Fizyka, Technika
Laser

Informacje ogólne

Laser, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, wzmacniacz kwantowy dla światła, generator impulsowy lub ciągły spójnego i monochromatycznego promieniowania świetlnego (w zakresie od podczerwieni do ultrafioletu, próby w zakresie rentgenowskim).

Laser składa się z substancji czynnej, w której uzyskuje się akcję laserową dzięki umieszczeniu jej w rezonatorze optycznym, warunkiem wstępnym zaistnienia akcji laserowej jest inwersja obsadzeń poziomów energetycznych. Typowo uzyskuje się ją w układzie trzech (lub czterech) poziomów energetycznych: podstawowego, wzbudzonego i leżącego między nimi poziomu metatrwałego, to jest charakteryzującego się względnie długim czasem życia, atomy przeprowadza się (tzw. pompowanie lasera) do poziomu wzbudzonego na kilka sposobów: oświetlając substancję czynną silnym światłem o dostatecznej energii fotonów za pomocą np. innego lasera lub błysku flesza (tzw. pompowanie optyczne), za pomocą wyładowania elektrycznego (lasery gazowe), wykorzystując energię reakcji chemicznych, za pomocą wiązki elektronowej, zderzeń atomów itd.

Atomy spontanicznie deekscytują i przechodzą do poziomu metatrwałego. Pojedynczy foton wyemitowany z tego poziomu rozpoczyna emisję wymuszoną, dającą światło monochromatyczne (światło), zgodne w fazie (spójne) i spolaryzowane, rozchodzące się w wiązce równoległej. Udział niekorzystnego, zakłócającego światła pochodzącego z emisji spontanicznej minimalizuje się umieszczając substancję czynną w rezonatorze optycznym zbudowanym zazwyczaj z dwóch płaskich, równoległych zwierciadeł (jedno półprzepuszczalne - zmodernizowany układ interferometru Fabry-Perot).

Własności lasera określa rodzaj substancji czynnej. Istnieją następujące typy laserów:

Lasery rubinowe

Substancją czynną jest kryształ korundu z domieszką jonów chromu, pompowany optycznie fleszem, pracują impulsowo, emitują światło czerwone o długości fali λ = 694,3 nm, znaczenie głównie historyczne.

Laser helowo-neonowe

Wypełnione mieszaniną helu i neonu pod niskim ciśnieniem, pompowane elektrycznie i poprzez zderzenia atomów, emitują światło czerwone λ = 632,8 nm, ostatnio konstruuje się lasery helowo-neonowe emitujące również światło zielone, wykorzystywane w badaniach naukowych oraz ze względu na prostą budowę w dydaktyce i niektórych zastosowaniach praktycznych.

Laser kryptonowy i ksenonowy

Wypełnione kryptonem lub ksenonem z domieszką fluoru lub chloru, emitują promieniowanie ultrafioletowe, zastosowania badawcze i do pompowania optycznego laserów barwnikowych.

Laser argonowy

Wypełnione argonem, emitują światło o kilku długościach fali: od 457,9 nm do 514,5 nm, zastosowania badawcze i do pompowania laserów barwinowych.

Laser neodymowy

Szkło z domieszką neodymu, emitują impulsowo promieniowanie podczerwone o λ=1,06µm, lub po zastosowaniu elementów optyki nieliniowej światło o fali krótszej o czynnik 2 lub 4, wielka moc impulsów aż do J/impuls, zastosowania głównie badawcze.

Laser molekularny CO2

Wypełnione dwutlenkiem węgla z dodatkiem azotu i helu, emitują impulsowo lub ciągle światło podczerwone, przestrajalna długość emitowanej fali w obszarze ok. λ = 10 µm, charakteryzują się w dużą mocą, zastosowania przemysłowe i badawcze.

Laser barwnikowy

Substancją czynną jest przepływająca, laminarna struga roztworu zawierającego barwnik organiczny, np. rodaminę, pompowane optycznie laserem argonowym, kryptonowym lub neodymowym, charakteryzują się przestrajaną w szerokim zakresie długością emitowanej fali świetlnej, zastosowania badawcze.

Laser półprzewodnikowy

Rodzaj diody luminescencyjnej, bardzo szerokie zastosowania - od badawczych do najszerszych użytkowych: telekomunikacja, odtwarzacze kompaktowe, celowniki, czytniki kodu paskowego itp.

Światło emitowane przez lasery posiada wiele interesujących cech: jest spójne (daje możliwość interferencji), spolaryzowane, skolimowane, może charakteryzować się nie spotykaną gdzie indziej gęstością energii emitowanej w kąt bryłowy (i na jednostkę długości fali), z możliwością łatwego skupiania tej energii na powierzchni ciała po zastosowaniu układu optycznego (dla ciał przezroczystych nawet pod powierzchnią ciała), ponadto w laserach impulsowych moment emisji jest ściśle określony.

Własności te dają szerokie możliwości zastosowań, np.: w badaniach podstawowych (spektroskopia atomowa i cząsteczkowa), w holografii, do cięcia i obróbki trudnotopliwych i twardych materiałów, do wyważania dynamicznego (w przemyśle lotniczym), w medycynie - jako perfekcyjnie sterylne skalpele umożliwiające przeprowadzanie operacji wnętrza oka, operacji podskórnych, usuwania znamion (w tym zabiegi wykorzystujące selektywną absorpcję promieniowania przez barwniki skóry) itd., w dalmierzach (lasery impulsowe), w celownikach laserowych, w nośnikach informacji (cyfrowy zapis optyczny, telekomunikacja światłowodowa, czytniki kodu itp.).

Kluczowe dla działania laserów zjawisko emisji wymuszonej przewidział A. Einstein (Einsteina współczynniki), w 1954 zbudowano pierwszy wzmacniacz kwantowy dla mikrofal (maser), pierwszy laser (rubinowy) skonstruował w 1960 fizyk amerykański T.H. Maiman, pierwszy laser helowo-neonowy zbudowano również w 1960 (A. Javan, W.R. Bennet i D.R. Herriott), natomiast pierwszy laser półprzewodnikowy powstał w 1964 w zespole kierowanym przez N. Basowa.

---