JAK DZIAŁA LASER?

CO TO JEST LASER?

Urządzenie emitujące promieniowanie elektromagnetyczne z zakresu światła widzialnego, ultrafioletu lub podczerwieni, wykorzystujące zjawisko emisji wymuszonej. Promieniowanie lasera jest spójne, zazwyczaj spolaryzowane i ma postać wiązki o bardzo małej rozbieżności. W laserze łatwo jest otrzymać promieniowanie o bardzo małej szerokości linii emisyjnej, co jest równoważne bardzo dużej mocy
w wybranym, wąskim obszarze widma. W laserach impulsowych można uzyskać bardzo dużą moc
w impulsie i bardzo krótki czas trwania impulsu.

ZASADA DZIAŁANIA LASERA

Zasadniczymi częściami lasera są:

• ośrodek czynny – potencjalne źródło światła optycznego

• rezonator optyczny -  dodatniego sprzężenia zwrotnego dla światła o wybranym kierunku
  i określonej długości fali.

• układ pompujący -  przeniesienie jak największej liczby elektronów w substancji czynnej
  do stanu wzbudzonego

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. 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" zbudowano 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 znaleźć taki materiał aby na pewnym poziomie czas 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 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 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.

WARUNEK PROGOWY AKCJI LASEROWEJ

Aby mogła zajść akcja laserowa, wzmocnienie promieniowania w obszarze czynnym musi
co najmniej równoważyć straty promieniowania wewnątrz rezonatora (rozpraszanie, straty dyfrakcyjne) oraz emisję części promieniowania na zewnątrz rezonatora (np. przez częściowo przepuszczalne lustro wyjściowe).

Rozważmy laser, którego rezonator optyczny ma długość L i jest zakończony dwoma lustrami
o współczynnikach odbicia  i . W trakcie jednego obiegu promieniowania w rezonatorze natężenie światła zmienia się w sposób opisany poniższym wzorem:

gdzie:

g – wzmocnienie optyczne jednostkowej długości ośrodka czynnego,

 – straty wewnętrzne –– suma wszystkich strat promieniowania, na jednostce długości, wewnątrz rezonatora z wyjątkiem absorpcji (jest już uwzględniona w g).

Warunek progowy:

Zatem wzmocnienie progowe konieczne do zajścia akcji laserowej wynosi:

RODZAJE LASERÓW:

W zależności od ośrodka czynnego:

• Lasery gazowe ( helowo-neonowy, argonowy, azotowy, na dwutlenku węgla

• Lasery na ciele stałym ( rubinowy, neodymowy na szkle)

• Lasery na cieczy ( lasery barwnikowe - ośrodkiem czynnym są barwniki rozpuszczone w nieaktywnym ośrodku przezroczystym, np. rodamina, lasery chylatowe, lasery neodymowe

• Lasery półprzewodnikowe

• Lasery na wolnych elektronach

Rysunek 1 - Schemat lasera rubinowego

Rysunek 2 - Laser półprzewodnikowy

ZASTOSOWANIE:

• Poligrafia

• Znakowanie produktów

• Przesyłanie energii

• Cięcie i spawanie metali

• Technologia wojskowa

• Medycyna

• Geodezja i budownictwo

• Telekomunikacja

• Efekty wizualne

BIBLIOGRAFIA:

http://fizyka.net.pl/aktualnosci/aktualnosci_t.html

http://pl.wikipedia.org/wiki/Laser