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.  15.1  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  rys. 
15.2.

                      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 wzmocnie-nie 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  (rys.  15.3)  dla  dwóch  różnych 
temperatur  danego  układu  (T

1 

<  T

2

).  Jak  widać,  ze 

wzrostem  temperatury  obsadzenie  wyższych  poziomów 
wzrasta,  do-równując  teoretycznie  przy  nieskończenie 
wysokiej temperaturze, ob.-sadzeniu 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.

               

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 zwiercia-dłem odbijającym i komorą 
z ośrodkiem czynnym umieszczamy zawór świetlny ( rys. 
15.5), otwierający dostęp do zwierciadła jedynie na bar-
dzo krótki odstęp czasu tuż przed zakończeniem procesu 
pompowania  układu.  To  skrócenie  czasu  błysku  lasera 
pozwala  na  otrzymywanie  im-pulsów  o  natężeniu 
100000  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

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% 

 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.

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

Lasery półprzewodnikowe

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.