Zasada działania lasera

Działanie lasera opiera się na dwóch zjawiskach: inwersji obsadzeń i emisji wymuszonej. Emisja wymuszona zachodzi gdy atom wzbudzony zderza się z fotonem o takiej częstotliwości, że jego energia kwantu jest równa różnicy energii poziomów między stanem wzbudzonym a podstawowym. Foton uderzający nie ulega pochłonięciu, ale przyspiesza przejście atomu ze stanu wzbudzonego do podstawowego i dlatego z atomu wylatują w tym samym kierunku dwa spójne, to znaczy zgodne w fazie fotony o tej samej energii więc i częstotliwości (rysunek po lewej stronie). Proces taki przewidział teoretycznie Einstein w 1917 roku. Pierwszy laser, którego nazwa pochodzi od pierwszych liter angielskiego zwrotu Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation co w polskim tłumaczeniu brzmi "Wzmocnienie światła prze wymuszoną emisję promieniowania" zbudował dopiero w 1960 roku przez T. Maimana.

Zasada działania lasera rubinowego

Aby mogła zachodzić w dużych ilościach emisja wymuszona należy w ośrodku wzmacniającym stworzyć odpowiednie warunki, to znaczy spowodować, by więcej elektronów było w stanie wzbudzonym niż w stanie podstawowym. Taki proces nosi nazwę inwersji obsadzeń (odwrócenia obsadzeń). Wtedy rezonansowy foton wyzwala emisje wielu fotonów naraz o tej samej fazie i częstotliwości. Aby to dokonać trzeba znaleźć taki materiał aby na pewnym poziomie wzbudzonym (na rysunku po prawej poziom E₃) czas przebywania elektronu był dostatecznie długi. Taki poziom nazywamy poziomem metastabilnym. Do tej pory zbudowano wiele typów laserów i uzyskano efekt laserowy w setkach ośrodków czynnych (stałych, ciekłych i gazowych). Odwrócenie obsadzeń uzyskuje się za pomocą oświetlenia światłem (pompowanie optyczne), innym laserem, światłem błyskowym, wyładowaniem prądu w gazach, reakcjami chemicznymi albo wykorzystać rekombinację w półprzewodnikach.
Wzmacniacz laserowy zamienia się w generator, gdy ośrodek wzmacniający zostanie umieszczony w rezonatorze. Wówczas promieniowanie wprowadzone wzdłuż osi rezonatora odbija się od zwierciadła umieszczonego na jednym końcu rezonatora oraz od półprzeźroczystego zwierciadła na drugim końcu. Pomiędzy zwierciadłami fale są wzmacniane wskutek emisji wymuszonej. Promieniowanie wychodzi z rezonatora przez półprzeźroczyste zwierciadło w postaci spójnej, monochromatycznej, równoległej wiązki światła o dużej mocy. Emitowana wiązka jest doskonale równoległa, bowiem fale, które nie wędrują tam i z powrotem między zwierciadłami, szybko uciekają na boki ośrodka drgającego bez wzmocnienia.
Lasery znalazły wiele zastosowań; są na przykład używane do spawania, w medycynie np. chirurgii, holografii, drukarkach, telekomunikacji optycznej oraz do odczytywania informacji cyfrowej.

Laser rubinowy

Rubin jest to kryształ tlenku glinu (AL₂O₃), w którym niektóre atomy glinu są zastąpione atomami chromu. Atomy chromu nadają rubinowi charakterystyczną czerwoną barwę ponieważ absorbują one żółto-zieloną część widma. Rolę aktywną a laserze rubinowym spełniają tylko jony chromu. Monokryształ sztucznego rubinu szlifowany jest do postaci cylindra o średnicy 5 mm i długości 5 do 10 cm, którego podstawy są polerowane płasko, równolegle do siebie. Jedna z tych powierzchni jest pokryta warstwą odbijającą o blisko stuprocentowym współczynniku odbicia, druga ma odbicie około 50%. Tak przygotowany kryształ umieszczony jest w lampie błyskowej. Schemat poziomów energetycznych w rubinie przedstawia animacja zamieszczona wyżej. Ksenonowa lampa błyskowa powoduje wzbudzenie elektronów z poziomu E₁ w stan E₂, który tworzy pasmo energetyczne o sporej szerokości dlatego łatwo fotony z kość szerokiego przedziału mogą wzbudzać elektrony. Średni czas przebywania na poziomie E₂ jest krótki i wynosi jedynie 0,05ms. Elektrony wracają więc do stanów niższych. Wiele z nich przechodzi bezpromieniście (energiazostaje przekazana sieci krystalicznej i dlatego taki laser musi być chłodzony) na poziom E₃. Średni czas życia na poziomie E₃ jest dość długi wynosi około 3ms i dlatego nazywamy go metastabilnym. Oświetlenie więc rubinu światłem białym powoduje masowe przechodzenie elektronów do stanu E₃. Proces taki nazywamy pompowaniem optycznym. Następuje inwersja obsadzeń.
Aby uzyskać silną emisję wymuszoną, konieczne jest utworzenie optycznej komory rezonansowej. Taką komorę tworzy sam kryształ rubinu w postaci pręta, którego powierzchnie czołowe są wypolerowane i pokryte powłokami odbijającymi. Wystarczy wtedy pojawienie się w pręcie jednego tylko fotonu o częstotliwości rezonansowej, poruszającego się równolegle do osi pręta, aby rozpoczął się proces narastania emisji wymuszonej. Foton ten wymusza bowiem emisję w atomach położonych wzdłuż jego drogi, a powstała przy tym wiązka fotonów odbijając się wiele razy od przeciwległych powierzchni lustrzanych oddziałuje z nowymi wzbudzonymi atomami i wyzwala coraz więcej fotonów. Prowadzi to do lawinowego wzrostu natężenia promieniowania laserowego.
Światło wysyłane przez laser rubinowy ma kolor czerwony, odpowiadający długości fali A = 694,3 nm. Laser rubinowy pracuje impulsowo.
Obecnie częściej buduje się lasery oparte na innych materiałach. Przykładem jest laser neodymowy gdzie szkło, kryształy fluorku wapnia lub inne materiały domieszkowane są neodymem. W pracy istotne są cztery poziomy energetyczne. Akcja laserowa zachodzi wtedy między poziomami E3 i E4 i uzyskanie odwrócenia obsadzeń jest znacznie łatwiejsze, a chłodzenie ośrodka czynnego ciekłym azotem pozwala na uzyskanie pracy ciągłej. Laser neodymowy na podłożu YAG (granat itrowo-glinowy) pozwala na uzyskanie w impulsie dużych mocy. W podobny sposób jak laser neodymowy działają lasery, w których w różnych osnowach krystalicznych centami są jony metali ziem rzadkich.

Laser gazowy

Odwrócenie obsadzeń poziomów jako przygotowanie do akcji laserowej w gazach może być uzyskane przez wyładowanie elektryczne. Ogromne znaczenie mają wówczas atomy w stanach metatrwałych, ich energia może być przekazana w zderzeniach atomom lub cząsteczkom właściwego ośrodka laserującego. Tak jest właśnie w laserze helowo-neonowym (He-Ne), w którym ciałem roboczym jest mieszanina helu i neonu o ciśnieniu cząstkowym helu około 130 Pa i neonu ok. 13 Pa. Wyładowanie elektryczne prowadzone w tej mieszaninie wzbudza atomy helu i neonu do różnych stanów. Najważniejsze jednak dla uzyskania akcji laserowych jest wzbudzenie atomów helu do dwóch stanów metatrwałych.

Budowę lasera He-Ne przedstawia schematycznie rysunek powyżej. Rura laserowa (szklana lub kwarcowa) zamknięta jest doskonale płasko-równoległymi okienkami nachylonymi do osi rury pod kątem Brewstera (w celu minimalizacji strat przy odbiciu); jej typowe wymiary: długość - kilkanaście cm do kilku m, średnica wewnętrzna - kilka do kilkunastu mm. Do rury wlutowane są elektrody, do których przykłada się napięcie powodujące wylądowanie. Rezonator tworzą zewnętrzne zwierciadła (płaskie lub sferyczne w ustawieniu współogniskowym), z których jedno ma pewną, niewielką przepuszczalność, co umożliwia wyprowadzenie wiązki laserowej na zewnątrz. 
W czasie trwania akcji laserowej wyładowanie stale podtrzymuje różnicę obsadzeń, otrzymuje się zatem o akcję laserową o działaniu ciągłym. Innymi laserami gazowymi są laser argonowy i laser, którego czynnikiem roboczym jest dwutlenek węgla.

Paser półprzewodnikowy

Laser półprzewodnikowy czyli dioda laserowa działa podobnie jak diody świecące LED (skrót od angielskiego light emitting diode). LED zamieniają energię elektryczną na światło widzialne lub promieniowanie podczerwone. Źródłem światła jest złącze półprzewodnikowe n-p. Światło powstaje w wyniku tego, że elektrony w paśmie przewodnictwa są pobudzane do rekombinacji z dziurami w paśmie walencyjnym. Gdy zachodzi to zjawisko, elektrony oddają energię odpowiadającą przerwie wzbronionej i następuje świecenie. Do tych celów przydatne są takie materiały jak arsenek galu lub azotek galu, a obecnie częściej cienkie warstwy półprzewodników. Diody LED wysyłają światło niespójne i nie do końca monochromatyczne. Aby powstał laser należy tak uformować układ aby powstał rezonator optyczny. Gdy do złącza będą wstrzykiwane duże ładunki to może w nim powstać proces laserowy i w wyniku wymuszonych przejść z pasma przewodnictwa do walencyjnego generuje się spójna wiązka światła. Zwierciadłami lasera mogą być krawędzie kryształu. Lasery półprzewodnikowe mogą być miniaturowe i nie przekraczają długości 1 mm. Nie jest to na ogól jednak wiązka skupiona i o stosunkowo małej mocy.
Omówimy obecnie budowę najprostszego lasera półprzewodnikowego dostępnego w sklepach elektrycznych.
Średnica soczewki (około 5 mm) określa maksymalną średnicę skolimowanej wiązki. Dioda ma ustalone położenie, położenie soczewki może być regulowane przez zmianę położenia wkręcanej przesłony kołowej (przesłona ta ogranicza również średnicę wiązki do około 2,5-3 mm). Zewnętrzna, wymienna nasadka służy do wyświetlania rozmaitych rysunków. Działa na zasadzie siatki dyfrakcyjnej (kwadratowa sieć jednakowych symboli graficznych). Podstawowym elementem konstrukcyjnym lasera jest metalowy korpus, w którym umocowana jest płytka drukowana z diodą laserową, a z przedniej strony wkręcona jest przesłona kołowa i nakręcona wymienna nasadka. We wnętrzu korpusu umieszczona jest soczewka (dociskana do przesłony kołowej za pomocą sprężyny). Korpus umocowany jest na wcisk w aluminiowej rurce stanowiącej obudowę zewnętrzną. Dioda jest zasilana napięciem 4,5 V z trzech baterii pastylkowych przez sprężynę kontaktową, niestabilny mikrowyłącznik i rezystor.

Istnieje wiele innych rodzajów laserów takich jak: jonowe, molekularne, barwnikowe, chemiczne, których tutaj nie omawiamy. 

Przy opracowaniu tematu najwięcej korzystano z następujących publikacji:
Peter Lafferty, Siły natury;
Encyklopedia fizyki współczesnej;
Czesław Bobrowski, Fizyka - krótki kurs;
Zygmunt Przeniczny, Na przykładzie kawałka rubinu, Fizyka w Szkole 1/2003;
Leszek Kotlarz, Doświadczenia z laserem, Fizyka w Szkole 1/2003.

Pierwszy laser krzemowy

Krzem jest półprzewodnikiem stosowanym we współczesnej elektronice, między innymi z niego robi się komputerowe mikroprocesory. Ale wszędzie tam, gdzie potrzebne jest laserowe światło, a więc w komunikacji światłowodowej, czy w odtwarzaczach CD, do tej pory stosowano inne półprzewodniki, np. arsenek galu czy fosforek indu. Są one dobrym źródłem światła ze względu na swoje własności fizyczne, lecz są dużo droższe i trudniejsze w obróbce niż krzem.
W "tradycyjnych" laserach gromadzi się energię, która służy do przyspieszenia skupionej wiązki. Krzem jednak rozprasza i absorbuje światło. Na przeszkodzie stał fakt, że niektóre elektrony z krzemu absorbują energię konieczną do nadania wiązce odpowiedniego przyspieszenia. Inżynierowie Intela zbudowali więc urządzenie, które usuwało "przeszkadzające" elektrony. Po raz pierwszy zaprezentowano taki laser wykorzystujący krzem w drugiej połowie 2004 roku. Eksperymentalne urządzenie wytwarzało jednak wiązkę pulsacyjną, a do założonych przez inżynierów Intela celów konieczny był laser z wiązką ciągłą. W końcu na początku 2005 roku badacze z laboratorium Intela skonstruowali laser z krzemu działający z falą ciągłą. Intel kontynuuje badania nad laserem, a jego specjaliści pracują też nad połączeniem go z opracowanym wcześniej krzemowym modulatorem optycznym, co umożliwi zastosowanie lasera w obecnie wykorzystywanej infrastrukturze telekomunikacyjnej.
To zapowiedź rewolucji w komputerach i telekomunikacji. Dzięki temu wkrótce mogą powstać dużo tańsze nadajniki oraz wzmacniacze światła używane w telekomunikacyjnych światłowodach. Innym zastosowaniem wynalazku byłyby lepsze komputery. Żeby zwiększyć szybkość ich działania, inżynierowie starają się dziś upchać w mikroprocesorze coraz więcej tranzystorów (miliony na jednym centymetrze kwadratowym). Ale już za kilka lat dotrą do granicy możliwości takiego upakowania. Winne są temu elektroniczne sygnały, które biegną po miedzianych połączeniach między milionami tranzystorów - nie będą w stanie nadążyć z obsługą elektronicznego ruchu. Wyjściem byłoby zastąpienie metalowych połączeń światłowodami, bo wtedy sygnały rozchodziłyby się w mikroprocesorze z prędkością światła, czyli największą możliwą w naturze. Do tego jednak potrzeba źródeł światła, które będzie można wykonać na tej samej krzemowej płytce i w tej samej technologii co cały mikroprocesor. I to właśnie jest teraz celem prac naukowców z Intela.
Opracowano na podstawie internetowych informacji zamieszczonych w: w serwisie naukowym Gazety Wyborczej i na stronie http://newsroom.chip.pl/news_125131.html

Niebieski laser półprzewodnikowy

Kryształek azotku galu (GaN), wyhodowany w Instytucie Wysokich Ciśnień PAN, służy do budowy niebieskich laserów

Po kilku latach zajadłej rywalizacji w 2002 roku polscy naukowcy prześcignęli międzynarodową konkurencję i jako pierwsi stworzyli w pełni sprawny, półprzewodnikowy niebieski laser. Jedynie warszawskiemu Centrum Wysokich Ciśnień "Unipress" Polskiej Akademii Nauk udało się wyhodować kryształy azotku galu (GaN), który jest niezbędny do konstrukcji takiego lasera. Gra toczy się o bardzo duże pieniądze. Lasery służą do odczytywania płyt kompaktowych. Laserowy promień ślizga się po wyrytych na płycie dołkach. Im mniejsza jest długość jego światła, tym mniejsze mogą być dołki. Można ich wtedy więcej upchać na powierzchni płyty. Dziś stosuje się lasery czerwone. Fale niebieskie są krótsze - gdyby udało się skonstruować niebieskie lasery, pojemność dysków wzrosłaby czterokrotnie.
Bywalcy dyskotek od dawna bawią się w niebieskich laserowych promieni. Są to jednak lasery gazowe, czyli rury wypełnione np. świecącym helem i neonem, zbyt duże, nieporęczne, zasilane dużym napięciem. Do miniaturowych wytworów najnowszej techniki zupełnie się nie nadają. We współczesnej elektronice liczą się tylko konstrukcje zbudowane z półprzewodników. Tego typu lasery mogą być wielkości główki od szpilki. Bez nich nie byłoby dziś miniaturowych odtwarzaczy płyt kompaktowych.
Pod koniec 2005 roku polscy naukowcy zbudowali niebieskie lasery półprzewodnikowe różnego rodzaju. Sprzedawane są, głównie za granicę, lasery o mocy do 1 W w impulsie i lasery o pracy ciągłej o mocy 100 i 200 mW. Na początku w postaci próbek inżynierskich. Rynek jest jeszcze dziewiczy, ale rozwija się i wkrótce będzie wart miliardy dolarów. Obecnie Polacy mają dwuprocentowy udział w rynku półprzewodnikowych niebieskich laserów. Aby to utrzymać lub powiększyć, trzeba jeszcze sporo zainwestować. Na razie sprawdzają się przewidywania co do rozwoju technologii i rynku. Odniesiono niewątpliwy sukces, który otwiera ogromne możliwości. Teraz wszystko zależy od wielkości inwestycji, a także sprzyjającej polityki państwa. Przemysł laserowy w Polsce ma szansę na rozwój i konkurencję na świecie.

Laser to generator promieniowania, wykorzystujący zjawisko emisji wymuszonej. Nazwa jest akronimem od Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation — wzmocnienie światła poprzez wymuszoną emisję promieniowania. Promieniowanie lasera ma charakterystyczne właściwości, trudne lub wręcz niemożliwe do osiągnięcia w innych typach źródeł promieniowania. Jest spójne w czasie i przestrzeni, zazwyczaj spolaryzowane i ma postać wiązki o bardzo małej rozbieżności. W laserze łatwo jest otrzymać promieniowanie o bardzo małej szerokości linii emisyjnej[1], co jest równoważne bardzo dużej mocy w wybranym, wąskim obszarze widma. W laserach impulsowych można uzyskać bardzo dużą moc w impulsie i bardzo krótki czas trwania impulsu (zob. laser femtosekundowy).

Słowo laser bez dodatkowych określeń odnosi się najczęściej do laserów emitujących światło widzialne. W przypadku innych długości fali stosowane są dodatkowe określenia precyzujące zakres pracy (zob. nazewnictwo laserów).

Zasada działania [edytuj]

Zasadniczymi częściami lasera są: ośrodek czynny, rezonator optyczny, układ pompujący. Układ pompujący dostarcza energię do ośrodka czynnego, w ośrodku czynnym w odpowiednich warunkach zachodzi akcja laserowa, czyli kwantowe wzmacnianie (powielanie) fotonów, a układ optyczny umożliwia wybranie odpowiednich fotonów.

Ośrodek czynny [edytuj]

Oddziaływanie promieniowania z materią można wyjaśnić za pomocą trzech zjawisk: pochłaniania fotonów (absorpcji), emisji spontanicznej oraz emisji wymuszonej fotonu. Foton wyemitowany w wyniku emisji wymuszonej ma taką samą częstotliwość i polaryzację jak foton wywołujący emisję. Przykładowy foton wzbudzający musi mieć energię równą energii wzbudzenia atomu ośrodka. Atomy w stanie podstawowym pochłaniają takie fotony. Gdy w ośrodku jest więcej atomów w stanie wzbudzonym niż w stanie podstawowym zachodziń"inwersja obsadzeń poziomów energetycznych. Stan wzbudzony jest stanem metastabilnym co zapewnia magazynowanie energii do czasu wyemitowania jako wiązki laserowej i jest warunkiem funkcjonowania urządzenia.

Atomy niektórych pierwiastków mają poziomy energetyczne, na których elektron pozostaje znacznie dłużej (kilkaset μs, kilka ms). Wskutek pobudzania zewnętrznym polem elektrycznym elektrony w atomach przechodzą do stanu metatrwałego, wytwarzając inwersję obsadzeń, która zapewnia lawinową emisję promieniowania koherentnego, czyli o tej samej długości fali.

Układ pompujący [edytuj]

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

Rezonator optyczny [edytuj]

Wzbudzony ośrodek czynny stanowi wprawdzie potencjalne źródło światła laserowego, jednak do powstania uporządkowanej akcji laserowej potrzebny jest jeszcze odpowiedni układ optyczny, zwany rezonatorem. Układ ten pełni rolę dodatniego sprzężenia zwrotnego dla światła o wybranym kierunku i określonej długości fali. Spośród wszystkich możliwych kierunków świecenia i wszystkich dostępnych dla ośrodka długości fal, jedynie światło o parametrach ustalonych przez rezonator będzie wzmacniane na tyle mocno, by doprowadzić do akcji laserowej.

Sprzężenie zwrotne polega na możliwości wielokrotnego przepływu fotonów przez ośrodek, połączonego z ich kaskadowym powielaniem wskutek emisji wymuszonej, dzięki czemu laser generuje spójne światło. Układ optyczny rezonatora składa się zazwyczaj z dwóch dokładnie wykonanych i odpowiednio ustawionych zwierciadeł. Dla określonego kierunku możliwe jest wielokrotne odbicie pomiędzy zwierciadłami, i tylko fotony o takim kierunku, mogą wielokrotnie przebiegać przez ośrodek czynny, powodując akcję laserową. Jeśli rezonator ma postać dwóch równoległych zwierciadeł płaskich, to emitowane światło może leżeć w dość szerokim przedziale częstotliwości, zależnym od charakterystyki ośrodka. Aby dodatkowo określić tę częstotliwość z dużą precyzją, stosuje się dodatkowe elementy układu optycznego, ograniczające możliwość wielokrotnego odbicia fal o długościach innych, niż zadana. Mogą to być na przykład siatki dyfrakcyjne pełniące rolę selektywnego zwierciadła tylko dla określonej długości fali, a także dodatkowe lustra tworzące filtry interferencyjne (interferometry). W zależności od szczegółów technicznych budowy rezonatora, możliwe jest uzyskanie światła laserowego o bardzo różnych własnościach, takich jak kątowa rozbieżność wiązki, określony stopień jej spójności przestrzennej i czasowej, określony profil spektralny linii, czy wreszcie określony rozkład gęstości mocy w poprzecznym przekroju wiązki (tzw. mody poprzeczne).

Aby emitowane światło laserowe mogło wydostać się poza rezonator (na zewnątrz lasera), przynajmniej jedno z luster powinno być częściowo przepuszczalne. W laserach impulsowych stosuje się często modulację czasową przepuszczalności luster, dzięki czemu cała energia wiązki zostaje uwolniona w chwili "otwarcia" lustra.

Warunek progowy akcji laserowej [edytuj]

Aby mogła zajść akcja laserowa, wzmocnienie promieniowania w obszarze czynnym musi co najmniej równoważyć straty promieniowania wewnątrz rezonatora (rozpraszanie, straty dyfrakcyjne) oraz emisję części promieniowania na zewnątrz rezonatora (np. przez częściowo przepuszczalne lustro wyjściowe).

Rozważmy laser, którego rezonator optyczny ma długość L i jest zakończony dwoma lustrami o współczynnikach odbicia R1 i R2. W trakcie jednego obiegu promieniowania w rezonatorze natężenie światła zmienia się w sposób opisany poniższym wzorem:

gdzie:

g – wzmocnienie optyczne jednostkowej długości ośrodka czynnego,

αL – straty wewnętrzne –– suma wszystkich strat promieniowania, na jednostce długości, wewnątrz rezonatora z wyjątkiem absorpcji (jest już uwzględniona w g).

Warunek progowy:

Zatem wzmocnienie progowe konieczne do zajścia akcji laserowej wynosi:

Schemat działania lasera z trójpoziomowym układem poziomów energetycznych [edytuj]

Foton przemieszcza elektron z poziomu Ek na poziom wzbudzony En – tzw. krótkożyciowy. Następnie elektron przechodzi w wyniku przejścia bezpromienistego na niższy poziom Emmetastabilny. Jeżeli energia fotonu wymuszającego wynosi ħω = Em - Ek to zostaje wymuszone wypromieniowanie drugiego fotonu koherentnego a elektron przenosi się na poziom podstawowy.

Rodzaje laserów [edytuj]

Podział laserów w zależności od sposobu pracy [edytuj]

• Lasery pracy ciągłej, emitujące promieniowanie o stałym natężeniu

• Lasery impulsowe, emitujące impulsy światła

• szczególnym rodzajem lasera impulsowego jest laser femtosekundowy

Podział laserów w zależności od ośrodka czynnego [edytuj]

Ośrodek czynny decyduje o najważniejszych parametrach lasera, określa długość emitowanej fali, jej moc, sposób pompowania, możliwe zastosowania lasera.

W nawiasach podano długości fal emitowanego światła.

• Lasery gazowe:

• He-Ne laser helowo-neonowy (543 nm lub 633 nm)

• Ar laser argonowy (458 nm, 488 nm lub 514,5 nm)

• laser azotowy (337,1 nm)

• laser kryptonowy (jonowy 647,1 nm, 676,4 nm)

• laser na dwutlenku węgla (10,6 μm)

• laser na tlenku węgla

• laser tlenowo-jodowy

• Lasery na ciele stałym

• laser rubinowy (694,3 nm)

• laser neodymowy na ło"szkle

• laser neodymowy na YAG-u (Nd:YAG)

• 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:Al2O3)

• laser na centrach barwnych

• Lasery na cieczy

• lasery barwnikowe - ośrodkiem czynnym są barwniki rozpuszczone w nieaktywnym ośrodku przezroczystym, np. rodamina

• Lasery łprzewodnik"półprzewodnikowe

• złączowe (łprzewodnikowy"diody laserowe)

• laser na materiale objętościowym

• laser na studniach kwantowych

• laser na kropkach kwantowych

• bezzłączowe

• kwantowy laser kaskadowy

• Lasery na wolnych elektronach

• laser promieniowania X

Podział laserów w zależności od zastosowań [edytuj]

• Specjalne lasery gazowe wytwarzające ultrafiolet o możliwie jak najmniejszej długości fali używane do produkcji półprzewodnikowych układów scalonych:

• F_2 (157 nm)

• ArF (193 nm)

• KrCl (222 nm)

• XeCl (308 nm)

• XeF (351 nm)

• Lasery używane w stomatologii i dermatologii, w tym do usuwania tatuaży, znamion oraz włosów:

• laser rubinowy (694 nm)

• Aleksandrytowy (755 nm)

• pulsacyjna matryca diodowa (810 nm)

• Nd:YAG (1064 nm)

• Ho:YAG (2090 nm)

• Er:YAG (2940 nm)

• Półprzewodnikowe diody laserowe:

• małej mocy - używane we wskaźnikach laserowych, drukarkach laserowych, CD/DVD

• dużej mocy - używane w przemyśle do cięcia i spawania, występują o mocach do 10 kW

Opis niektórych typów laserów [edytuj]

Laser kryptonowy i ksenonowy [edytuj]

Wypełnione kryptonem lub ksenonem z domieszką fluoru lub chloru, emitują promieniowanie ultrafioletowe, zastosowania badawcze i do pompowania optycznego laserów barwnikowych. Laser kryptonowy jonowy ma wiele linii w paśmie widzialnym - dwie najintensywniejsze linie to linie 647,1 i 676,4 nm czerwone.

Laser neodymowy Nd:YAG [edytuj]

Można wyróżnić mikrolasery objętościowe i cienkowarstwowe. Pompowanie odbywa się za pomocą półprzewodnikowych diod laserowych. Długość aktywnego ośrodka objętościowego jest rzędu 1mm. Możliwość budowy lasera o tak małych wymiarach powstała w wyniku opanowania technologii diod generujących wiązkę o mocy rzędu watów z możliwością dopasowania pasma emisji tych diod do pasma maksymalnej absorpcji neodymu (λ=0.81 μm). Długość fali emitowanej przez laser wiązki λ=1.06 μm. Przejścia kwantowe realizowane są na jonach neodymu. Dichroiczne zwierciadła tworzą układ rezonatora otwartego dla mikrolasera objętościowego i falowodowego. Wiązka pompująca (λ=0.81 μm) powinna być transmitowana przez pierwsze zwierciadło i całkowicie odbijana przez drugie. Natomiast wiązka generowana przez laser (λ=1.06 μm), jak w typowym rezonatorze, powinna być całkowicie odbijana przez drugie zwierciadło i częściowo transmitowane przez pierwsze.

Mikrolaser objętościowy w połączeniu z kryształem nieliniowym tworzy laser o zwartej budowie, emitujący linię zieloną (druga harmoniczna, λ = 0,533 μm) o mocy nawet kilkunastu miliwatów. Tą drogą można uzyskać również harmoniczne wyższe niż druga i uzyskać promieniowanie w nadfiolecie.

Laser półprzewodnikowy [edytuj]

 Osobny artykuł: Laser półprzewodnikowy.

Nazywany również laserem diodowym lub diodą laserową - laser, którego obszarem czynnym jest półprzewodnik. Najczęściej laser półprzewodnikowy ma postać złącza p-n w którym obszar czynny jest pompowany przez przepływający przez złącze prąd elektryczny. Są to najbardziej perspektywiczne lasery z punktu widzenia ich zastosowań w fotonice ze względu na małe wymiary, dość wysokie moce, łatwość modulacji prądem sterującym o wysokiej częstotliwości (rzędu gigaherców) i możliwość uzyskania promieniowania od pasma bliskiej podczerwieni (diody laserowe dla telekomunikacji światłowodowej) do skraju fioletowego pasma widzialnego.

Laser barwnikowy [edytuj]

Substancją czynną jest tak zwany barwnik, pompowany optycznie przez inny laser, z reguły o krótszej długości fali (najczęściej jest to silny laser argonowy, kryptonowy lub neodymowy).

Cząsteczki barwnika mogą oddawać pochłoniętą na skutek pompowania energię między innymi w drodze emisji wymuszonej, w dość szerokim zakresie długości fal. O powstaniu akcji laserowej decydują dodatkowe warunki zewnętrzne - na przykład odpowiedni układ luster i siatek dyfrakcyjnych, zwany rezonatorem. Dobierając parametry rezonatora, można uzyskać akcję laserową w określonym kierunku padania światła, o określonej długości fali. Przestrajanie może odbywać się poprzez przesuw luster, obrót siatki dyfrakcyjnej, a nawet zmianę ciśnienia. Aby nie doprowadzić do przegrzania barwnika (lub spadku jego aktywności wskutek przeniesienia większości oświetlonych cząsteczek na metastabilne poziomy energetyczne nieprzydatne w akcji laserowej), należy zadbać o jego właściwą cyrkulację - może to być na przykład ciągły przepływ barwnika przez aktywny obszar lub jego intensywne mieszanie. Dzięki szerokiemu zakresowi przestrajania, zarówno płynnego (poprzez regulację rezonatora) jak i skokowego (poprzez wymianę barwnika na inny) lasery barwnikowe znajdują zastosowania wszędzie tam, gdzie potrzebne jest uzyskanie ściśle określonej długości fali, trudnej do uzyskania przy użyciu konwencjonalnego lasera. Zakres dostępnych długości fal powiększa się dodatkowo za sprawą optyki nieliniowej, np. generacja harmonicznej pozwala na emisję fal o połowę krótszych od fal generowanych przez czynnik roboczy lasera.

Lasery barwnikowe stosuje się w spektroskopii, medycynie, fotochemii i wielu innych dziedzinach.

Krótka historia laserów [edytuj]

• Często podaje się datę 1954 skonstruowania masera, pierwszego wzmacniacza kwantowego.

• W 1957 Gordon Gould ogłosił pomysł (jak też i nazwę) lasera, równolegle z niezależnymi pracami nad maserami optycznymi (Arthur Leonard Schawlow, Charles Townes).

• Pierwszy laser (rubinowy) zbudował i uruchomił 16 maja 1960 roku Theodore Maiman, ośrodkiem czynnym był kryształ korundu domieszkowany chromem - rubin.

• Pierwszy laser gazowy helowo - neonowy zbudowano w 1961.

• W roku następnym Snitzer uruchomił laser na bazie szkła neodymowego, a w roku 1964 Gaisik i Karkos skonstruowali laser na bazie granatu itrowo-glinowego domieszkowanegoneodymem. Wtedy też irański fizyk, Ali Javan, zbudował pierwszy laser helowo-neonowy.

• Nagroda Nobla z fizyki - 1964 - łaj_Basow"N. G. Basow i A. M. Prochorow (ązek_Socjalistycznych_Republik_Radzieckich"ZSRR) oraz C. H. Townes (USA) za prace będące podstawą działania laserów i maserów

• W tym samym roku zbudowany został pierwszy laser półprzewodnikowy z pompowaniem diodowym.

• W latach 1967-69 Bagdasarow i Kamiński zbudowali laser na bazie kryształu perowskitu itrowo-glinowego domieszkowanego neodymem, a Homer, Linz i Gabbe wykorzystali fluorek litowo-itrowy (YLF).

• Kilka lat później (w 1979 roku) skonstruowano laser z przestrajaniem częstotliwości na krysztale aleksandrytu, a w roku 1982 Moulton zaprezentował laser, w którym ciałem roboczym był szafir domieszkowany jonami tytanu (w żargonie nazywany skrótowcem tikor od ti – tytan) i kor – korund.

• Pierwszy polski laser powstał w Wojskowej Akademii Technicznej w 1963 (laser gazowy He-Ne, generujący promieniowanie podczerwone).

Bezpieczeństwo pracy [edytuj]

Piktogram stosowany także przy laserachbezpiecznych

Ponieważ promieniowanie laserowe o tej samej mocy lecz o różnych długościach fal może wywołać różne skutki podczas oddziaływania z tkanką biologiczną, lasery podzielono na klasy. Zasady bezpiecznej pracy z urządzeniami laserowymi podano w Polskiej Normie PN-EN 60825-1:2005 (Bezpieczeństwo urządzeń laserowych -- Część 1: Klasyfikacja sprzętu, wymagania i przewodnik użytkownika). Nowy podział na siedem klas (1, 1M, 2, 2M, 3R, 3B, 4):

• 1 - Lasery które są bezpieczne w racjonalnych warunkach pracy

• 1M - Lasery emitujące promieniowanie w zakresie długości fal od 302,5 nm do 4000 nm, które są bezpieczne w racjonalnych warunkach pracy, ale mogą być niebezpieczne podczas patrzenia w wiązkę przez przyrządy optyczne.

• 2 - Lasery emitujące promieniowanie widzialne w przedziale długości fal od 400 do 700 nm. Ochrona oka jest zapewniona w sposób naturalny przez instynktowne reakcje obronne

• 2M - Lasery emitujące promieniowanie widzialne w przedziale długości fal od 400 do 700 nm. Ochrona oka jest zapewniona w sposób naturalny przez instynktowne reakcje obronne, ale mogą być niebezpieczne podczas patrzenia w wiązkę przez przyrządy optyczne

• 3R - Lasery emitujące promieniowanie w zakresie długości fal od 302,5 nm do 106 nm, dla których bezpośrednie patrzenie w wiązkę jest potencjalnie niebezpieczne.

• 3B - Lasery, które są niebezpieczne podczas bezpośredniej ekspozycji promieniowania. Patrzenie na odbicia rozproszone jest zwykle bezpieczne.

• 4 - Lasery, które wytwarzają niebezpieczne odbicia rozproszone. Mogą one powodować uszkodzenie skóry oraz stwarzają zagrożenie pożarem. Podczas obsługi laserów klasy 4 należy zachować szczególną ostrożność.

Jednym z najważniejszych elementów oznakowania urządzeń laserowych są etykiety informujące o klasie lasera. Tekst na tych etykietach powinien być napisany czarnymi literami na żółtym tle.

Zastosowanie lasera [edytuj]

Poligrafia [edytuj]

Lasery znalazły zastosowanie w nowoczesnej poligrafii:

• Computer-to-Film CtF czyli w naświetlarkach filmów poligraficznych

• Computer-to-Plate CtP w naświetlarkach offsetowych form drukowych

• Computer-to-Press CtPress czyli w naświetlarkach zintegrowanych z maszyną drukarską

• Computer-to-Print CtPrint czyli w jednym z typów druku cyfrowego, tj. w technologii analogicznej do używanych w cyfrowych kserokopiarkach

Znakowanie produktów [edytuj]

Lasery znalazły również zastosowanie przy znakowaniu produktów. Używa się ich przy liniach produkcyjnych posiadających bardzo wysokiej wydajności (np. 70 000 prod./h) oraz gdy chcemy uzyskać trwały i estetyczny nadruk. Podstawowym założeniem stosowania lasera do znakowania jest jego trwałość oraz nieusuwalność znaku. Aby 'zniszczyć' np. datę przydatności do produkcji na towarze spożywczym wykonaną laserem , należałoby zniszczyć także opakowanie lub usunąć etykietę.

Nadruki można wykonywać na:

• etykietach produktów poprzez usuwanie warstwy farby lub odbarwienie etykiety

• butelkach PET poprzez trwałe naniesienie znaków (proces jw. lub przy zastosowaniu specjalnej technologii spieniającej PET)

• elementach metalowych oraz innych - popularnie zwanych grawerowaniem

Laserowe cięcie metali [edytuj]

Cięcie laserowe stanowi nowoczesną metodę obróbki o podobnych parametrach wymiarowych jak klasyczna obróbka mechaniczna. Podstawowa różnica tkwi w stosowanym czynniku tnącym, który w przypadku cięcia laserowego stanowi promień lasera oraz gaz techniczny o dużej czystości. W zależności od stosowanego urządzenia (przede wszystkim jego mocy) cięcie przeprowadza się na trzy sposoby: metodą spalania, stapiania lub sublimacji.

Technologia wojskowa [edytuj]

"Airborne Laser" zainstalowany na pokładzie specjalnej wersji samolotu Boeing 747-400F.

Laser ma potrójne zastosowanie militarne:

• Dalmierze laserowe, stosowane do oceny odległości od celu, wchodzą w skład systemów kierowania ogniem lub systemów rozpoznawczych łg"czołgów i niektórych innych pojazdów bojowych, samolotów i śmigłowców, mogą być także przenośne.

• W systemach naprowadzających cel jest oświetlany wiązką laserową, promieniowanie odbite jest emitowane praktycznie we wszystkich kierunkach (z uwagi na rozpraszanie wiązki na powierzchni). Pocisk rakietowy, artyleryjski lub bomba kierowana, wyposażony w czujnik laserowy, określa źródło odbitej wiązki, i za pomocą układów elektronicznych naprowadza się na podświetlony cel.

• Podobne zastosowanie ma źnik_celu"laserowy wskaźnik celu, lecz w tym przypadku laser wskazuje cel, a operator broni (strzelec) samodzielnie naprowadza promień lasera na cel.

• Systemy laserowe są zdolne do uwalniania skoncentrowanej energii w postaci wiązki świetlnej w bardzo krótkim przedziale czasu. Powoduje to, iż cała energia jest wyzwalana w bardzo krótkim czasie, co przy prędkości światła powoduje, iż praktycznie jest niemożliwe uniknięcie trafienia z takiej broni. Laser jako broń energetyczna jest najmniej rozpowszechniony - dopiero wprowadzany jedynie w USA na platformach powietrznych (Airborne Laser), aczkolwiek jest jednym z ulubionych tematów twórczości science-fiction. Lasery mniejszej mocy stosowane są też do niszczenia układów optycznych pojazdów. Prowadzone są prace nad laserami mogącymi krótkotrwale oślepiać żołnierzy. Używanie broni trwale oślepiającej jest zabronione przez IV protokół dodatkowy do Konwencji ONZ z 1980 roku[2].

Medycyna [edytuj]

Powiększenie modułu laserowego (diody i fotodiody) z CD-ROMu

Funkcjonalny laser rubinowy w zakresie medycyny stosowany był już w drugiej połowie lat 60. Pierwszym dermatologiem, który badał działanie lasera w medycynie był Leo Goldman.

Lasera używa się w medycynie przede wszystkim dla "twardej" obróbki tkanek:

• cięcia,

• koagulacji,

• odparowania (fotoablacji oraz ablacji stymulowanej plazmą)

• obróbki mechanicznej (rozrywania, fragmentacji czy kawitacji)

Lasery stosowane w medycynie estetycznej:[3]

• Erbium-YAG-Laser jest stosowany do usuwania blizn, niewielkich brodawek oraz znamion

• Laser CO2 jest stosowany do niwelowania powierzchownych zmarszczek na skórze oraz blizn po trądziku

• Laser KTP jest stosowany do usuwania naczyń krwionośnych

• dzięki laserowi można również usunąć plamy starcze, przebarwienia oraz tatuaże

Telekomunikacja [edytuj]

• Nadajniki laserowe przy transmisji światłowodowej

• Odczyt i zapis informacji na łyta_kompaktowa"płytach kompaktowych

Efekty wizualne [edytuj]

Zegar ścienny wykonany techniką cięcia laserowego metalu

• Lasery są wykorzystywane do tworzenia efektów wizualnych np. w spektaklach teatralnych, reklamach, koncertach i dyskotekach.

• Tanie lasery diodowe są wykorzystywane jako wskaźniki podczas prezentacji dydaktycznych, konferencyjnych, reklamowych itp.

Geodezja, budownictwo [edytuj]

• Prostoliniowy bieg wiązki lasera wykorzystywany jest w pomiarach geodezyjnych (dalmierze), a także w budownictwie (poziomnice laserowe, generatory linii)

2

Światło emitowane przez laser różni się całkowicie od światła, które emitują inne źródła. Jest ono spójne - wszystkie fotony wchodzące w jego skład mają tą samą energię. Dlatego światło emitowane przez laser nie jest koloru białego, a na przykład ma kolor czerwony, zielony, bądź niebieski - wiązka składa się ze światła o ściśle określonej jednej długości fal. Istnieją również lasery emitujące promieniowanie niewidoczne dla ludzkiego oka. Takie promieniowanie można zaobserwować, gdyż pobudza do świecenie niektóre substancje. Spójną wiązkę światła laserowego możemy wykorzystywać do różnych celów. Znalazła ona szerokie zastosowanie wmedycynie

. Dzięki laserom można przeprowadzać różne zabiegi

, operacje, których nie byłoby możliwe bez ich wykorzystania. Służą one do również do odczytu danych z popularnych dziś płyt CD. Wykorzystuje się je także w innych sprzętach elektronicznych, a także do skomplikowanej obróbki różnych materiałów. Dzięki nim można dokładnie zmierzyć odległości do odległych przedmiotów. Załoga Apolla zostawiła na Księżycu specjalne zwierciadła, od których miała odbijać się wysyłana z Ziemi wiązka laserowa. Dzięki temu stało się możliwe bardzo dokładne zmierzenie odległości do naszego naturalnego satelity. Lasery stosowane są na szeroką skalę w wojsku - jako celowniki optyczne lub nawet broń. Spójna wiązka o wysokiej energii może niszczyć różne odległe obiekty - na przykład satelity, bądź rakiety. Lasery są stosowane przez naukowców do najróżniejszych doświadczeń

, które poszerzają naszą wiedzę o świecie. Znalazły one zastosowanie

 także w telekomunikacji.