Zasada działania lasera

Emisja wymuszona

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 (rysunek po lewej stronie). 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" zbudował dopiero w 1960 roku przez T. Maimana.

Zasada działania lasera rubinowego

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 wzbudzonym (na rysunku po prawej poziom E₃) 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.
Lasery znalazły wiele zastosowań; są na przykład używane do spawania, w medycynie np. chirurgii, holografii, drukarkach, telekomunikacji optycznej oraz do odczytywania informacji cyfrowej.

Laser rubinowy

Schemat lasera rubinowego

Rubin jest to kryształ tlenku glinu (AL₂O₃), 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 a laserze rubinowym spełniają tylko jony chromu. Monokryształ sztucznego rubinu szlifowany jest do postaci cylindra o średnicy 5 mm i długości 5 do 10 cm, 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. Schemat poziomów energetycznych w rubinie przedstawia animacja zamieszczona wyżej. Ksenonowa lampa błyskowa powoduje wzbudzenie elektronów z poziomu E₁ w stan E₂, który tworzy pasmo energetyczne o sporej szerokości dlatego łatwo fotony z kość szerokiego przedziału mogą wzbudzać elektrony. Średni czas przebywania na poziomie E₂ jest krótki i wynosi jedynie 0,05ms. Elektrony wracają więc do stanów niższych. Wiele z nich przechodzi bezpromieniście (energia
zostaje przekazana sieci krystalicznej i dlatego taki laser musi być chłodzony) na poziom E₃. Średni czas życia na poziomie E₃ jest dość długi wynosi około 3ms i dlatego nazywamy go metastabilnym. Oświetlenie więc rubinu światłem białym powoduje masowe przechodzenie elektronów do stanu E₃. Proces taki nazywamy pompowaniem optycznym. Następuje inwersja obsadzeń.
Aby uzyskać silną emisję wymuszoną, konieczne jest utworzenie optycznej komory rezonansowej. Taką komorę tworzy sam kryształ rubinu w postaci pręta, którego powierzchnie czołowe są wypolerowane i pokryte powłokami odbijającymi. Wystarczy wtedy pojawienie się w pręcie jednego tylko fotonu o częstotliwości rezonansowej, poruszającego się równolegle do osi pręta, aby rozpoczął się proces narastania emisji wymuszonej. Foton ten wymusza bowiem 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 A = 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. Akcja laserowa zachodzi wtedy między poziomami E3 i E4 i uzyskanie odwrócenia obsadzeń jest znacznie łatwiejsze, a chłodzenie ośrodka czynnego ciekłym azotem pozwala na uzyskanie pracy ciągłej. 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.

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 właśnie w laserze helowo-neonowym (He-Ne), w którym ciałem roboczym jest mieszanina helu i neonu o ciśnieniu cząstkowym helu około 130 Pa i neonu ok. 13 Pa. Wyładowanie elektryczne prowadzone w tej mieszaninie wzbudza atomy helu i neonu do różnych stanów. Najważniejsze jednak dla uzyskania akcji laserowych jest wzbudzenie atomów helu do dwóch stanów metatrwałych.

Budowę lasera He-Ne przedstawia schematycznie rysunek powyżej. Rura laserowa (szklana lub kwarcowa) zamknięta jest doskonale płasko-równoległymi okienkami nachylonymi do osi rury pod kątem Brewstera (w celu minimalizacji strat przy odbiciu); jej typowe wymiary: długość - kilkanaście cm do kilku m, średnica wewnętrzna - kilka do kilkunastu mm. Do rury wlutowane są elektrody, do których przykłada się napięcie powodujące wylądowanie. Rezonator tworzą zewnętrzne zwierciadła (płaskie lub sferyczne w ustawieniu współogniskowym), z których jedno ma pewną, niewielką przepuszczalność, co umożliwia wyprowadzenie wiązki laserowej na zewnątrz.
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.

Paser półprzewodnikowy

Laser półprzewodnikowy czyli dioda laserowa działa podobnie jak diody świecące LED (skrót od angielskiego light emitting diode). LED zamieniają energię elektryczną na światło widzialne lub promieniowanie podczerwone. Źródłem światła jest złącze półprzewodnikowe n-p. 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. Lasery półprzewodnikowe mogą być miniaturowe i nie przekraczają długości 1 mm. Nie jest to na ogól jednak wiązka skupiona i o stosunkowo małej mocy.
Omówimy obecnie budowę najprostszego lasera półprzewodnikowego dostępnego w sklepach elektrycznych.

Średnica soczewki (około 5 mm) określa maksymalną średnicę skolimowanej wiązki. Dioda ma ustalone położenie, położenie soczewki może być regulowane przez zmianę położenia wkręcanej przesłony kołowej (przesłona ta ogranicza również średnicę wiązki do około 2,5-3 mm). Zewnętrzna, wymienna nasadka służy do wyświetlania rozmaitych rysunków. Działa na zasadzie siatki dyfrakcyjnej (kwadratowa sieć jednakowych symboli graficznych). Podstawowym elementem konstrukcyjnym lasera jest metalowy korpus, w którym umocowana jest płytka drukowana z diodą laserową, a z przedniej strony wkręcona jest przesłona kołowa i nakręcona wymienna nasadka. We wnętrzu korpusu umieszczona jest soczewka (dociskana do przesłony kołowej za pomocą sprężyny). Korpus umocowany jest na wcisk w aluminiowej rurce stanowiącej obudowę zewnętrzną. Dioda jest zasilana napięciem 4,5 V z trzech baterii pastylkowych przez sprężynę kontaktową, niestabilny mikrowyłącznik i rezystor.

Istnieje wiele innych rodzajów laserów takich jak: jonowe, molekularne, barwnikowe, chemiczne, których tutaj nie omawiamy.

Przy opracowaniu tematu najwięcej korzystano z następujących publikacji:
Peter Lafferty, Siły natury;
Encyklopedia fizyki współczesnej;
Czesław Bobrowski, Fizyka - krótki kurs;
Zygmunt Przeniczny, Na przykładzie kawałka rubinu, Fizyka w Szkole 1/2003;
Leszek Kotlarz, Doświadczenia z laserem, Fizyka w Szkole 1/2003.

Pierwszy laser krzemowy

Krzemowe lasery działające z falą ciągłą

Krzem jest półprzewodnikiem stosowanym we współczesnej elektronice, między innymi z niego robi się komputerowe mikroprocesory. Ale wszędzie tam, gdzie potrzebne jest laserowe światło, a więc w komunikacji światłowodowej, czy w odtwarzaczach CD, do tej pory stosowano inne półprzewodniki, np. arsenek galu czy fosforek indu. Są one dobrym źródłem światła ze względu na swoje własności fizyczne, lecz są dużo droższe i trudniejsze w obróbce niż krzem.
W "tradycyjnych" laserach gromadzi się energię, która służy do przyspieszenia skupionej wiązki. Krzem jednak rozprasza i absorbuje światło. Na przeszkodzie stał fakt, że niektóre elektrony z krzemu absorbują energię konieczną do nadania wiązce odpowiedniego przyspieszenia. Inżynierowie Intela zbudowali więc urządzenie, które usuwało "przeszkadzające" elektrony. Po raz pierwszy zaprezentowano taki laser wykorzystujący krzem w drugiej połowie 2004 roku. Eksperymentalne urządzenie wytwarzało jednak wiązkę pulsacyjną, a do założonych przez inżynierów Intela celów konieczny był laser z wiązką ciągłą. W końcu na początku 2005 roku badacze z laboratorium Intela skonstruowali laser z krzemu działający z falą ciągłą. Intel kontynuuje badania nad laserem, a jego specjaliści pracują też nad połączeniem go z opracowanym wcześniej krzemowym modulatorem optycznym, co umożliwi zastosowanie lasera w obecnie wykorzystywanej infrastrukturze telekomunikacyjnej.
To zapowiedź rewolucji w komputerach i telekomunikacji. Dzięki temu wkrótce mogą powstać dużo tańsze nadajniki oraz wzmacniacze światła używane w telekomunikacyjnych światłowodach. Innym zastosowaniem wynalazku byłyby lepsze komputery. Żeby zwiększyć szybkość ich działania, inżynierowie starają się dziś upchać w mikroprocesorze coraz więcej tranzystorów (miliony na jednym centymetrze kwadratowym). Ale już za kilka lat dotrą do granicy możliwości takiego upakowania. Winne są temu elektroniczne sygnały, które biegną po miedzianych połączeniach między milionami tranzystorów - nie będą w stanie nadążyć z obsługą elektronicznego ruchu. Wyjściem byłoby zastąpienie metalowych połączeń światłowodami, bo wtedy sygnały rozchodziłyby się w mikroprocesorze z prędkością światła, czyli największą możliwą w naturze. Do tego jednak potrzeba źródeł światła, które będzie można wykonać na tej samej krzemowej płytce i w tej samej technologii co cały mikroprocesor. I to właśnie jest teraz celem prac naukowców z Intela.
Opracowano na podstawie internetowych informacji zamieszczonych w: w serwisie naukowym Gazety Wyborczej i na stronie http://newsroom.chip.pl/news_125131.html

Niebieski laser półprzewodnikowy

Kryształek azotku galu (GaN), wyhodowany w Instytucie Wysokich Ciśnień PAN, służy do budowy niebieskich laserów

Po kilku latach zajadłej rywalizacji w 2002 roku polscy naukowcy prześcignęli międzynarodową konkurencję i jako pierwsi stworzyli w pełni sprawny, półprzewodnikowy niebieski laser. Jedynie warszawskiemu Centrum Wysokich Ciśnień "Unipress" Polskiej Akademii Nauk udało się wyhodować kryształy azotku galu (GaN), który jest niezbędny do konstrukcji takiego lasera. Gra toczy się o bardzo duże pieniądze. Lasery służą do odczytywania płyt kompaktowych. Laserowy promień ślizga się po wyrytych na płycie dołkach. Im mniejsza jest długość jego światła, tym mniejsze mogą być dołki. Można ich wtedy więcej upchać na powierzchni płyty. Dziś stosuje się lasery czerwone. Fale niebieskie są krótsze - gdyby udało się skonstruować niebieskie lasery, pojemność dysków wzrosłaby czterokrotnie.

Bywalcy dyskotek od dawna bawią się w niebieskich laserowych promieni. Są to jednak lasery gazowe, czyli rury wypełnione np. świecącym helem i neonem, zbyt duże, nieporęczne, zasilane dużym napięciem. Do miniaturowych wytworów najnowszej techniki zupełnie się nie nadają. We współczesnej elektronice liczą się tylko konstrukcje zbudowane z półprzewodników. Tego typu lasery mogą być wielkości główki od szpilki. Bez nich nie byłoby dziś miniaturowych odtwarzaczy płyt kompaktowych.

Pod koniec 2005 roku polscy naukowcy zbudowali niebieskie lasery półprzewodnikowe różnego rodzaju. Sprzedawane są, głównie za granicę, lasery o mocy do 1 W w impulsie i lasery o pracy ciągłej o mocy 100 i 200 mW. Na początku w postaci próbek inżynierskich. Rynek jest jeszcze dziewiczy, ale rozwija się i wkrótce będzie wart miliardy dolarów. Obecnie Polacy mają dwuprocentowy udział w rynku półprzewodnikowych niebieskich laserów. Aby to utrzymać lub powiększyć, trzeba jeszcze sporo zainwestować. Na razie sprawdzają się przewidywania co do rozwoju technologii i rynku. Odniesiono niewątpliwy sukces, który otwiera ogromne możliwości. Teraz wszystko zależy od wielkości inwestycji, a także sprzyjającej polityki państwa. Przemysł laserowy w Polsce ma szansę na rozwój i konkurencję na świecie.

---