Lasery

Laser - (light amplification by stimulated emission of radiation – wzmacnianie światła przez wymuszoną emisję promieniowania) – generator kwantowy optyczny; generator spójnego promieniowania elektromagnetycznego z zakresu widma od nadfioletu do dalekiej podczerwieni. W działaniu lasera wykorzystano zjawisko wzmocnienia promieniowania przez emisję wymuszoną w ośrodku, w którym nastąpiło odwrócenie (inwersja) obsadzeń.

Zasadniczymi elementami lasera są: ośrodek czynny (aktywny), rezonator optyczny i układ pompujący. Układ pompujący wytwarza w ośrodku czynnym, umieszczonym wewnątrz rezonatora optycznego, odwrócenie obsadzeń. Rezonator jest zbudowany z dwu równoległych, płaskich lub sferycznych zwierciadeł o dużym współczynnik odbicia i możliwie znikomej absorpcji. W praktyce stosuje się wielowarstwowe lustra dielektryczne, które składają się z nieparzystej liczby na przemian ułożonych warstw dielektryków o dużym i małym współczynniku załamania i grubości l/4 (l - długość fali generowanego promieniowania). Zwierciadła należy ustawić w odległości L=kl/2n (gdzie n – to współczynnik załamania ośrodka, a k – to liczba całkowita), ponieważ wytwarza się wówczas w rezonatorze fala stojąca. Fotony początkowe promieniowania spontanicznego, których wektor falowy jest równoległy do osi optycznej zwierciadeł, przebiegają wielokrotnie drogę między nimi i wymuszają promieniowanie innych atomów ośrodka czynnego. Jeżeli wzmocnienie promieniowania przekroczy wartość strat, to w rezonatorze optycznym uzyskuje się generację promieniowania. Wyprowadzenie wiązki generowanego promieniowania następuje przez jedno ze zwierciadeł, którego współczynnik transmisji promieniowania D ą 0. Ponieważ przejście z niższych poziomów wzbudzenia do stanu podstawowego zachodzi średnio w czasie 10-8 s (taki jest bowiem czas życia tych poziomów), a w atomach neonu w skutek zderzeń z atomami helu wzbudzone są poziomy wyższe, więc w obszarze wypełnionym atomami neonu ciągle jest spełniony warunek inwersji obsadzeń. Na rysunku a) (poniżej) atomy Ne lasera, znajdujące się w obszarze czynnym zostały wzbudzone na wyższe poziomy energetyczne. Zostały one zaznaczone na rysunku czerwonymi kropkami. Przypadkowa natomiast emisja promieniowania z atomów neonu prowadzi do powstania szeregu lawin. Proces ten związany z emisją wymuszoną został zilustrowany na rysunku b) (poniżej). Znaczna część lawin ulega zerwaniu po wyjściu z obszaru wypełnionego mieszaniną gazów, a jedynie lawiny fotonów rozwijające się wzdłuż osi x prowadzą do gwałtownego wzmocnienia natężenia promieniowania, które przez półprzeźroczyste zwierciadło może wyjść na zewnątrz patrz rysunki c), d), e), - poniżej. Naturalnie proces ten trwa w sposób ciągły, bowiem cały czas zewnętrzne pole elektryczne o wysokiej częstotliwości powoduje wzbudzenie atomów helu na wyższe poziomy energetyczne.

Światło wysyłane przez laser cechuje duża spójność i monochromatyczność, oprócz tego jest ono w dużym stopniu skolimowane, co zapewnia uzyskanie dużej gęstości powierzchniowej mocy emitowanego promieniowania, rzędu 106 GW/cm2. Szerokość linii widmowych promieniowania emitowanego przez laser może być mniejsza od szerokości naturalnej linii widmowej.

Ze względu na rodzaj ośrodka czynnego rozróżnia się lasery gazowe, cieczowe (laser barwnikowy), krystaliczne (laser rubinowy) lub też szklane (laser neodymowy). Ze względu na charakter pracy lasery można podzielić na pracujące w sposób ciągły (CW – continuous work) oraz impulsowo (P – pulse). Lasery impulsowe umożliwiają uzyskanie olbrzymich mocy światła (ultrakrótkich impulsów gigantycznych). Układy laserowe z zastosowaniem nieliniowych zjawisk optycznych umożliwiają otrzymanie wtórnych laserów, emitujących światło o długości fali odpowiednio przetworzonej (laser ramanowski, powielanie częstotliwości światła). Lasery są stosowane w nowoczesnej telekomunikacji (łączność satelitarna kosmiczna), lokacji i nawigacji (lidar), w miernictwie i kontroli (interferometryczne kalibratory laserowe), technologii (precyzyjna mikroobróbka materiałów), w medycynie i biologii (lancet świetlny, mikropunkcja komórki), w elektronicznej technice obliczeniowej w holografii i fotografii (fotografia ultraszybka, fotografia we mgle), w sejsmografii oraz w technice wojskowej. Lasery dużej mocy są stosowane do wytwarzania wysokotemperaturowej plazmy, w której może zachodzić mikrosynteza jądrowa (spektroskopia laserowa).

Laser, pompowanie – wzbudzanie atomów lub jonów substancji czynnej lasera do poziomów metatrwałych. Energia tych poziomów jest następnie wykorzystywana do emisji wymuszonej przez prom. sterujące laserem i przez samą emisję wymuszoną. W laserach jest stosowane pompowanie optyczne lub pompowanie prądowe. Pompowanie optyczne polega na wykorzystaniu, jako źródła energii wzbudzającej, lamp wyładowczych wytwarzających błyski światła, które są pochłaniane przez jony substancji czynnej w laserach krystalicznych, szklanych lub cieczowych.Pompowanie prądowe polega na wykorzystaniu energii prądu elektrycznego przepływającego przez substancję czynną lasera. W laserach gazowych pompowanie prądowe polega na wywołaniu jonizacji gazu przez wyładowanie o wysokiej częstotliwości (pompowanie jonowe).W laserach półprzewodnikowych pompowanie prądowe polega na jednokierunkowym wprowadzeniu swobodnych nośników ładunku w złącze p-n (pompowanie indukcyjne) lub na bombardowaniu złącza wiązką szybkich elektronów.

Laser barwnikowy – laser o pracy ciągłej lub impulsowej umożliwiający ciągłą zmianę długości fali w zakresie 0,35-1,3 mikrometra przez zastosowanie w nim jako ośrodka czynnego kolejno różnych barwników. Barwniki są skomplikowanymi związkami organicznymi silnie pochłaniającymi światło w obszarze widzialnym, np.: fluoresceina i rodamina (fluorescencja). W typowym schemacie poziomów energetycznych barwnika występują dwa rodzaje stanów elektronowych: singletowe S i trypletowe T (rysunek 1).

Drgania i rotacje cząsteczki powodują rozczepienie każdego poziomu elektronowego na wiele poziomów oscylacyjnych i rotacyjnych, które są ułożone tak gęsto, że tworzą niemal ciągłe pasma energetyczne (widmo cząsteczkowe).

Emisja promieniowania laserowego odbywa się podczas przejść wymuszonych do poziomów stanu S0 z najniższych poziomów S1 (o czasie życia rzędu 10-9 s), które są obsadzone w skutek bezpromienistych przejść z wyższych poziomów S1 (wzbudzanych bezpośrednio dzięki absorbcji światła pompującego). Do wzbudzenia barwnika używa się specjalnych lamp błyskowych lub laserów impulsowych, np.: azotowych, o błysku krótkim i szybko narastającym impulsie, tak aby osiągnąć próg akcji laserowej zanim znaczna liczba cząstek przejdzie do stanów T1. Ponieważ pompowanie optyczne barwnika powoduje w nim pewne zmiany, barwnik zużyty powinien być wymieniany przez szybkie przepompowywanie go z dużych zasobników. Ciągłą akcję laserową uzyskuje się znacznie trudniej, np.: przez wzbudzenie barwnika (wiązką światła lasera argonowego o działaniu ciągłym) przepływającego odpowiednio uformowaną strugą przez kuwetę, która znajduje się w rezonansie optycznym. Duża szerokość pasma fluorescencji barwnika umożliwia przestrajanie lasera. Tym celu w rezonatorze optycznym umieszcza się element dyspersyjny, np.: odbiciową siatkę dyfrakcyjną, pryzmat lub interferometr Fabry`ego - Perota. Taki element zapewnia dobre warunki generacji fali świetlnej, czyli dużą dobroć rezonatora, tylko dla jej wąskiego przedziału widmowego. W przypadku zastosowania pryzmatu (patrz rysunek 2a) rezonator wzmacnia wiązkę o takiej długości fali, dla której kąt padania na ścianę pryzmatu jest kątem Brewstera. W przypadku zastosowania siatki dyfrakcyjnej (patrz rysunek 2b), którą umieszcza się zamiast jednego zwierciadła, akcja laserowa odbija się tylko dla wiązki odbitej przez siatkę dokładnie wzdłuż osi rezonatora. Przy określonym położeniu siatki warunek ten jest spełniony tylko dla jednej długości fali i tylko taką falę może laser emitować. Przez obrót siatki (pryzmatu) uzyskuje się płynną zmianę częstotliwości generowanej fali świetlnej, w granicach określonych przez szerokość pasma fluorescencji barwnika.
Najsubtelniejsze strojenie lasera barwnikowego uzyskuje się z pomocą interferometru Fabry`ego - Perota.

Rezonator Fabry – Perota (patrz rysunek powyżej) składa się z dwu odbijających lustrzanych płaszczyzn 1 i 2. Promieniowanie o natężeniu Ioe jest emitowane w środku wnęki w kierunku płaszczyzny 1. Część promieniowania jest odbijana od tej płaszczyzny w kierunku płaszczyzny 2, a po odbiciu od niej kierowana z powrotem do źródła. Prąd przepływający przez złącze, przy którym wzmocnienie układu osiąga wartość wystarczającą do tego, aby skompensować straty promieniowania w rezonatorze, nazywa się prądem progowym ITO.

Transmisja promieniowania bardzo silnie zależy od długości fali. Szerokość linii widmowej światła emitowanego przez laser barwnikowy jest większa niż dla lasera gazowego. Wynika to z fluktuacji częstotliwości generowanej fali świetlnej, związanych z mechanizmem zjawisk zachodzących w barwniku. Jednym z ważniejszych osiągnięć technologii lasera barwnikowego jest zastosowanie barwnika w fazie gazowej zamiast roztworu ciekłego. Można wówczas wzbudzić barwnik na drodze wywoływań elektrycznych, co znacznie poprawia wydajność i zwęża linię widmową fali świetlnej. Takie cechy, jak: przestrajalność, możliwość uzyskania bardzo dużej mocy impulsu (rzędu setek MW) oraz zastosowania lasera barwnikowego w wielu dziedzinach, a przede wszystkim w spektroskopii laserowej.

Laser gazowy - laser o pracy ciągłej lub impulsowej, w którym ogniskiem czynnym jest gaz, para lub ich mieszanina. Rozróżnia się lasery gazowe: atomowe, w których ośrodkiem czynnym są atomy gazów szlachetnych; jonowe, w których ośrodkiem czynnym są jony gazów szlachetnych; cząsteczkowe, w których ośrodkiem czynnym są cząsteczki gazów lub par metali. Laser gazowy ma zazwyczaj postać rury wyładowczej wypełnionej mieszaniną gazów, którą umieszcza się wewnątrz rezonatora optycznego (patrz rysunek 3).Światło przebiegające wielokrotnie długość rezonatora, przechodząc przez okienka rury nachylone pod kątem Brewstera ulega polaryzacji liniowej. Takie ustawienie okienek w dużym stopniu zmniejsza odbicie promieniowania (straty) przy przejściu przez okienko, przy czym jest wymagana płaska powierzchnia okienek (z dokładnością około 0,1-

0,03l; l - długość fali generowanego promieniowania) oraz ich równoległość (rzędu kilku sekund kątowych). Wzbudzenie gazu osiąga się metodą wyładowań elektrycznych, najczęściej prądem stałym. Odwrócenie obsadzeń poziomów energetycznych, między którymi zachodzić ma akcja laserowa, uzyskuje się w wyniku niesprężystych zderzeń międzyatomowych lub zderzeń atomów (jonów) z elektronami.

Lasery gazowe mogą pracować zarówno w sposób ciągły, jak i impulsowo. Promieniowanie generowane przez laser gazowy o pracy ciągłej odznacza się wyjątkowo dużą monochromatycznością (szerokość linii widmowej może być nawet rzędu kilkudziesięciu kHz).

Najczęściej stosuje się lasery gazowe: helowo-neonowy (He-Ne), o długości generowanego promieniowania l = 362,8 nm; argonowy, l = 514,5 nm i 488 nm; CO2, l = 10,6 nm.
Laser krystaliczny - laser na ciele stałym; w którym ośrodek optycznie czynny jest kryształem (Al2O3, CaF2, YAG) domieszkowanym jonami pierwiastków ziem rzadkich (Nd3+, Er3+) lub żelazowców (Cr3+, Ni2+). Najbardziej rozpowszechniony laser krystaliczny to laser rubinowy (Al2O3) domieszkowany jonami Cr3+ (0,035 %), w którym do pompowania optycznego jest stosowana błyskowa lampa ksenonowa. Syntetyczny rubin w postaci walca z dokładnie płaskimi i równoległymi podstawami stanowi rezonator optyczny, w którym światło jest wzmocnione w wyniku wielokrotnych odbić. Stosuje się też niekiedy zewnętrzne zwierciadła płaskie, przy czym jedno jest częściowo przepuszczalne i służy jako wyjście wiązki laserowej. Praca lasera rubinowego jest impulsowa, z czasem trwania impulsu rzędu 10-3 s i energią do kilku dżuli. W laserach krystalicznych o tzw. modulowanej dobroci jest możliwe wytworzenie bardzo krótkich impulsów o czasie trwania kilku ns i mocy jednego GW.

Laser półprzewodnikowy -laser, w którym substancją czynną jest półprzewodnik (najczęściej arsenek galu lub jego stop z aluminium AlGaAs w postaci diody n-p.). Nośniki ładunku (dziury i elektrony) wprowadzone w obszar złącza rekombinują wysyłając promieniowanie, a wypolerowane boczne ścianki kryształów tworzą rezonator optyczny tego promieniowania. Głównymi zaletami lasera półprzewodnikowego są: małe wymiary, prostota konstrukcji i łatwość modulacji promieniowania, co powoduje, że lasery półprzewodnikowe znajdują zastosowanie w układach logicznych i telekomunikacji światłowodowej.

Budowę i charakterystykę lasera półprzewodnikowego przedstawiają poniższe rysunki.

Laser ramanowski - laser w którym spójne promieniowanie wytwarza się dzięki wymuszonemu zjawisku Ramana w substancji umieszczonej w rezonatorze lasera wzbudzającego. Umożliwia to uzyskanie wielu nowych linii widmowych światła, które ma własności promieniowania laserowego, o częstotliwości n odpowiednio przesuniętych względem częstotliwości promieniowania n0 lasera wzbudzającego: n = n0 m knR, gdzie:nR to częstotliwość drgań własnych danej substancji, k = 1,2,3,...,.