Nadprzewodzące przewody
W Danii energia elektryczno zaczęła od maja 2001 roku docierać do 15 000 domów za
pośrednictwem kabli nadprzewodzących, zainstalowanych w podstacji Kopenhagi. Od listopada
około 30000 domów w Detroit poszło śladem Duńczyków. Są to niezwykle osiągnięcia techniczne,
ponieważ zjawisko nadprzewodnictwa występuje jedynie w bardzo niskich temperaturach, bliskich
absolutnemu zeru. W projektach z Kopenhagi i Detroit rozwiązano problem wykorzystujcie kable
energetyczne, w których specjalna nadprzewodząca ceramika jest chłodzono ciekłym azotem o
temperaturze minus 196 stopni Celsjusza (patrz rysunek).
W tak niskiej temperaturze prąd płynie przez materiał nadprzewodzący praktycznie nie
napotykając na żaden opór - przynajmniej w teorii - a zatem bez strat mocy. W zwykłych kablach
z żyłą miedzianą, lub aluminiową występują
straty wynikające z określonej wartości
oporności właściwej tych materiałów.
Straty te wynoszą nawet parę procent
przesyłanej energii. Zmniejszenie tych strat
jest możliwe poprzez zmniejszanie
oporności kabli przesyłowych, co w
przypadku miedzi lub aluminium wymaga
zwiększania przekroju żył, a zatem ich
masy. Dlatego też chociaż koszt produkcji
kabli nadprzewodzących jest wyższy,
aniżeli kabli tradycyjnych, to potrzeba ich
znacznie mniej. Zakładajcie dalszy rozwój
tej nowoczesnej technologii i potanienie
kabli nadprzewodzących - w miarę
zwiększania ich produkcji masowej - można
liczyć na to, że staną się one niebawem
Okablowanie przyszłości 1 Taśma oplatająca chroni
silną konkurencjo dla miedzi.
kabel przy pracach instalacyjnych; 2 Izolacja
Zastosowanie nadprzewodnictwa
elektryczna; 3 Izolacja cieplna; 4 Taśma
ograniczało się do tej pory głównie do sfery
nadprzewodząca; 5 Elastyczny kanał dla ciekłego
kosztownych urządzeń badawczych, w
azotu
rodzaju akceleratorów cząstek
elementarnych do badań jądrowych, o zwłaszcza tomografów medycznych wykorzystujących
zjawisko magnetycznego rezonansu jądrowego. W miarę tego, jak kable nadprzewodzące będą się
stawały bardziej dostępne, będą się poszerzały obszary ich zastosowań. W pracowniach
naukowców już projektuje się i konstruuje urządzenia wykorzystujące nadprzewodnictwo, w
rodzaju wysokosprawnych silników elektrycznych i generatorów, a także superszybkich pociągów,
lewitujących nad torami no poduszkach magnetycznych, wytwarzanych przez nadprzewodzące
elektromagnesy.
Jednak prawdziwy przełom nastąpi gdy naukowcy naukowcy odkryją materiały mające własności
nadprzewodzące w temperaturach pokojowych.
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.
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 znalez
ć taki
materiał aby na pewnym poziomie wzbudzonym
(na rysunku po prawej poziom E ) czas
3
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
Zasada działania lasera rubinowego
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 półprzez
roczystego zwierciadła na
drugim końcu. Pomiędzy zwierciadłami fale są wzmacniane wskutek emisji
wymuszonej. Promieniowanie wychodzi z rezonatora przez półprzez
roczyste
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
Emisja wymuszona
oraz do odczytywania informacji cyfrowej.
Laser rubinowy
Rubin jest to kryształ tlenku glinu (AL O ), w którym
2 3
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 E w stan E , który tworzy pasmo energetyczne o sporej szerokości dlatego łatwo fotony
1 2
z kość szerokiego przedziału mogą wzbudzać elektrony. Średni czas przebywania na poziomie E
2
jest krótki i wynosi jedynie 0,05ms. Elektrony wracają więc do stanów niższych. Wiele z nich
przechodzi bezpromieniście (energia zostaje przekazana sieci krystalicznej i dlatego taki laser
musi być chłodzony) na poziom E . Średni czas życia na poziomie E jest dość długi wynosi około
3 3
3ms i dlatego nazywamy go metastabilnym. Oświetlenie więc rubinu światłem białym powoduje
masowe przechodzenie elektronów do stanu E . Proces taki nazywamy pompowaniem optycznym.
3
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-
Schemat lasera rubinowego
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. y
ródłem 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.
Niebieski laser
półprzewodnikowy
Po kilku latach zajadłej
rywalizacji 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 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 m.in. miniaturowych
odtwarzaczy - dyskmenów, których rozmiar ogranicza tylko średnica pięciocalowej płyty.
Wszyscy czekają, czy rzeczywiście GaN zaświeci laserowym niebieskim światłem. A także, czy ta
technologia okaże się na tyle tania, żeby trafić do masowej produkcji.