jest utrzy-manie niskiej temperatury gazu, w której emisja
promieniowania przebiega w sposób optymalny.

Rodzaje konstrukcji laserów CO

2

:

o Lasery o wolnym przepływie ( Slow Flow Lasers) -
chłodzenie od-bywa sie tu częściowo przez boczne ścianki
rezonatora, lasery tego typu dają wiązkę o wysokiej jakości
lecz o małej mocy
o Lasery o szybkim przepływie osiowym (Fast Axial Flow
Lasers) - przepływ gazu z prędkością 300 do 500m/s, wiązka
jest dobrej jako-ści, nadająca sie do ciecia. Ta konstrukcja
daje lasery o dużych mo-cach i niewielkich wymiarach.
o Lasery o przepływie poprzecznym (Transvers Flow) -
pobudzane polem elektrycznym w kierunku prostopadłym do
osi rezonatora. Innym przykładem są lasery o pobudzaniu
podłużnym, które na ogół pracują w sposób ciągły i w
zależnosci od rozmiarów rury generują moc od kilku W do
kilku kW.
o Lasery zamknięte (Sealed Lasers)- gaz jest zamknięty w
komorze rezonatora, chłodzenie odbywa sie w całości przez
przewodnictwo. Lasery tego typu charakteryzują sie małymi
wymiarami i dlatego dają możliwość np. umieszczenia ich na
ramieniu robota.

Lasery różnią sie miedzy sobą także sposobem zasilania

.

Najbardziej wydajne jest zasilanie prądem stałym DC,
minusem tego typu zasilania jest to, iż następuje szybsze
zużywanie elektrod, co z kolei powoduje szybsze
zanieczyszczenie luster w rezonatorze. Zastępczo stosuje sie
zasilanie prądem zmiennym (HF).

Charakterystyczne parametry

Charakterystyczne parametry

:

Laser generuje promieniowanie głównie na długości fali
10,6 µm oraz 9,4 µm i charakteryzuje się wysoką
sprawnością, rzędu 10÷30%. Uzyskane moce dla laserów
impulsowych tego typu są rzędu terawatów, dla laserów
ciągłego działania ~ 90 kW.
Moc wiązki lasera można istotnie zwiększyć, jeśli
mieszanina gazów znajduje sie w przepływie poprzecznym
do wiązki lasera lub po-przez zmianę sposobu wyładowania
gazów w rurze wyładowczej lasera. Wyładowanie
elektryczne w tym przypadku zachodzi pomię-dzy długa
elektroda (anoda) i rzędem około 150 szpilek katody, któ-re
poprzez oporniki o wartości około 1 kΩ połączone są
równolegle i zasilanie impulsowo z kondensatora 0,02 μF,
naładowanego do 17kV.

Zastosowanie lasera CO

2

:

 badania fizyczne

 obróbka materiałów

 medycyna

 wojskowość

 telekomunikacja

 laserowa synteza termojądrowa

 inne obszary nauki i techniki

Laser jonowy

Laser jonowy jest laserem gazowym, na ogół o pracy ciągłej,
w któ-rym ośrodkiem czynnym są jony gazów szlachetnych
lub pary metali takich jak: ksenon, krypton, argon, neon, a
także chlor, pary fosforu czy siarki.
Inwersję obsadzeń osiąga się na skutek wzbudzenia jonów na
wyż-sze poziomy energetyczne w procesie ich zderzeń z
wolnymi elektro-nami tworzącymi się w wyładowaniu
elektrycznym. Przed wzbudze-niem poziomów jonowych gaz
ulega jonizacji. Jonizacje taka wywołu-je przepływający przez
gaz prąd, od wartości którego w dużym sto-pniu zależy
wyjściowa moc laserów.
Największą moc (kilkaset W) otrzymano m. in. na jonach
argonu i kryptonu.

Zastosowanie laserów jonowych:

o badania fizyczne
o łaczność optyczna
o technologia
o fotochemia
o fotobiologia
o separacja izotopów

Laser barwnikowy jest laserem o pracy ciągłej lub
impulsowej, któ-rego ośrodkiem aktywnym jest roztwór
barwnika w stanie ciekłym, stałym lub w postaci pary.
Umożliwia ciągłą zmianę długości fali z zakresie ok. 0,4-0,8
µm lub od bliskiej podczerwieni do bliskiego ultrafioletu (1
µm ÷ 0,2 µm). Zakresy te uzyskuje sie przez stosowanie
kolejno różnych barwni-ków. Najbardziej znane z nich to
fluorosceina, rodamina G6 i roda-mina B, pokrywająca
środkową cześć widma widzialnego. Przestrajanie może
odbywać się za pomocą siatek dyfrakcyjnych, pryzmatów
lub poprzez zmianę ciśnienia barwnika. Cechą charakte-
rystyczną lasera barwnikowego jest możliwosc płynnego
przestraja-nia długości fali, tak w laserach ciągłego
działania, jak i impulso-wych, włącznie do piko
sekundowych czasów trwania impulsów.

Laser barwnikowy

Rys. Schemat lasera barwnikowego.

G - siatka dyfrakcyjna
P – pryzmat rozszerzający wiązkę
K – kuweta z roztworem barwnikowym
M – zwierciadło płaskie
T – obrotowy stół

Siatka dyfrakcyjna G, pryzmat P i zwierciadło płaskie M

tworzą rezonator

Istotną cechą konstrukcji lasera jest możliwość
wykorzystania dwóch wiązek promieniowania (B1) i (B2)
wyprowadzonych z rezonatora. Wiązka B1 wychodząca
bezpośrednio od strony kuwety K ma wię-kszą moc, ale
mniejszą jakość spektralną.
Odpowiedni kształt pryzmatu P umożliwia jednak
wyprowadzenie drugiej wiązki B2 wychodzącej bezpośrednio
od strony siatki dyfrak-cyjnej G.

Charakterystyczne parametry

Charakterystyczne parametry

:

Energie uzyskiwane przez laser barwnikowy w impulsie
wynoszą od kilkudziesięciu µJ do kilku mJ,
natomiast moce - od kilku kW do kilkunastu kW.

Główne obszary zastosowania lasera barwnikowego

Główne obszary zastosowania lasera barwnikowego

:

 spektroskopia (nauka o powstawaniu i interpretacji widm
powstają-cych w wyniku oddziaływań wszelkich rodzajów
promieniowania na materię)

 chemia

 diagnostyka

 badania naukowe

Lasery półprzewodnikowe

Lasery półprzewodnikowe

Zasada działania lasera półprzewodnikowego

Zasada działania lasera półprzewodnikowego

:

Zasada działania lasera półprzewodnikowego (diody
laserowej) jest zbliżona do zasady działania diody LED.
Zasadnicze znaczenie ma tu emisja wymuszona oraz
inwersja obsadzeń (rozkład antyboltzma-nowski).

W normalnym stanie w ciele stałym liczba elektronów o

W normalnym stanie w ciele stałym liczba elektronów o

danej energii jest tym mniejsza, im wyższa jest ta energia. W

danej energii jest tym mniejsza, im wyższa jest ta energia. W

celu wywołania akcji laserowej rozkład ten trzeba odwrócić

celu wywołania akcji laserowej rozkład ten trzeba odwrócić.
W atomie mogą powstać me-tastabilne poziomy
energetyczne.

Prawdopodobieństwo rekombinacji elektronu z

pasma metastabilnego jest małe, co sprzyja obsadzeniu tego
pasma przez dużą liczbę elektronów

.

Aby jednak elektrony znalazły sie na poziomach
metastabilnych na-leży dostarczyć im energię (pompowanie).
Po wzbudzeniu tylko nie-wielka cześć elektronów powraca do
pasma walencyjnego rekombi-nując promieniście. Większość
elektronów trafia na poziomy meta-stabilne, zawarte miedzy
pasmem walencyjnym, a pasmem przewo-dnictwa.

Rekombinacja następuje lawinowo i jest wymuszona fotonami
po-wstałymi we wcześniejszej rekombinacji promienistej.
W laserze półprzewodnikowym funkcje pompowania spełnia
ciągły przepływ nośników (zarówno dziur jak elektronów),
które następnie rekombinują ze sobą.
Obszary n i p wokół obszaru aktywnego domieszkowane są
dodatko-wo Al w celu uzyskania warstw odbijających
promienie wyemitowane spontanicznie. Promienie te odbijane
są wielokrotnie od warstw bo-cznych i tworzą w ten sposób
tzw. rezonator Fabry-Perota. Promienie odbijające sie w
rezonatorze wywołują powtarzającą sie rekombinacje
promienistą, przez co światło jest wzmacniane. Promienie
odbijające się w rezonatorze częściowo wydostają się z
warstwy aktywnej two-rząc wiązkę światła laserowego.

Akcję laserową otrzymujemy gdy zwiększymy prąd diody
powyżej pewnego prądu progowego (ok. 250mA). Poniżej tej
wartości dioda zachowuje sie podobnie do diody LED. Po
przekroczeniu prądu pro-gowego w widmie światła diody
pojawiają się prążki o dużo większej mocy (akcja laserowa)
niż reszta widma powstała w wyniku emisji spontanicznej.

Arsenek galu

Widmo światła laserowego

Podstawowe cechy

promieniowania laserowego

Światło laserowe a zwykłe.

Zwykłe światło

powstaje dzięki spontanicznej

emisji promie-niowania, charakteryzującej się zupełną
przypadkowością poszczegól-nych aktów emisyjnych i
brakiem między nimi jakiegokolwiek powią-zania
fazowego.

Promieniowanie

to

stanowi

nieuporządkowany zbiór niezależnych od siebie fal
(drgań) elektromagnetycznych.

Światło laserowe

jest wytwarzane w sposób

zorganizowany, dzięki procesom wymuszonej emisji
promieniowania.

Foton

wymusza-jący

powoduje

wypromieniowanie nowego fotonu o identycznych
właściwościach, który z kolei może uczestniczyć w
następnych aktach emisji wymuszonej. Otrzymuje się w
rezultacie

zbiór

uporządko-wanych

ciągów

fal

elektromagnetycznych,

stanowiący

wypadkową

synchronicznych, zgodnych w fazie i jednokierunkowych
promieni emitowanych przez poszczególne elementy
ośrodka ciągłego.

Laser wytwarza światło spójne (koherentne),

jednobarwne

(monochromatyczne),

o

wiązce

równoległej (skolimowane). Należy jednak zaznaczyć, że
każda z tych cech nie występuje w postaci dosko-nałej.

Przez spójność światła rozumieć będziemy

przestrzenno-czaso-we uporządkowanie tworzących je
fal elektromagnetycznych przy czym korelację fazową
ciągów falowych emitowanych przez różne punkty
źródła

jednocześnie

wyróżniamy

jako

spójność

przestrzenną, a korelację ciągów falowych emitowanych
przez jeden punkt źródła w różnych momentach czasu
jako spójność czasową.

Spójność przestrzenna

.

Rysunek pokazuje doświadczenie sprawdzające

spójność przestrzenną światła. Dwie wiązki światła o
natężeniu I

1

i I

2

wycho-dzące ze szczelin A

1

i A

2

spotykają się na ekranie w punkcie B. Wypa-dkowe
natężenie światła w punkcie B obliczamy z zależności:

A

1

I

1

B

I

2

A

2

I

I I

I I

w

  

1

2

1 2

2

cos

gdzie d - różnica faz obu
wiązek.

Jeśli

brak

jest

jakiejkolwiek kore-lacji
faz pomiędzy wiązkami to
wyraz interferencyjny

2 1 2

I I cos

we wzorze (15.4), reprezentujący wzajemne oddziaływanie obu
wiązek zanika ponie-waż średnia wartość cosδ jest równa zeru ze
względu na jednakowe prawdopodo-bieństwo przyjmowania przez d
wszelkich możliwych wartości, zmieniających się w sposób zupełnie
przypadkowy i szybki

Pozostaje więc

I

w

=

I

1

+I

2

–

czyli algebraiczne
sumowanie obu wiązek.

Przy istnieniu ścisłej korelacji faz między wiązkami

obserwuje

się

zjawisko

interferencji

w

wyniku

wektorowego sumowania się obu ciągów falowych.
Wypadkowe natężenie światła w punkcie B może teraz
przyjmować różne wartości ( w zależności od d w
punkcie B) od

I I

I

I I

  

1

2

1 2

2

cos

I I

I

I I

  

1

2

1 2

2

cos

do

W rzeczywistości uzyskuje się jedynie określony stopień
spójności, za miarę którego przyjmujemy współczynnik
γ < 1 wprowadzony do wzoru

I I

I

I I

  

1

2

1 2

2



cos

W praktyce uważa się, że promieniowanie jest
spójne w znacznym stopniu gdy γ> 0.88.

Spójność czasowa.

Na

rysunku

przedstawiono

schemat

doświadczenia

z

zastoso-waniem

interferometru

Michelsona, którym można posłużyć się do sprawdzenia
spójności czasowej promieniowania świetlnego

Z

1

I

1

P I

2

S

I

1

I

2

Z

2

B

Schemat

doświadczenia

ilustrującego spój-ność czasową
światła

w

interferometrze

Michelsona.

Interferencja wiązek I

1

i

I

2

zwią-zana jest teraz z
różnicą przeby-tych przez
nie dróg optycznych Δl
powodujących powstanie
różnicy faz







2

l

gdzie λ oznacza
długość fali światła

Okazuje się, że w miarę zwiększania Δl stopień
spójności g maleje, aż do pełnego zaniku interferencji.
Wtedy na ekranie w punkcie B obserwuje się sumę
natężeń I

w

=I

1

+I

2

. Wartość krytyczna Δl

kr

przy której

następuje zanik interferencji nazywa się długością
sójności a odpowiadający jej czas

Δl

kr

/c czasem

spójności

. Dla lasera helowo-neonowego długość

spójności sięga 10 km.

 

Monochromatyczność.

Dla światła laserowego szerokość linii widmowej

jest bardzo mała w porównaniu ze światłem zwykłym. Na
przykład w laserze rubi-nowym (l = 694.3 nm) wynosi
ona 0.01-0.05 nm, a niekiedy osiąga na-wet wartość
0.002 nm ( co odpowiada 1200 MHz), podczas gdy nie-
spójne światło fluorescencyjne, pochodzące z tego
samego kryształu rubinu, ma szerokość widmową 0.54
nm.

Na rysunku 15.8 przedstawiono przykładowo

przebiegi zależno-ści natężenia promieniowania od
częstotliwości dla światła zwykłego (krzywa a) i światła
laserowego (linia pionowa b).

Wysoki

stopień

monochromatyczności

promieniowania

lasero-wego

jest

podstawą

zastosowania go w telekomunikacji, spektroskopii i
innych gałęziach nauki i techniki.

1.0

0.8

podczerwieñ nadfiolet

0.6` a

b

0.4 œ

wiat³o

widzialne

0.2

0

10 100 1000 10000

czêstotliwoœ

æ [THz]

Równoległość wiązki.

Dla wytworzenia wiązki równoległej światła

pochodzącego ze zwykłego źródła musimy dążyć do
tego aby było ono zbliżone do źró-dła punktowego.
Ogranicza to radykalnie natężenie wiązki skolimowa-nej.
Im mniej źródło jest zbliżone do punktowego tym mniej
równole-głą wiązkę możemy uzyskać. Laser jest
rozciągłym źródłem światła emi-tującym bezpośrednio
wiązkę skolimowaną. Dzieje się tak dzięki kie-runkowości
emisji wymuszonej i selektywnemu działaniu rezonatora
optycznego.

Równoległość

wiązki

laserowej

jest

ograniczona dyfrakcją. Kąt rozbieżności a można
wyznaczyć z wzoru:





122

.

D

D - oznacza średnicę apertury wyjściowej układu
optycznego. Dla przykładu: w laserze rubinowym, w
którym l=694.3 nm a D=1 cm,
α = 0.85

.

10

-4

rad, czyli 0.3’.

Intensywność promieniowania.

Duża intensywność promieniowania laserowego

wynika zarów-no z jego wyżej omówionych własności,
jak i z możliwości wytwarzania impulsu światła o
niezwykle krótkim czasie trwania - do pikosekund (10

-12

s)

i

ułamków

pikosekund

włącznie.

Gęstości

powierzchniowe energii światła laserowego są rzędu 10

7

J/cm

2

. Impulsowe działanie lasera powoduje bardzo duży

wzrost mocy wyjściowej w stosunku do lasera o pracy
ciągłej: tym większy im krótszy jest bardzo duży jest
emitowany błysk. Energia bowiem nagromadzona w
ośrodku czynnym na skutek pompowania wyładowuje
się w postaci wiązki promienio-wania w ciągu bardzo
krótkiego czasu, w związku z czym nawet przy bardzo
małej wartości tej energii uzyskuje się duże moce rzędu
10

10

W/cm

2

i większe.

Wynalazek lasera otworzył nowy łańcuch

osiągnięć nauko-wych i technicznych o dużym zasięgu
oddziaływania

na

różne

dzie-dziny

życia

współczesnego. Nauka i technika zyskały nowe źródło
światła, o nieosiągalnych dotąd właściwościach i
rozległych perspe-ktywach różnorodnych zastosowań.

Lasery znalazły powszechne zastosowania w

technice woj-skowej, telekomunikacji i nawigacji,
technologii, miernictwie i kon-troli, medycynie i
biologii, chemii i fizyce, technice fotografii ultra-
szybkiej, technice jądrowej, elektronicznej technice
obliczeniowej i innych gałęziach nauki i techniki.

 

ZASTOSOWANIA TECHNIKI
LASEROWEJ

Elementy systemy laserowego

DALMIERZ LASEROWY

SYSTEM DO
WYZNACZANIA OSI

ŁĄCZA LASEROWE

ŻYROSKOP LASEROWY

WSKAZYWANIE
CELÓW

FOTOGRAFIA PRZEZ CHMURY

CIĘCIE I SPAWANIE LASEROWE

SPAWANIE LASEROWE

Holografia

 

Holografia

jest jednym z bardzo ciekawych

zastosowań światła laserowego jest, dającym możliwość
stereoskopowego odtwarzania obiektów. Oglądany, przez
odpowiednio przygotowaną płytę fotografi-czną, zwaną
hologramem, obraz, stanowi plastyczną kopię, dającą peł-
nowartościową informację o fotografowanym obiekcie.

Uzyskiwanie informacji przez nas za pomocą zmysłu

wzroku i przyrządów rejestrujących obrazy świetne jest
możliwe tylko dlatego, że obserwowane obiekty zaburzają
padające na nie fale świetne, lub też same takie fale
emitują. Aby zarejestrowany obraz optyczny obserwowa-
nego obiektu był optycznie równoważny z obiektem
rzeczywistym, o-prócz rozkładu natężenia światła
(informacja niesiona przez amplitudy rejestrowanych fal
świetnych) i barwy (informacja zakodowana w często-
tliwości fal) powinien zawierać również informację o
fazach fal świetnych ukształtowanych przez przedmiot.
Takie obrazy możemy otrzymać za po-mocą metod
holograficznych (nazwa pochodzi od greckiego słowa
holo-grapheo oznaczającego pisanie w całości , bez
skracania).

Otrzymanie

ze

światła

zaburzonego

przez

przedmiot informacji o samym przedmiocie należy
rozkład amplitudy i fazy fal zaburzonych przez ten
przedmiot przetransformować na rozkład natężenia
światła możliwy do zarejestrowania przez detektor (taki
jak klisza fotograficzna czy detektor elektroniczny w
kamerze wizyjnej).

Proces ten sprowadza się fizycznie do dwóch

zagadnień :
analizy przedmiotu poprzez fale padające i
transformacji fal rozpro-szonych w rozkład
natężenia na powierzchni detektora.

Nierozdzielność rozkładu amplitudy i fazy w

klasycznej rejestra-cji obrazów ogranicza zakres
dostępnej informacji o przedmiocie. Do-stępne detektory
(łącznie z ludzkim okiem) wiernie rejestrują obrazy
przedmiotów płaskich, natomiast deformują obrazy
przedmiotów trójwymiarowych.

Holografia jest sposobem zapisu oraz odtwarzania

amplitudy

i

fazy

pola

dyfrakcyjnego

poprzez

wykorzystanie zjawiska interferencji fali o nieznanym
rozkładzie fazowym pochodzącej od przedmiotu z falą
wzorcową tzw falą odniesienia

fale oœ

wietlaj¹ce przedmiot

obraz pierwotny obraz wtórny

przedmiot

fale przedmiotowe

obserwator

fale odniesuienia p³ytka œ

wiat³oczu³a fale odtwarzaj¹ce hologram

a) b)

W wyniku oddziaływania obu tych fal powstaje

pole

interfe-rencyjne.

Na

każdej

płaszczyźnie

przecinającej

takie

pole

minima

i

ma-ksima

interferencyjne tworzą określoną strukturę. Przy
zastosowaniu światła monochromatycznego w cienkiej
płytce fotograficznej jest ona rejestrowana jako układ
ciemnych i jasnych prążków interferencyjnych a w
grubym ośrodku światłoczułym jako układ jasnych i
ciemnych po-wierzchni. Jeżeli taki zarejestrowany
hologram oświetli się falą identy-czną jak fala
odniesienia, to w wyniku ugięcia dyfrakcyjnego na tym
obrazie interferencyjnym powstanie fala będąca jak
gdyby dalszym ciągiem fali badanej

Dla wiernego odtworzenia zarejestrowanej fali od

obiektu

nazywanej

falą

przedmiotową,

fala

odtwarzająca musi wiernie odtwarzać falę odniesienia
użytą przy formowaniu hologramu tzn. Musi padać na
hologram z tej samej strony, z tego samego kierunku i
pod tym samym kątem, co, fala odniesienia w czasie
zapisu.

Ugięcie fali odtwarzającej następuje w dwóch

kierunkach i za hologramem oprócz wiązki nieugiętej
powstają dwie wiązki fal ugię-tych. Jedna z tych wiązek
jest jak gdyby przedłużeniem fali przedmio-towej i
obserwator ma wrażenie oglądania rzeczywistego
przedmiotu

przez

okienko

hologramu.

Dzieląc

hologram na mniejsze części nie ograniczamy
wielkości obrazu pozornego zwanego pierwotnym,
ale zmniejsza się możliwość zmian punktu
obserwacji, podobnie jak to ma miejsce wówczas
gdy maleją wymiary okienka przez które
prowadzimy obsrwację. Zmniejszanie wymiarów
hologramu dopóty nie wpływa na jakość obrazu dopóki
nie są one porównywalne z wymiarem źrenicy oka.
Dalsze zmniejszanie wymiarów hologramu pogorszenie
jakości obrazu, jego kontury ulegają rozmyciu.

Obraz

całkowicie znika przy wymiarach hologramu rzędu
długości fali światła użytego przy jego formowaniu.

Druga wiązka fal tworzy również wierny obraz

przedmiotu zwany obrazem wtórnym przy czym oba
obrazy są swoim zwierciadla-nym odbiciem. Dla
obserwatora oglądającego obraz wtórny – przed-miot
jest zawieszony w przestrzeni przed hologramem.

Źródłem światła tworzącym oba obrazy jest

hologram. Do oka obserwatora docierają promienie
rozchodzące się w nieskończonym ostrosłupie, którego
jeden z przekrojów stanowi hologram, a w wierz-chołku
znajduje się oko. Obserwator będzie widział ostro tylko
te fra-gmenty obrazów, które mieszczą się w tak
wyznaczonym ostrosłupie. Do obejrzenia innych
fragmentów obrazu należy zmienić punkt obser-wacji.

Jeżeli grubość hologramu jest dużo większa od

odstępu pomię-dzy prążkami na płaskim hologramie,
przestrzenny układ pola interferen-cyjnego zostaje
zapisany w postaci powierzchni interferencyjnych.

Przy oświetleniu falą nie monochromatyczną,

hologram taki sam wybiera z wiązki świetlnej
światło o właściwej barwie, dzięki czemu można
uzyskać dobrej jakości obrazy nawet w świetle
słonecznym, czy żarówki. Barwa i ostrość obrazu są
tym bliższe oryginalnym im grubszy ośrodek jest
stosowany do zapisu hologramu

.

Jeżeli

hologram

po

wykonaniu

nie

został

pomniejszony lub powiększony to obraz pierwotny jest
wierną kopią przedmiotu, natomiast obraz wtórny jest na
ogół zniekształcony.

Holografia znajduje swoje zastosowanie zarówno

w technice rejestracji obrazów dla celów artystycznych
jak również dla celów naukowych i technicznych przy
określaniu stanu odkształceń i naprężeń oraz
defektoskopii elementów konstrukcyjnych i części
maszyn, do analizy drgań mechanicznych, realizacji
systemów zapisu i odtwarzania informacji, optycznego
przetwarzania informacji wykorzystywanego m.in. do
identyfikacji obiektów w daktyloskopii, do
porównywania widm w spektroskopii, analizy zdjęć
lotniczych i in.