Lasery

Laser jak podaje Wikipedia to urządzenie emitujące promieniowanie elektromagnetyczne z zakresu światła widzialnego, ultrafioletu lub podczerwieni, wykorzystujące zjawisko emisji wymuszonej. Jego nazwa została zaczerpnięta od skrótu angielskiej nazwy – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, czyli wzmocnienie światła poprzez wymuszoną emisję promieniowania.

Historia powstania laserów zaczyna się od obserwacji przyrody, która nas otacza. Doprowadziło do stworzenia jednego z najważniejszych pojęć optyki geometrycznej, czyli promienia światła. Promień światła jest to możliwy kierunek rozchodzenia się energii. Pojęcia to utożsamiane, jako linia geometryczna, spowodowało, że optyka stała się częścią geometrii. W geometrii Euklidesa zamieszczone są podstawowe prawa optyki: prawo załamania i zasadę prostoliniowego rozchodzenia się światła. Do rozwoju laserów przyczynił się także Isaac Newton. Badał on załamanie, czyli refrakcję światła, udowadniając, że pryzmat może rozszczepić białe światło w widmo barw, a potem soczewka i drugi pryzmat powodują uzyskanie białego światła ponownie z kolorowego widma.

Na tej podstawie stwierdził, że każdy refraktor, inaczej teleskop soczewkowy, będzie posiadał wadę, która polegała na rozszczepieniu światła. W celu uniknięcia tego problemu zaprojektował własny teleskop, zamienił w nim soczewkę na zwierciadło. Obecnie znamy go jako teleskop Newtona (teleskop zwierciadlany). Kolejnym wytłumaczeniem dotyczącym prawa załamania i odbicia daje tzw. zasada Huygensa mówiąca o rozchodzeniu się fal w pobliżu przeszkód. Jego doświadczenia potwierdzały teorię o falowej naturze światła. Thomas Young swoje badania rozpoczął od zapoznania się z doświadczeniami Malusa nad polaryzacją światła. Stwierdził, że fale świetlne są falami poprzecznymi. Wytłumaczył powstawanie pierścieni zw. Newtona oraz znalazł przybliżone wartości długości fal świetlnych. W maju 1801 r. odkrył interferencję światła, czym zapoczątkował falową teorię światła. Fale elektromagnetyczne odkrył niemiecki fizyk Heinrich Rudolf Hertz. Hertz udowodnił, że długie fale elektromagnetyczne są takie same, jak fale świetlne, posiadają też taką samą prędkość rozchodzenia się.

W 1917 roku Albert Einstein, udowodnił, że światło, to strumień cząsteczek, tym samym dał teoretyczne podstawy mechanizmów wzmocnienia światła. W 1923 roku Compton odkrył, że kwant rentgenowski trafiając w elektron przekazuje mu część energii, a resztę zachowuje. Jean Brossel i Alfred Kastler prowadzili badania nad fizyką kwantową, interakcją pomiędzy światłem a atomami i spektroskopią . W eksperymentach Brossel używał techniki nazwanej "optycznym pompowaniem", łączyła ona elementy rezonansu optycznego i magnetycznego, dzięki temu można było w pełni zrozumieć teorię działania laserów i maserów.

Urzeczywistnieniem teorii promieniowania laserowego był zbudowany w 1960 roku przez

Teodora Maimana laser rubinowy. W 1962 roku Nathan i jego współpracownicy IBM, stworzyli laser półprzewodnikowy na arsenku galu. Pierwsze lasery półprzewodnikowe pracowały wyłącznie w niskich temperaturach.W1963 Herbert Kroemer i Żores Ałfiorow niezależnie zaproponowali zastosowanie struktury heterozłączowej w celu polepszenia sprawności emisji wymuszonej.

Budowa lasera:

-ośrodek czynny (aktywny),

-rezonator optyczny,

-układ pompujący

Ośrodek czynny (aktywny) tworzy: zespół atomów, jonów czy cząsteczek. Oddziaływanie promieniowania z materią można wyjaśnić za pomocą trzech zjawisk: pochłaniania fotonów (absorpcji), emisji spontanicznej oraz emisji wymuszonej fotonu.

Emisja spontaniczna zachodzi wtedy gdy cząstka przechodzi ze stanu wzbudzonego do stanu podstawowego. Towarzyszy temu przejściu emisja fotonu, o energii równej różnicy między poziomami energetycznymi.

Absorpcja promieniowania jest zjawiskiem odwrotnym do emisji. Elektrony na orbitach mają ściśle określoną energię. Jeżeli na układ padnie promieniowanie o energii fotonów o równej różnicy energetycznej między stanem podstawowym, na którym znajduje się elektron , a stanem wzbudzonym to na skutek zaabsorbowania takiego fotonu elektron przechodzi do stanu wzbudzonego.

Emisja wymuszona następuje podobnie jak emisja spontaniczna ze stanu wzbudzonego do stanu podstawowego. Dochodzi tu do emisji kwantu promieniowania elektromagnetycznego. Różnica występuje w emisji, która zostaje wymuszona przez foton padającego promieniowania. W wyniku tego foton emitowany jest zgodny w fazie z fotonem wymuszającym.

Rezonator optyczny:

Wzbudzony ośrodek czynny stanowi potencjalne źródło światła laserowego, jednak do powstania uporządkowanej akcji laserowej potrzebny jest także odpowiedni układ optyczny, zwany rezonatorem. Układ ten pełni rolę dodatniego sprzężenia zwrotnego dla światła o wybranym kierunku i określonej długości fali. Spośród wszystkich możliwych kierunków świecenia oraz wszystkich dostępnych dla ośrodka długości fal, jedynie światło o parametrach ustalonych przez rezonator będzie wzmacniane na tyle mocno, by doprowadzić do akcji laserowej.

Sprzężenie zwrotne polega na możliwości wielokrotnego przepływu fotonów przez ośrodek, połączonego z ich kaskadowym powielaniem wskutek emisji wymuszonej, dzięki czemu laser generuje spójne światło.

Aby emitowane światło laserowe mogło wydostać się na zewnątrz lasera, przynajmniej jedno z luster powinno być częściowo przepuszczalne. W laserach impulsowych stosuje się często modulację czasową przepuszczalności luster, dzięki czemu cała energia wiązki zostaje uwolniona w chwili "otwarcia" lustra.

Układ pompujący:

Jego zadaniem jest zwiększenie liczby atomów w stanie wzbudzonym w stosunku do liczby atomów w stanie podstawowym. Taki proces pompowania może odbywać się na różne sposoby, w tym dzięki błyskowi innego lasera, przepływowi prądu w ośrodku gazowym lub reakcji chemicznej.

Cechy charakterystyczne światła laserowego:

-rozbieżność wiązki;

-spójność;

-moc promieniowania i gęstość energii;

-propagacja promieniowania laserowego w środowisku.

Rozbieżność to powiększanie się pola przekroju poprzecznego wiązki wraz z odległością. Rozbieżność wiązki promieniowania określa się kątem rozbieżności - Θ. Dzięki małym rozbieżnościom wiązki prawie całą energię promieniowania możemy skierowywać w określonym kierunku.

Spójność to przestrzenna i czasowa, w fazie i częstotliwości zależność drgań elektromagnetycznych. Aby drgania były spójne muszą mieć jednakową częstotliwość.

Lasery wypromieniowują całą swoją energię w wąskich wiązkach, w przeciwieństwie do zwykłych źródeł światła, które promieniują we wszystkie strony. Energii zwykłych źródeł światła nie można skoncentrować tak, aby uzyskać gęstość mocy w plamce większą od gęstości mocy źródła. Energię promieniowania laserów można w taki sposób skoncentrować. Spowodowane jest to dobrą równoległością wiązki lasera. Duża gęstość mocy umożliwia uzyskanie dużej koncentracji fotonów. Może wtedy zachodzić równoczesne oddziaływanie kilku fotonów z jednym atomem.

Wpływ środowiska naturalnego na propagacje promieniowania laserowego:

-zmniejszenie amplitudy i długości jego koherencji,

-na odchylaniu i zmianie prostoliniowości biegu promieniowania.

Przyczyny zmniejszania się wielkości promieniowania w danym środowisku:

-rozproszenie promieniowania;

-absorpcja promieniowania.

Rozproszenie promieniowania w powietrzu zależy od:

-długości fali;

-gęstości i niejednorodności atmosfery;

-temperatury;

-pory dnia;

-pogody;

-obecności owadów znajdujących się na torze biegu promieniowania laserowego.

Podczas propagacji promieniowania laserowego w wodzie występują trudne lub bardzo trudne warunki. Trudne warunki występują np. w wodzie destylowanej, gdzie występuje silne rozproszenie i tłumienie promieniowania w cząsteczkach wody. Bardzo trudne warunki występują, gdy w wodzie znajdują się rozpuszczone sole i zawiesiny, które zwiększają tłumienie i rozproszenie promieniowania. Oba te czynniki powodują skrócenie maksymalnego zasięgu rozprzestrzeniania się światła.

Rodzaje laserów:

a)Laser rubinowy

Rubin jest to kryształ tlenku glinu, 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 w laserze rubinowym spełniają tylko jony chromu. Monokryształ sztucznego rubinu szlifowany jest do postaci cylindra, 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, który tworzy pasmo energetyczne o sporej szerokości dlatego fotony z kość szerokiego przedziału łatwo mogą wzbudzać elektrony. Aby uzyskać silną emisję wymuszoną, konieczne jest utworzenie optycznej komory rezonansowej. Komorę tworzy sam kryształ rubinu w postaci pręta. Wystarczy aby na pręcie pojawił się jeden foton o częstotliwości rezonansowej, aby rozpoczął się proces narastania emisji wymuszonej. Foton ten wymusza 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 λ = 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. 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.

b)Laser gazowy

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 w laserze helowo-neonowym (He-Ne), w którym ciałem roboczym jest mieszanina helu i neonu o ciśnieniu cząstkowym helu ok. 130 Pa i neonu ok. 13 Pa. Wyładowanie elektryczne prowadzone w tej mieszaninie wzbudza atomy do różnych stanów. Najważniejszym dla uzyskania akcji laserowych jest wzbudzenie atomów helu do dwóch stanów metatrwałych. W czasie trwania akcji laserowej wyładowanie stale podtrzymuje różnicę obsadzeń, otrzymuje się zatem o akcję laserową o działaniu ciągłym. Innymi laserami gazowymi są laser argonowy i laser, którego czynnikiem roboczym jest dwutlenek węgla.

c)Laser półprzewodnikowy

Laser półprzewodnikowy (dioda laserowa) działa podobnie jak diody świecące LED. LED zamieniają energię elektryczną na światło widzialne lub promieniowanie podczerwone. Źródłem światła jest złącze półprzewodnikowe np. 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 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. Istnieje wiele innych rodzajów laserów takich jak: jonowe, molekularne, barwnikowe, chemiczne.

Zastosowanie laserów:

-medycyna

-informatyka

-telekomunikacja

-znakowanie produktów

-cięcie metali

-technologia wojskowa

Bibiografia:

http://portalwiedzy.onet.pl/20928,,,,laser,haslo.html

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

http://www.bryk.pl/wypracowania/fizyka/zjawiska_optyczne/13467-laser.html

http://fizyka-lasery.blogspot.com/2009/11/zastosowania-laserow.html