22. Zasada działania i charakterystyki laserów różnych typów.

Laser to zbitka pierwszych liter od Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, co
określa urządzenie generujące lub wzmacniające spójne promieniowanie elektromagnetyczne w
zakresie widma optycznego. Zasada działania lasera polega na wymuszeniu emisji
promieniowania przez układy atomów, jonów lub cząsteczek. Lasery mogą być zbudowane na
bazie ciał stałych, gazów, cieczy lub półprzewodników. Najbardziej znany, najpopularniejszy i
najstarszy laser zbudowany jest na bazie kryształu rubinu i emituje światło czerwone. Powstał on
w 1960 roku, a jego twórcą był Theodore Maiman.
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 (warunek częstotliwości Bohra). 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. 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 tego dokonać trzeba znaleźć taki materiał, w którym
elektrony będą przebywać dostatecznie długo na pewnym poziomie wzbudzonym. 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
wykorzystuje się 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.

Laser rubinowy

Rubin jest to kryształ tlenku glinu (AL

2

O

3

), 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.

Ksenonowa lampa błyskowa powoduje wzbudzenie elektronów z poziomu E

1

w stan E

2

, który

tworzy pasmo energetyczne o sporej szerokości dlatego łatwo fotony z dość 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

3

. Średni czas życia na poziomie E

3

jest dość długi wynosi około 3ms i

dlatego nazywamy go metastabilnym. Oświetlenie więc rubinu światłem białym powoduje
masowe przechodzenie elektronów do stanu E

3

. 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

Schemat lasera rubinowego.

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 E

3

i E

4

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 He-Ne

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. Jeśli chodzi o budowę lasera He-Ne
skład się on z rury 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 wyładowanie. 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 akcję
laserową o działaniu ciągłym. Innymi laserami gazowymi są laser argonowy i laser, którego
czynnikiem roboczym jest dwutlenek węgla.

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 coraz 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. Wytwarzają one na ogół wiązkę dość słabo skupioną i o stosunkowo małej mocy.