Uruchomiony po raz pierwszy w 1960 roku przez amerykańskiego fizyka Maimana kwantowy generator światła spójnego zwany jest potocznie laserem

Ogólna zasada działania lasera jest analogiczna do zasady działania dobrze znanych klasycznych generatorów .Generator jest zasadniczo wzmacniaczem, w którym sygnał wyjściowy został skierowany na wejście wzmacniacza

Pojawiający się na wejściu wzmacniacza sygnał ulega po przejściu przez wzmacniacz zwiększeniu, a przechodząc dalej przez pętlę sprzężenia zwrotnego ulega osłabieniu.

Laser - kwantowy generator promieniowania - działa na podobnej zasadzie: kwantowy wzmacniacz promieniowania (tzw. ośrodek aktywny lasera) umieszczony jest między dwoma równolegle do siebie ustawionymi zwierciadłami tworzącymi pętlę sprzężenia zwrotnego

Jest to dobrze zrozumiałe, gdyż poruszająca się w obu kierunkach wzdłuż osi lasera wiązka promieniowania laserowego, po każdorazowym przejściu i wzmocnieniu przez ośrodek aktywny po odbiciu od zwierciadła jest kierowana z powrotem do wzmacniacza

6.1. Konstrukcja lasera He-Ne

Laser He-Ne, którego ośrodkiem aktywnym jest mieszanina helu i neonu jest historycznie pierwszym gazowym laserem, w którym amerykański fizyk Javan uzyskał w 1961 roku akcję laserową.

Stosunkowo prosta konstrukcja i technologia wykonania lasera, łatwość pobudzania ośrodka aktywnego, dobre parametry promieniowania wyjściowego (duża monochromatyczność, spójność i mała rozbieżność wiązki lasera) sprawiają, że jest on wciąż jednym z najbardziej rozpowszechnionych typem lasera znajdującym szerokie zastosowania w takich dziedzinach nauki i techniki jak metrologia, geodezja, holografia i spektroskopia.

Schemat budowy lasera He-Ne przedstawiono na rys.2.15. Między dwoma równolegle ustawionymi zwierciadłami Z₀ i Z_T tworzącymi rezonator optyczny umieszczona jest szklana, wyładowcza rura laserowa R_L wypełniona mieszaniną helu i neonu. Oba końce rury zamykają płytki (okienka Brewstera) B, wykonane ze szkła optycznego i ustawione ukośnie tak, aby normalne do ich płaszczyzn tworzyły z osią rury laserowej (kierunkiem promieniowania), tzw. kąt Brewstera α_B.

Kąt Brewstera α_B zdefiniowany wg zależności:

tg (a_B) = n, gdzie n jest współczynnikiem załamania materiału okienka (1.24)

jest kątem, przy którym przy padaniu światła niespolaryzowanego następuje całkowita polaryzacja liniowa promienia odbitego, w płaszczyźnie prostopadłej do płaszczyzny rysunku 1.15.

Jeśli natomiast na powierzchnię okienka Brewstera pada promieniowanie spolaryzowane liniowo w płaszczyźnie rysunku 1.15 to współczynnik odbicia tej powierzchni jest teoretycznie równy zero. Takie ustawienie okienek pod kątem Brewstera minimalizuje więc straty odbiciowe rezonatora lasera dla odpowiedniej liniowej polaryzacji generowanego promieniowania. i powoduje powstanie dwóch korzystnych zjawisk:

• wzrost mocy lasera związany z minimalizacją strat odbiciowych

• generację światła spolaryzowanego liniowo, gdyż dla takiej polaryzacji amplitudowy warunek generacji jest najłatwiejszy do spełnienia.

Mieszanina He-Ne pobudzana jest jarzeniowym wyładowaniem elektrycznym prądu stałego. Do tego celu służą dwie wprowadzone do rury elektrody: anoda A i katoda K. Konstrukcja anody, do której docierają wytworzone w wyładowaniu jarzeniowym lekkie elektrony nie ma większego wpływu na parametry rury laserowej i wykonywana jest na ogół w postaci krótkiego pręta molibdenowego. Do katody natomiast docierają ciężkie jony powodując jej rozpylanie. Zjawisko to (tzw. rozpylanie katodowe) ma decydujący wpływ na trwałość rury laserowej. Rozpylone cząstki materiału katody osiadają bowiem na wewnętrznych powierzchniach okienek Brewstera zwiększając straty optyczne rezonatora. Zmniejsza to oczywiście moc wyjściową lasera. W celu zminimalizowania tego szkodliwego zjawiska odporność materiału katody na bombardowanie jonowe powinna być wysoka, a spadek potencjału w pobliżu katody decydujący o energii jonów (tzw. spadek katodowy) możliwie niski. Najlepszą trwałość rur laserowych, dochodząca do kilkunastu tysięcy godzin uzyskuje się stosując zimne katody aluminiowe. Ta prosta w wykonaniu i tania katoda wykonana jest z czystego aluminium i pokryta jest galwanicznie warstwą Al₂O₃ - materiału niezwykle odpornego na bombardowanie jonowe. Jej powierzchnia jest stosunkowo duża, tak aby przy optymalnym dla lasera prądzie wyładowania utrzymać go w zakresie wyładowania jarzeniowego normalnego. Zapewnia to małą wartość decydującego o energii jonów spadku katodowego, a co z tego wynika duża trwałość rury laserowej.

6.2. Otrzymywanie inwersji obsadzeń w mieszaninie He-Ne

Konieczną do spełnienia amplitudowego warunku generacji inwersję obsadzeń w mieszaninie He-Ne uzyskuje się między poziomami energetycznymi neonu, zaś hel pełni rolę pomocniczą służąc jedynie do selektywnego pobudzania wybranych stanów energetycznych neonu. Schemat poziomów energetycznych helu i neonu biorących bezpośredni udział w akcji laserowej przedstawia rys.1.16.

Podczas trwania akcji laserowej, na skutek zjawiska emisji wymuszonej zachodzą liczne przejścia atomów z górnych do dolnych poziomów laserowych. Stąd niezwykle istotny dla utrzymania inwersji obsadzeń staje się proces szybkiego odprowadzania energii z dolnego poziomu laserowego do poziomu podstawowego neonu. Utrudnienie tego procesu prowadziło by bowiem do wzrostu ilości atomów w dolnych laserowych, a zatem do zmniejszenia inwersji obsadzeń, a co za tym idzie do zmniejszenia mocy wyjściowej lasera.

W laserze He-Ne odprowadzanie energii z dolnych poziomów laserowych do stanu podstawowego Ne odbywa się w dwóch etapach, za pośrednictwem stanów 1s.

W etapie pierwszym atomy neonu w dolnym stanie laserowym Ne[2p,3p] przechodzą promieniście do stanu 1s emitując charakterystyczne dla pobudzonego neonu promieniowanie z zakresu 0.54 - 0.81 mm. Dzięki krótkiemu czasowi życia poziomów 2p i 3p przejścia te są liczne i energia z dolnych stanów laserowych odprowadzana jest szybko.

Dalsze odprowadzanie energii do stanu podstawowego neonu jest niestety utrudnione. Atomy neonu w stanie 1s sa ze swej natury metastabilne i ich przejścia promieniste do stanu podstawowego są zabronione. Mogło by to doprowadzić do zwiększenia koncentracji stanów Ne w stanie 1s i zjawisko reabsorpcji emitowanego w poprzednim etapie promieniowania:

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 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.).

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.

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).
Czyli wzmacniacz cząstek światła, który generuje promieniowanie jednego pasma w postaci wiązki o niewielkiej średnicy.
Głównymi elementami są :
Ośrodek czynny, osnowa z* zawartymi w niej jonami lub atomami laserującymi
Źródło promieniujące*
Rezonator optyczny umożliwiający wytworzenie promieniowana* monochromatycznego.
Zasada działania opiera się na wymuszonej emisji promieniowania elektromagnetycznego zachodzącej w układach atomów, jonów lub cząsteczek doprowadzonych przez pompowanie do stanu inwersji obsadzeń odpowiednich poziomów energetycznych.
Pompowanie odbywa się 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.

Duże możliwości tych laserów znalazły zastosowanie w holografi, 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 .
Oto także krótki opis urządzenia z laserem najbardziej rozpowszechnionego czyli odtwarzacza CD. Podstawowymi elementami odtwarzacza płyt kompaktowych są: mikroprocesor wytwarzający wszystkie napięcia potrzebne do sterowania gramofonem, laserowa głowica odczytująca, wraz z mechanizmem skupiania strumienia światła lasera i mechanizmem ścieżkowania, silnik prądu stałego (do obracania płyt) wraz z układem automatycznej regulacji obrotów talerza oraz układ elektroniczny do przetwarzania sygnałów cyfrowych na sygnały analogowe.
Pierwszy odtwarzacz płyt kompaktowych został skonstruowany pod koniec lat 70. przez holenderską firmę Philips.

Laser półprzewodnikowy jest przyrządem półprzewodnikowym ze złączem
p-n (lub bardziej złożonym), który w zaleźności od materiału złącza może emitować w zakresie bliskiej podczerwieni i widzialnym. W wyniku zachodzącej w obszarze złącza rekombinacji promienistej emitowane są fotony o energii odpowiadającej (w przybliźeniu) wartości energii przerwy zabronionej

3. Zasada działania lasera

Laser jest kwantowym generatorem światła (kwantowym, ponieważ wykorzystuje mechanizmy, które mogą być opisane dopiero przez mechanikę kwantową). Podobnie jak każdy generator jest wzmacniaczem pracującym w układzie dodatniego sprzężenia zwrotnego.

Typowy laser składa się z dwóch zasadniczych elementów: ośrodka aktywnego i rezonatora optycznego realizującego dodatnie sprzęzenie zwrotne.

Do uzyskania akcji laserowej konieczne jest spełnienie kilku warunków:

• półprzewodnik, z którego wykonany jest laser musi być materiałem laserowym (zdolnym do wzmacniania promieniowania -rekombinacja promienista- o odpowiedniej długości fali dzięki zjawisku emisjii wymuszonej powstającej na skutek wstrzykiwania odpowiednio dużej gęstości nośników do obszaru złącza);

• wytworzenie inwersji obsadzeń, czyli dostarczenie odpowiedniej energii do ośrodka aktywnego w procesie zwanym pompowaniem. Jest to zakłucenie równowagowego termicznego obsadzenia poziomów energetycznych w materiale uzyskane przez wstrzykiwanie nadmiarowych elektronów do obszaru p złącza p-n. Jeśli wzmocnienie zrównoważy poziom strat w ośrodku, to zostanie tym samym spełniony warunek wzbudzenia akcji laserowej.

• ośrodek aktywny musi znajdować się wewnątrz rezonatora, dzięki któremu promieniowanie będzie posiadać charakterystyczne właściwości spektralne i ściśle kierunkową wiązkę.

---