j a k t o d z i a ł a
Jest spójne, czyli  zorganizowane - każdy foton po-
Lasery są obecnie wszędzie  nie tylko w fil-
rusza się synchronicznie z innymi. Oznacza to, że
mach SF, gdzie strzelają z nich krążowniki
wszystkie fotony mają początek fali zaczynający się
w tym samym miejscu (i gdy uderzają w przeszkodę,
kosmiczne, lecz także w większości domów
robią to także razem).
w odtwarzaczach CD i DVD, w medycynie,
Jest kierunkowe i ma bardzo zwarty promień, jest
bardzo mocne i skoncentrowane. Dla porównania la-
wojsku, fabrykach, miernictwie i na placach
tarka wypromieniowuje S
wiatło w wielu kierunkach
budowy  w poziomicach laserowych.
i jest ono bardzo słabe; zmieszane ze S
wiatła o róż-
nych długoS
ciach fali.
Pierwszy laser (rubinowy) zbudował w 1960 r.
Theodore Maiman, a sama nazwa jest skró-
tem od: Light Amplification by Stimulated
I NWERSJ A OBSADZEŃ
Emission of Radiation, czyli  wzmocnienie
I EMI SJ A WYMUSZONA
światła przez wymuszoną emisję promienio-
wania , która dokładnie określa, co laser robi.
Choć istnieje wiele typów laserów, działają na
tej samej zasadzie. W laserze S
rodowisko wzmacniają-
Lasery są obecnie tak powszechne i niezbęd-
ce jest  pompowane optycznie (błyskami) lub elek-
ne, gdyż ich światło ma bardzo szczególne
trycznie (wyładowaniami), aby atomy przeszły ze stanu
1
podstawowego w stan wzbudzenia . Dzięki temu
właściwości: jest kierunkowe, doskonale
w oS
rodku wzmacniającym (czyli substancji laserują-
spójne i monochromatyczne.
cej) tworzy się ogromna iloS
ć atomów w stanie wzbu-
dzenia (z elektronami o wyższym poziomie energii). To
zwiększa stopień inwersji (odwrócenia) obsadzeń, czyli
liczba atomów w stanie wzbudzonym zaczyna prze-
wyższać iloS
ć atomów w stanie podstawowym.
W atomie wzbudzonym elektrony przenoszą się
z orbit niższych na orbity o wyższym poziomie energe-
tycznym, dalej od jądra. Gdy elektron przemieS
ci się na
orbitę o wyższym poziomie energetycznym, będzie miał
tendencję do powrotu (będzie  chciał powrócić) do
2
stanu podstawowego . Gdy to zrobi, wypromieniuje
LASER 3
nadmiar energii w postaci cząsteczki S
wiatła, fotonu .
Foton ma okreS
loną długoS
ć fali (częstotliwoS
ć, kolor),
zależną od poziomu energetycznego, na jakim znajdo-
Ma r e k Ut k i n
4
wał się elektron, który go wyemitował .
JeS
li wzbudzony foton napotka inny atom,
w którym będzie elektron w takim samym stanie, może
5
R
WI ATŁO LASEROWE wystąpić emisja wymuszona . Pierwszy foton nie
zostanie pochłonięty, a może wymusić (indukować)
R
wiatło laserowe różni się bardzo od S
wiatła nor- przyspieszenie przejS
cia atomu ze stanu wzbudzonego
malnego: do podstawowego i foton wyemitowany z drugiego
Jest monochromatyczne, co oznacza, że składa się ze atomu zostanie wprawiony w drgania o takiej samej
S
wiatła o jednej, okreS
lonej długoS
ci fali (jednym kolo- częstotliwoS
ci i w takim samym kierunku jak foton ude-
rze). DługoS
ć fali S
wiatła jest okreS
lona przez kwant rzający. Z atomu wydobędą się w tym samym kierunku
energii wyzwalanej, gdy elektron przeskakuje na niż- dwa spójne, zgodne w fazie fotony o tej samej energii,
szą orbitę, tracąc częS
ć energii zamienionej na S
wiatło. a więc i częstotliwoS
ci. Te fotony natrafiają na kolejne
podobne sobie fotony,
co spowoduje lawino-
wy wzrost iloS
ci foto-
nów o takich samych
własnoS
ciach.
REZONATOR
Aby nastąpiła
akcja laserowa, oS
ro-
dek wzmacniający mu-
si zostać umieszczony
w rezonatorze. Wów-
24
2
4
LASER RUBI NOWY
MA
ODY TECHNIK
1/2005
A i mi ę j ego 44! Wł a ś ni e 44 l at a t emu powst ał y dwa odkryci a, kt óre zmi e-
ni ł y ś wi at  t echnol ogi a pl anarna produkcj i ukł adów scal onych i l aser
TYPY LASERÓW
LASER TRÓJ STOPNI OWY
OS
rodek wzmacnia-
jący lasera może być cia-
łem stałym, gazem, cieczą
lub półprzewodnikiem.
Lasery, według zastoso-
wanego materiału, dzielą
się na:
Lasery stałe - mają ma-
teriał wzmacniający z ciał
stałych, takich jak rubin
2
lub granat neodymowo-it-
1
rowo-glinowy (lasery
Yag). Lasery Nd-Yag emi-
tują S
wiatło podczerwo-
ne. Rubin jest to kryształ
tlenku glinu (Al2O3),
w którym niektóre atomy
glinu są zastąpione ato-
mami chromu (aktywnymi
w pracy lasera), absorbu-
jącymi żółto-zieloną częS
ć
widma i nadającymi rubi-
nowi charakterystyczną
czerwoną barwę. Mono-
kryształ sztucznego rubi-
4
3
nu jest jednoczeS
nie oS
-
rodkiem wzmacniającym
i rezonatorem i ma kształt
pręta. Umieszczony jest
w ksenonowej lampie
błyskowej dużej mocy.
6
W pręcie rubinu wystar-
czy pojawienie się jedne-
go tylko fotonu o częstot-
liwoS
ci rezonansowej, po-
ruszającego się równoleg-
le do osi pręta, aby rozpo-
czął się proces narastania
emisji wymuszonej. Laser
5 neodymowy pozwala na
uzyskanie w impulsie du-
żych mocy. W podobny
sposób jak laser neody-
mowy działają lasery,
w których w różnych os-
czas promieniowanie wprowadzone wzdłuż osi rezona- nowach krystalicznych występują jony metali ziem
tora odbija się wielokrotnie od zwierciadła umieszczo- rzadkich.
nego na jednym końcu rezonatora i od półprzezroczys- Lasery gazowe emitują w zakresie S
wiatła widzial-
6
tego zwierciadła na drugim końcu . Pomiędzy zwier- nego (najpowszechniejszymi laserami gazowymi są
ciadłami następuje powielanie fotonów wskutek emisji helowe i helowo-neonowe, He-Ne), istnieją też lasery
wymuszonej. Po osiągnięciu odpowiedniej energii pro- argonowe. Lasery CO2 emitują energię w dalekiej
mieniowanie wychodzi z rezonatora przez półprzezro- podczerwieni i są stosowane do cięcia twardych ma-
czyste zwierciadło w postaci spójnej, monochromatycz- teriałów. Laser gazowy pracuje dzięki wyładowaniu
nej, doskonale równoległej wiązki S
wiatła o dużej mo- elektrycznemu w gazach o niskim ciS
nieniu, podob-
cy. Jest ona doskonale równoległa, bowiem fale, które nie jak ma to miejsce w S
wietlówce. Atomy w sta-
nie są prostopadłe do zwierciadeł, uciekają bez wzmoc- nach metatrwałych przekazują energię atomom lub
nienia na boki oS
rodka drgającego. R
wiatło, które się cząsteczkom właS
ciwego oS
rodka laserującego.
w końcu wydostaje, jest S
wiatłem laserowym. Lasery ekscymerowe (nazwa jest skrótem od excited
(wzbudzony) i dimers, pseudomolekuły) zawierają
25
2
5
MA
ODY TECHNIK
1/2005
j a k t o d z i a ł a
LASER GAZOWY
gazy reaktywne, takie jak chlor i fluor, mieszane z ga- one przestrajane w szerokim zakresie długoS
ci fal.
zami szlachetnymi, jak argon, krypton lub ksenon. Lasery półprzewodnikowe, niekiedy zwane diodami
Gdy zostają wzbudzone elektrycznie, wytwarzana laserowymi, nie są laserami stałymi i działają podob-
jest pseudomolekuła (dimer). W trakcie akcji lasero- nie jak diody S
wiecące LED. Do ich budowy stosuje
wej, dimer wytwarza S
wiatło w zakresie ultrafioletu. się arsenek galu lub azotek galu. Zwierciadłami lase-
Lasery barwnikowe jako oS
rodek wzmacniający wy- ra półprzewodnikowego mogą być same krawędzie
korzystują złożone barwniki organiczne, jak rodami- kryształu. Te urządzenia elektroniczne są niewielkie
na 6G, w roztworach płynnych lub zawiesinach. Są i mają zazwyczaj niską moc. Są instalowane w np.
drukarkach laserowych i odtwarzaczach CD.
Porównanie podstawowych typów laserów
Długość Rodzaj pracy,
Typ lasera Energia [J] Moc [W] Zastosowanie
fali [nm] długość impulsu
Rubinowy (CrAlO3 694,3 impulsowa 1-102 103-109 technologiczne spawanie, topienie,
/ Al2O3)(czerwony) (5-100 ns) wiercenie, dentystyka, biologia
 1
Neodymowy (pod- 1060 ciągła lub impulso- 10 - 102 10-103 telekomunikacja, laserowe układy
czerwień) wa (15 ns) śledzące, kontrolowane reakcje ją-
drowe, cięcie twardych metali
 5  3
Laser półprzewod- 800-900 ciągła lub impulso- 10 - 10 10 3-10 telekomunikacja
nikowy GaAs wa (102 ns)
Laser barwnikowy
(Rodamina 6G) przestraja- zależna od lasera zależna zależna spektroskopia, rozdzielanie izotopów,
ny w za- pompującego od lasera od lasera biologia
kresie pompujące- pompujące-
200-800 go go
Laser gazowy
He-Ne (czerwony) 632,8 ciągła  10 3-10 1 metrologia, interferometria, hologra-
fia, geodezja
Laser argonowo-
jonowy (niebieski, 488-514,5 ciągła lub impulso-  1-103 chirurgia, spektroskopia
zielony) wa (103 ns)
Laser azotowy
337,1 impulsowa (10 ns) 0,01 106 spektroskopia, reakcje fotochemiczne
Laser CO2 (pod-
czerwień, mikrofa- 10600 ciągła lub impulso- 1-103 10-104 laserowe układy śledzące, chirurgia,
26
2
6
le) wa dentystyka, obróbka materiałów, cięcie
(102-5x104 ns) i spawanie metali, kontrolowane reak-
cje jądrowe, rozdzielanie izotopów
MA
ODY TECHNIK
1/2005
R
wiatło podczerwone emitują lasery:
KLASYFI KACJ A LASERÓW:
a) stałe
b) He-Ne
Lasery dzielą się na
c) Nd-Yag
cztery podstawowe grupy
(klasy), zależnie od możli-
woS
ci powodowania
uszkodzeń biologicz- Klasa Podział
nych:
1 Lasery, które są bezpieczne w typowych warunkach pracy
1M Lasery emitujące promieniowanie w zakresie długości fal
Skrócona historia laserów: od 302,5 nm do 4000 nm, które są bezpieczne w racjo-
nalnych warunkach pracy, ale mogą być niebezpieczne
1960  Wynalezienie lasera rubinowego, T. Mai- podczas patrzenia w wiązkę przez przyrządy optyczne
man. (np. skanery kodu kreskowego). Max. 4,0 mW.
1962  Wynalezienie lasera półprzewodnikowe-
go (dioda laserowa) działającego impul- 2 Lasery emitujące promieniowanie widzialne w przedziale
sowo (aby działać, laser musi być zanu- długości fal od 700nm. Ochrona oka jest zapewniona
rzony w ciekłym azocie). w sposób naturalny przez instynktowne reakcje obronne.
1960  Nagrodę Nobla za fundamentalne bada-
nia w dziedzinie elektroniki kwantowej, 2M Lasery emitujące promieniowanie widzialne w przedziale
które doprowadziły do wynalezienia ma- długości fal od 700nm. Ochrona oka jest zapewniona
sera, otrzymali N. G. Basow, A. M. Pro- w sposób naturalny przez instynktowne reakcje obronne,
chorow i Ch. H. Townes ale mogą być niebezpieczne podczas patrzenia w wiązkę
1972  STL uzyskują 1 Gbit/s poprzez modulację przez przyrządy optyczne.
diody laserowej.
1973  Bell Labs konstruują diodę laserową o ży- 3R Lasery emitujące promieniowanie w zakresie długości fal
wotnoS
ci 1000 godzin. od 302,5 nm do 106 nm, patrzenie bezpośrednie w wiąz-
1975  Pierwsza komercyjna dioda laserowa. kę jest potencjalnie niebezpieczne (większość wskaz
ni-
Pracuje w temperaturze pokojowej. ków do tablicy). Praca ciągła: 1  5 mW.
1976  Bell Labs wytwarzają diodę laserową
o żywotnoS
ci 100 000 godzin (ponad 3B Lasery, które są niebezpieczne podczas bezpośredniej
11 lat); dioda pracuje w temperaturze po- ekspozycji promieniowania. Patrzenie na odbicia rozpro-
kojowej. szone jest zwykle bezpieczne.
1977  General Telephone & Electronics przesyła
pierwsze rozmowy telefoniczne przez 4 Lasery, które wytwarzają niebezpieczne odbicia rozpro-
włókno S
wiatłowodowe. Uzyskuje szone. Mogą one powodować uszkodzenie skóry oraz
6 Mbit/s. stwarzają zagrożenie pożarem. Podczas obsługi laserów
27
2
7
klasy 4 należy zachować szczególną ostrożność. Praca
ciągła: 500 mW, pulsacyjna: 10 J/cm2 lub granica odbicia
rozproszonego.
MA
ODY TECHNIK
1/2005
MINI QUIZ MT
CZYTAM, WIĘC WIEM