Laser to generator promieniowania, wykorzystujący zjawisko emisji wymuszonej. Nazwa jest akronimem od Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation — wzmocnienie światła poprzez wymuszoną emisję promieniowania. Promieniowanie lasera ma charakterystyczne właściwości, trudne lub wręcz niemożliwe do osiągnięcia w innych typach źródeł promieniowania. Jest spójne w czasie i przestrzeni, 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 (zob. laser femtosekundowy).
Słowo laser bez dodatkowych określeń odnosi się najczęściej do laserów emitujących światło widzialne. W przypadku innych długości fali stosowane są dodatkowe określenia precyzujące zakres pracy (zob. nazewnictwo laserów).
Zasada działania
Zasadniczymi częściami lasera są: ośrodek czynny, rezonator optyczny, układ pompujący. Układ pompujący dostarcza energię do ośrodka czynnego, w ośrodku czynnym w odpowiednich warunkach zachodzi akcja laserowa, czyli kwantowe wzmacnianie (powielanie) fotonów, a układ optyczny umożliwia wybranie odpowiednich fotonów.
Ośrodek czynny
Oddziaływanie promieniowania z materią można wyjaśnić za pomocą trzech zjawisk: pochłaniania fotonów (absorpcji), emisji spontanicznej oraz emisji wymuszonej fotonu. Foton wyemitowany w wyniku emisji wymuszonej ma taką samą częstotliwość i polaryzację jak foton wywołujący emisję. Przykładowy foton wzbudzający musi mieć energię równą energii wzbudzenia atomu ośrodka. Atomy w stanie podstawowym pochłaniają takie fotony. Gdy w ośrodku jest więcej atomów w stanie wzbudzonym niż w stanie podstawowym zachodzi inwersja obsadzeń poziomów energetycznych. Stan wzbudzony jest stanem metastabilnym co zapewnia magazynowanie energii do czasu wyemitowania jako wiązki laserowej i jest warunkiem funkcjonowania urządzenia.
Atomy niektórych pierwiastków mają poziomy energetyczne, na których elektron pozostaje znacznie dłużej (kilkaset μs, kilka ms). Wskutek pobudzania zewnętrznym polem elektrycznym elektrony w atomach przechodzą do stanu metatrwałego, wytwarzając inwersję obsadzeń, która zapewnia lawinową emisję promieniowania koherentnego, czyli o tej samej długości fali.
Układ pompujący
Zadaniem układu jest przeniesienie jak największej liczby elektronów w substancji czynnej do stanu wzbudzonego. Układ musi być wydajny by zapewnić inwersję obsadzeń. Pompowanie lasera odbywa się poprzez błysk lampy błyskowej (flesza), błysk innego lasera, przepływ prądu (wyładowanie) w gazie, reakcję chemiczną, zderzenia atomów, wstrzelenie wiązki elektronów do substancji.
Rezonator optyczny
Wzbudzony ośrodek czynny stanowi wprawdzie potencjalne źródło światła laserowego, jednak do powstania uporządkowanej akcji laserowej potrzebny jest jeszcze 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 i 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. Układ optyczny rezonatora składa się zazwyczaj z dwóch dokładnie wykonanych i odpowiednio ustawionych zwierciadeł. Dla określonego kierunku możliwe jest wielokrotne odbicie pomiędzy zwierciadłami, i tylko fotony o takim kierunku, mogą wielokrotnie przebiegać przez ośrodek czynny, powodując akcję laserową. Jeśli rezonator ma postać dwóch równoległych zwierciadeł płaskich, to emitowane światło może leżeć w dość szerokim przedziale częstotliwości, zależnym od charakterystyki ośrodka. Aby dodatkowo określić tę częstotliwość z dużą precyzją, stosuje się dodatkowe elementy układu optycznego, ograniczające możliwość wielokrotnego odbicia fal o długościach innych, niż zadana. Mogą to być na przykład siatki dyfrakcyjne pełniące rolę selektywnego zwierciadła tylko dla określonej długości fali, a także dodatkowe lustra tworzące filtry interferencyjne (interferometry). W zależności od szczegółów technicznych budowy rezonatora, możliwe jest uzyskanie światła laserowego o bardzo różnych własnościach, takich jak kątowa rozbieżność wiązki, określony stopień jej spójności przestrzennej i czasowej, określony profil spektralny linii, czy wreszcie określony rozkład gęstości mocy w poprzecznym przekroju wiązki (tzw. mody poprzeczne).
Aby emitowane światło laserowe mogło wydostać się poza rezonator (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.
Rodzaje laserów
Podział laserów w zależności od mocy
Lasery dużej mocy
Lasery małej mocy
Podział laserów w zależności od sposobu pracy
Lasery pracy ciągłej, emitujące promieniowanie o stałym natężeniu
Lasery impulsowe, emitujące impulsy światła
szczególnym rodzajem lasera impulsowego jest laser femtosekundowy
Podział laserów w zależności od widma promieniowania, w których laser pracuje
Lasery w podczerwieni
Lasery w części widzialnej
Lasery w nadfiolecie
Podział laserów w zależności od ośrodka czynnego
Ośrodek czynny decyduje o najważniejszych parametrach lasera, określa długość emitowanej fali, jej moc, sposób pompowania, możliwe zastosowania lasera.
W nawiasach podano długości fal emitowanego światła.
Lasery gazowe:
He-Ne laser helowo-neonowy (543 nm lub 633 nm)
Ar laser argonowy (458 nm, 488 nm lub 514,5 nm)
laser azotowy (337,1 nm)
laser kryptonowy (jonowy 647,1 nm, 676,4 nm)
laser na dwutlenku węgla (10,6 μm)
Lasery na ciele stałym
laser rubinowy (694,3 nm)
laser neodymowy na YAG-u (Nd:YAG)
laser erbowy na YAG-u (Er:YAG) (1645 nm)
laser tulowy na YAG-u (Tm:YAG) (2015 nm)
laser holmowy na YAG-u (Ho:YAG) (2090 nm)
laser tytanowy na szafirze (Ti:Al2O3)
Lasery na cieczy
lasery barwnikowe - ośrodkiem czynnym są barwniki rozpuszczone w nieaktywnym ośrodku przezroczystym, np. rodamina
lasery chylatowe
lasery neodymowe
Lasery półprzewodnikowe
złączowe (diody laserowe)
laser na materiale objętościowym
laser na studniach kwantowych
laser na kropkach kwantowych
bezzłączowe
Lasery na wolnych elektronach
laser promieniowania X
Podział laserów w zależności od zastosowań[edytuj]
Specjalne lasery gazowe wytwarzające ultrafiolet o możliwie jak najmniejszej długości fali używane do produkcji półprzewodnikowych układów scalonych:
F_2 (157 nm)
ArF (193 nm)
KrCl (222 nm)
XeCl (308 nm)
XeF (351 nm)
Lasery używane w stomatologii i dermatologii, w tym do usuwania tatuaży, znamion oraz włosów:
laser rubinowy (694 nm)
Aleksandrytowy (755 nm)
pulsacyjna matryca diodowa (810 nm)
Nd:YAG (1064 nm)
Ho:YAG (2090 nm)
Er:YAG (2940 nm)
Półprzewodnikowe diody laserowe:
małej mocy - używane we wskaźnikach laserowych, drukarkach laserowych, CD/DVD
dużej mocy - używane w przemyśle do cięcia i spawania, występują o mocach do 10 kW
Opis niektórych typów laserów
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 kryptonowy jonowy ma wiele linii w paśmie widzialnym - dwie najintensywniejsze linie to linie 647,1 i 676,4 nm czerwone.
Laser neodymowy Nd:YAG
Można wyróżnić mikrolasery objętościowe i cienkowarstwowe. Pompowanie odbywa się za pomocą półprzewodnikowych diod laserowych. Długość aktywnego ośrodka objętościowego jest rzędu 1mm. Możliwość budowy lasera o tak małych wymiarach powstała w wyniku opanowania technologii diod generujących wiązkę o mocy rzędu watów z możliwością dopasowania pasma emisji tych diod do pasma maksymalnej absorpcji neodymu (λ=0.81 μm). Długość fali emitowanej przez laser wiązki λ=1.06 μm. Przejścia kwantowe realizowane są na jonach neodymu. Dichroiczne zwierciadła tworzą układ rezonatora otwartego dla mikrolasera objętościowego i falowodowego. Wiązka pompująca (λ=0.81 μm) powinna być transmitowana przez pierwsze zwierciadło i całkowicie odbijana przez drugie. Natomiast wiązka generowana przez laser (λ=1.06 μm), jak w typowym rezonatorze, powinna być całkowicie odbijana przez drugie zwierciadło i częściowo transmitowane przez pierwsze.
Mikrolaser objętościowy w połączeniu z kryształem nieliniowym tworzy laser o zwartej budowie, emitujący linię zieloną (druga harmoniczna, λ = 0,533 μm) o mocy nawet kilkunastu miliwatów. Tą drogą można uzyskać również harmoniczne wyższe niż druga i uzyskać promieniowanie w nadfiolecie.
Laser półprzewodnikowy
Nazywany również laserem diodowym lub diodą laserową - laser, którego obszarem czynnym jest półprzewodnik. Najczęściej laser półprzewodnikowy ma postać złącza p-n w którym obszar czynny jest pompowany przez przepływający przez złącze prąd elektryczny. Są to najbardziej perspektywiczne lasery z punktu widzenia ich zastosowań w fotonice ze względu na małe wymiary, dość wysokie moce, łatwość modulacji prądem sterującym o wysokiej częstotliwości (rzędu gigaherców) i możliwość uzyskania promieniowania od pasma bliskiej podczerwieni (diody laserowe dla telekomunikacji światłowodowej) do skraju fioletowego pasma widzialnego.
Laser barwnikowy
Substancją czynną jest tak zwany barwnik, pompowany optycznie przez inny laser, z reguły o krótszej długości fali (najczęściej jest to silny laser argonowy, kryptonowy lub neodymowy).
Cząsteczki barwnika mogą oddawać pochłoniętą na skutek pompowania energię między innymi w drodze emisji wymuszonej, w dość szerokim zakresie długości fal. O powstaniu akcji laserowej decydują dodatkowe warunki zewnętrzne - na przykład odpowiedni układ luster i siatek dyfrakcyjnych, zwany rezonatorem. Dobierając parametry rezonatora, można uzyskać akcję laserową w określonym kierunku padania światła, o określonej długości fali. Przestrajanie może odbywać się poprzez przesuw luster, obrót siatki dyfrakcyjnej, a nawet zmianę ciśnienia. Aby nie doprowadzić do przegrzania barwnika (lub spadku jego aktywności wskutek przeniesienia większości oświetlonych cząsteczek na metastabilne poziomy energetyczne nieprzydatne w akcji laserowej), należy zadbać o jego właściwą cyrkulację - może to być na przykład ciągły przepływ barwnika przez aktywny obszar lub jego intensywne mieszanie. Dzięki szerokiemu zakresowi przestrajania, zarówno płynnego (poprzez regulację rezonatora) jak i skokowego (poprzez wymianę barwnika na inny) lasery barwnikowe znajdują zastosowania wszędzie tam, gdzie potrzebne jest uzyskanie ściśle określonej długości fali, trudnej do uzyskania przy użyciu konwencjonalnego lasera. Zakres dostępnych długości fal powiększa się dodatkowo za sprawą optyki nieliniowej, np. generacja harmonicznej pozwala na emisję fal o połowę krótszych od fal generowanych przez czynnik roboczy lasera.
Lasery barwnikowe stosuje się w spektroskopii, medycynie, fotochemii i wielu innych dziedzinach.