Lasery i ich zastosowanie

Laser (Light Amplification by Stimulated Emission Of Radiation) - jest to urządzenie elektroniki kwantowej, generujące lub wzmacniające spójne promieniowanie elektromagnetyczne w zakresie widmowym zawartym między daleką podczerwienią (fale submilimetrowe) a nadfioletem. W działaniu lasera wykorzystano zjawisko wzmocnienia promieniowania przez emisje wymuszona w ośrodku, w którym nastąpiło odwrócenie (inwersja) obsadzeń.

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.

Zastosowanie lasera wywarło poważny wpływ na wiele dziedzin nauki i techniki np.:
-technologię materiałów (precyzyjne cięcie, spawanie i wiercenie trudno topliwych materiałów, wyważanie dynamiczne zautomatyzowane cięcie papieru, tkanin, tworzyw sztucznych itp.);
-precyzyjne pomiary długości, odległości, pułapu chmur, stopnia zanieczyszczeń atmosfery, szybkości przepływu itp.;
-sterowanie pracą maszyn roboczych, wytyczanie torów wodnych w portach, chodników w kopalniach, precyzyjne pozycjonowanie złożonych konstrukcji;
-medycynę i biologię (mikrochirurgiczne zabiegi okulistyczne, bezkrwawe zabiegi chirurgiczne, zapobieganie próchnicy, usuwanie naczyniaków, zabiegi kosmetyczne);
-zapisywanie i odtwarzanie dźwięków i obrazów;
-technikę wojskową (pomiar odległości, sterowanie bombami i pociskami, oświetlanie, specjalne metody rozpoznania i fotografowania);
-holografię;
-technologię chemiczną (selektywna kataliza reakcji chemicznych);
-telekomunikację optyczną (wielokanałowa łączność światłowodowa między dużymi centrami obliczeniowymi).

Laser jest urządzeniem, które wykorzystuje emisję wymuszoną (w zakresie światła widzialnego) i spontaniczną.

Emisja wymuszona:
Przejście atomu, jonu lub cząsteczki z wyższego poziomu do niższego może się odbyć w sposób wymuszony, pod wpływem oddziaływania elektromagnetycznego o częstotliwości określonej zależnością Bohra. Występuje wtedy emisja wymuszona.
Kwant promieniowania zewnętrznego o energii równej różnicy poziomów energetycznych pada na atom znajdujący się w stanie wzbudzonym. Pod wpływem bodźca zewnętrznego atom powraca do stanu podstawowego, emitując przy tym nowy kwant promieniowania identyczny z poprzednim.
To ostatnie stwierdzenie ma podstawowe znaczenie dla dalszych rozważań, gdyż oznacza ono, że częstotliwość promieniowania pochodzącego od emisji wymuszonej jest identyczna z częstotliwością promieniowania wymuszającego, a ich fazy są ściśle ze sobą powiązane. Poza tym emisja wymuszona odbywa się w tym samym kierunku, w którym porusza się kwant oddziałujący z atomem wzbudzonym. Ta właśnie zgodność częstotliwości, fazy i kierunku rozchodzenia się promieniowania wymuszonego z wymuszającym determinuje zasadniczą właściwość światła laserowego, a mianowicie jego spójność.
Do wystąpienia akcji laserowej konieczne jest odpowiednie ukształtowanie struktury energetycznej układu, w którym tę akcję chcemy otrzymać. Chodzi przede wszystkim o doprowadzenie układu kwantowego do takiej struktury energetycznej, aby przeważały w nim elementy wzbudzone, gdyż dopiero ich liczbowa przewaga decyduje o powstaniu akcji laserowej.

Emisja spontaniczna:
Nieodzownym warunkiem emisji światła jest wzbudzenie atomów lub cząsteczek. Odbywa się to nie tylko przez absorpcję kwantów promieniowania, lecz również za pomocą innych sposobów dostarczania energii do układu: najczęściej i najprościej przez doprowadzenie go do odpowiednio wysokiej temperatury (np. w żarówce).
Wzbudzone atomy lub cząsteczki, pod wpływem naturalnej tendencji do znajdowania się na niższych poziomach energetycznych, wracają samorzutnie, w sposób zupełnie przypadkowy i bezładny, do stanu pierwotnego, emitując przy tym fotony. Proces ten nazywa się emisją spontaniczną. Promieniowanie to jest niespójne, gdyż poszczególne atomy źródła emitują kwanty niezależnie od siebie, w sposób nieuporządkowany, bez wzajemnego powiązania.
Promieniowanie wszystkich zwykłych źródeł światła jest rezultatem emisji spontanicznej.
Wysyłany przy tym zespół fal, tj. widmo promieniowania, zależy jedynie od schematu poziomów energetycznych źródła emitującego i rodzajów dozwolonych przejść miedzy nimi.

Własności lasera określa rodzaj substancji czynnej. Istnieją następujące typy laserów:
Lasery rubinowe
Laser helowo-neonowe
Laser kryptonowy i ksenonowy
Laser argonowy
Laser neodymowy
Laser molekularny
Laser barwnikowy.
Laser półprzewodnikowy
Laser barwnikowy

Marek Palka kl II B nr 23

---