Budowa lasera

Wydział Elektrotechniki
Informatyki i Telekomunikacji


Budowa działanie
i zastosowanie lasera


Zielona Góra 2004

Chcąc poznać zasadę działania lasera musimy cofnąć się do roku 1917, kiedy to znany fizyk Albert Einstein rozważając warunki równowagi między promieniowaniem i świecącym ciałem, w celu wyprowadzenia wzoru Plancka opisującego widmo ciała doskonale czarnego, postuluje występowanie odwrotnego procesu do absorpcji. Jest nim emisja, ale nie spontaniczna (samorzutna) (Rys.1) niezależna od promieniowania, lecz emisja stymulowana (wymuszona) przez fotony.


Rys.1 Schematyczne przedstawienie emisji samorzutnej

Foton wyemitowany spontanicznie przez jeden z atomów napotykając na swej drodze innym wzbudzony atom powoduje przejście atomu do stanu podstawowego i tym samym wypromieniowanie drugiego identycznego fotonu. Oba fotony wymuszony i wymuszający, rozprzestrzeniają się w tym samym kierunku, z tą samą częstotliwością i w zgodnej fazie(Rysunek2.) Emisja spowodowana oddziaływaniem fotonów na atomy wzbudzone nazywamy emisją wymuszoną


Rys.2 Schematyczne przedstawienie emisji wymuszonej

Należy podkreślić, że emisję może wymusić tylko taki foton, jaki zostałby wyemitowany przez wzbudzony atom, przechodzący samorzutnie na niższy poziom energetyczny. Emisja wymuszona jest, więc zjawiskiem rezonansowym.
W sprzyjających warunkach do biegnących obok siebie fotonów może dołączyć trzeci, czwarty, itd. Wiązka promieniowania powstała w wyniku kolejnych aktów emisji wymuszonej przez wzbudzony układ atomów może być wykorzystana do monochromatycznej, spójnej, słabo rozbieżnej wiązki promieniowania, jeśli będą spełnione odpowiednie warunki. Dzięki temu odkryciu w ciągu następnych lat nastąpiła prawdziwa rewolucja technologiczna, a energie świetlną zaczęto wykorzystywać na niespotykaną dotychczas skale. W 1960 roku amerykański fizyk Teodor MAIMAN skonstruował urządzenie, które przyjęło nazwę od pierwszych liter angielskiej nazwy Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER), co w wolnym tłumaczeniu oznacza „wzmocnienie światła przez wymuszoną emisję promieniowania. Skonstruowanie lasera poprzedziły badania emisji wymuszonej w zakresie mikrofalowym. Zasada pracy lasera została opracowana w 1958 przez A.L. Schawlowa i Ch.H. Townesa.



rys.3 Ogólny schemat klasycznego lasera


LASER- urządzenie generujące lub wzmacniające spójne w zakresie widmowym zawartym między daleką podczerwienią a nadfioletem.


Rys.4 Widmo promieniowania elektromagnetycznego

Zasada działania lasera jest oparta na wymuszonej emisji promieniowania elektromagnetycznego zachodzącej w układach atomów, jonów lub cząsteczek doprowadzonych przez tzw. pompowanie (wzbudzanie) do stanu inwersji obsadzeń odpowiednich poziomów energetycznych.
stan inwersji — to stan, w którym na górnym poziomie przejścia laserowego jest znacznie więcej centrów aktywnych niż na poziomie dolnym; energie układu w laserach osiąga się poprzez tzw. pompowanie optyczne (dostarczenie atomowi kwantu (fotonu) światła) lub za pomocą prądu elektrycznego.
Światło jest falą elektromagnetyczną powstającą, gdyż elektrony, krążące wokół jąder atomowych tracą porcje (kwanty energii). Elektrony krążą po ściśle określonych orbitach i stracie energii towarzyszy przejście z orbity zewnętrznej, o wyższej energii na wewnętrzną o energii niższej. Przy okazji emitowany jest kwant światła, czyli owa nadwyżka energii. Aby doszło do emisji fotonu, atom musi zostać wpierw wzbudzony, jego elektrony muszą znaleźć się na zewnętrznych orbitach. Można tego dokonać poprzez ogrzewanie, bombardowanie elektronami, umieszczając atomy w polu elektrycznym o dużym natężeniu lub bombardując atomy kwantami światła. Podczas wzbudzania atomu, jego elektrony absorbują energię i przeskakują na orbity zewnętrzne.
W zwykłych warunkach powrót na orbitę podstawową i związana z tym emisja fotonu zachodzi w sposób przypadkowy i nie jest w żadnym stopniu związana z zachowaniem się innych elektronów czy atomów. Mamy wówczas do czynienia z emisją spontaniczną (rys.5). Natomiast laser wykorzystuje zjawisko emisji wymuszonej (opisanej na wstępie) W laserze większość atomów znajduje się w stanie wzbudzonym, więc liczba emitowanych fotonów narasta lawinowo w następujących po sobie procesach tejże emisji. W rezultacie otrzymuje się strumień spójnego światła o stosunkowo dużym natężeniu. (Rys.6)


Rys.5 Przykład emisji spontanicznej



Rys.6 Przykład emisji wymuszonej

Laser jest generatorem światła to znaczy, że zanim promień świetlny opuści laser zostaje wzmocniony. Niewielki własny sygnał obiega urządzenie tam i z powrotem, zwiększając coraz bardziej swoją energię. Na wyjściu urządzenia pewna część wzmocnionego sygnału opuszcza je, pozostała jest zawracana (przez tzw. układ sprzężenia zwrotnego) w kierunku wejścia. I tak dzieje się przez cały czas pracy: wzmocnienie, podział zawracanie, wzmocnienie, podział, itd. Przy odpowiedniej konstrukcji sygnał będzie z każdym obiegiem coraz silniejszy, aż ustawi się na pewnym stałym poziomie. (Przykład powstawania akcji laserowej przedstawia poniższy schemat; (schemat pochodzi ze strony www.myzlab.qs.pl )

Głównymi elementami lasera są: ośrodek czynny (osnowa z zawartymi w niej atomami lub jonami laserującymi), źródło pompujące oraz rezonator optyczny (w generatorze); rezonator umożliwia wytworzenie promieniowania monochromatycznego w postaci wiązki o niewielkiej średnicy i rozbieżności (od ok. 1 s do kilkunastu minut kątowych); promieniowanie to charakteryzuje się spójnością przestrzenną i czasową oraz dużym natężeniem; długość fali promieniowania zależy od właściwości rezonatora i ośrodka czynnego; moc promieniowania wynosi: przy generacji ciągłej — od kilku miliwatów do setek kilowatów, przy generacji impulsowej — od kilku watów do kilku terawatów. Lasery klasyfikuje się zwykle wg rodzajów osnowy.


Lasery*
Rodzaj lasera
Ośrodek czynny
Długość fali w μm Moc lub energia Typ pracy Rodzaj pompowania
Argonowy
Ar 0,4880
0,5145 Do ok. 1 kW Ciągła Wyładowanie elektryczne w ośrodku czynnym
Azotowy
N2 0,337 Kilka mJ Impulsowa Impulsowe wyładowania w ośrodku czynnym
Barwnikowy
rodamina 0,2-1,0 Do około 1 W Impulsowa
lub ciągła Światło z lampy wyładowczej lub lasera
Helowo- Neonowy
He-Ne Mieszanina
He i Ne 0,63
1,153
3,39 Do ok. 1 W typowa ok. 40 mW Ciągła Wyładowanie elektryczne w ośrodku czynnym
Molekularny
CO2 CO2 z domieszką
He i N2 10,6 Do ok. 90 kW ciągła Wyładowanie elektryczne w ośrodku czynnym
Neodymowy
Nd:YAG Kryształ granatu
z domieszką Nd3+ 1,064 Ok. 1 kW Impulsowa
lub ciągła Światło lampy wyładowczej lub diody półprzewodnikowej
Rodzaj lasera
Ośrodek czynny
Długość fali w μm Moc lub energia Typ pracy Rodzaj pompowania
Półprzewodnikowy
Monokryształ półprzewodnikowy np. GaAs ze złączem p-n 0,670
0,830 Ok. 20 mW
Ok. 5 W ciągła Prąd elektryczny płynący przez złącze p-n
Rubinowy
Monokryształ korundu z domieszką Cr3+ 0,69 Ok. 100J Impulsowa Światło z lampy wyładowczej
Tytanowy
Ti:szafir
Korund z domieszką Ti 0,7 – 1,1 Ok. 100mJ
Do ok. 800mW Impulsowa
lub ciągła Światło z lasera
*Tabela opublikowana w Nowej Encyklopedii Powszechnej PWN tom 3 Warszawa 1998

W laserze na ciele stałym w postaci kryształu dielektrycznego lub szkła optycznego centrami czynnymi są zwykle jony pierwiastków z grupy lantanowców lub żelazowców; ośrodek czynny ma kształt walca długości od kilku do kilkudziesięciu cm i średnicy od kilku do kilkudziesięciu mm; do najczęściej stosowanych należą: laser rubinowy, neodymowy i tytanowy.

Budowa lasera rubinowego

Substancją czynną jest kryształ korundu z domieszką jonów chromu, pompowany optycznie fleszem, pracują impulsowo, emitują światło czerwone o długości fali λ = 694,3 nm, posiada znaczenie głównie historyczne


Rys 7. Podstawowy schemat budowy lasera rubinowego

Lasery gazowe — należą do nich: laser helowo-neonowy, laser argonowy, laser molekularny najczęściej stosowane w medycynie

Budowa lasera helowo- neonowy
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, wykonywana jest na ogół w postaci krótkiego pręta molibdenowego. 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.

Rys 8. Podstawowy schemat budowy lasera He-Ne: R – rura laserowa, A – anoda, K – katoda, B – okienko Brewstera, Z0 – zwierciadło całkowicie odbijające, ZT –zwierciadło transmisyjne

Laser argonowy
Wypełnione argonem, emitują światło o kilku długościach fali: od 457,9 nm do 514,5 nm, ma zastosowania badawcze i do pompowania laserów barwnikowych

Lasery cieczowe (w tym barwnikowe) — pozwalają na ciągłą zmianę długości fali w zakresie widzialnym, w podczerwieni i nadfiolecie.
W laserach barwnikowych substancją czynną jest przepływająca, laminarna struga roztworu zawierającego barwnik organiczny, np. rodaminę, pompowane optycznie laserem argonowym, kryptonowym lub neodymowym, charakteryzują się przestrajaną w szerokim zakresie długością emitowanej fali świetlnej, zastosowania badawcze.
Lasery półprzewodnikowe — Laser oparty na półprzewodniku, rodzaj diody luminescencyjnej o dużej wydajności (nośniki ładunku - dziury i elektrony - zostają wstrzyknięte w obszar złącza, rekombinują wysyłając promieniowanie rezonowane optycznie przez wypolerowany kryształ). Obecnie są produkowane półprzewodnikowe diody świecące o barwie czerwonej, pomarańczowej, żółtej, zielonej, a nawet niebieskiej, oraz diody pracujące w podczerwieni. Pierwsze diody świecące w paśmie niebieskim powstały w 1995 a ich twórcą był Shuji Nakamura z Nichia Chemical Industries Ltd. w Japonii. Półprzewodnikiem emitującym światło w takich diodach może być azotek galu osadzony na podłożu szafirowym, węglik krzemu lub azotek galu osadzony na węgliku krzemu. W 2001 zespół polskich naukowców pod kierunkiem S. Porowskiego z Centrum Badań Wysokociśnieniowych Polskiej Akademii Nauk, jako druga grupa naukowców w Europie, skonstruował półprzewodnikową diodę laserową na strukturach opartych o azotek galu, emitującą światło niebieskie o długości fali 425 nm. Zespół opracował technologię uzyskiwania monokryształów azotku galu w warunkach bardzo wysokich ciśnień

Rys.9Podstawowy schemat lasera półprzewodnikowego

Lasery te znalazły zastosowanie w wielu dziedzinach nauki i techniki:
a) w technologii materiałów (precyzyjne cięcie, spawanie i wiercenie trudno topliwych materiałów, dynamiczne wyważanie, zautomatyzowane cięcie papieru, tkanin, tworzyw sztucznych itp.);
b) do precyzyjnych pomiarów długości, odległości, pułapu chmur, stopnia zanieczyszczeń atmosfery, szybkości przepływu, prędkości ruchu obrotowego (giroskop optyczny ) itp.;
c) do sterowania pracą maszyn roboczych, wytyczania torów wodnych w portach, chodników w kopalniach, do precyzyjnego pozycjonowania złożonych konstrukcji;
d) w medycynie i biologii (mikrochirurgiczne zabiegi okulistyczne, bezkrwawe zabiegi chirurgiczne, oczyszczanie zębów z próchnicy, usuwanie naczyniaków, zabiegi kosmetyczne);
e) do zapisywania i odtwarzania dźwięków i obrazów
(gramofon cyfrowy, magnetowid);
f) w technice wojskowej (pomiar odległości, sterowanie bombami i pociskami, oświetlanie, specjalne metody rozpoznania i fotografowania; g) w holografii;
h) w technologii chemicznej;
i) w telekomunikacji optycznej (łącze laserowe, telekomunikacja światłowodowa).

Użycie laserów zrewolucjonizowało spektroskopię atomową i cząsteczkową i powiększyło m.in. dokładność pomiarów stałych atomowych, a przez to i uniwersalnych stałych fizycznych. Do badania ultraszybkich procesów i reakcji chemicznych w układach molekularnych i w fizyce ciała stałego służą impulsy światła o czasie trwania rzędu pikosekund, otrzymywane w układach laserowych tzw. metodą synchronizacji modów. Impulsy takie po zogniskowaniu mają gęstość mocy do 1016 W/cm2; trwają prace nad impulsami jeszcze krótszymi femtosekundowymi (rzędu 10–15 s), które otrzymuje się przez skracanie impulsów pikosekundowych. Lasery przyczyniły się do odkrycia i zbadania wielu zjawisk (m.in. bistabilności optycznej, wymuszonej przezroczystości ośrodka, generacji harmonicznych światła, wymuszonego rozpraszania światła), a także spowodowały rozwój nowych dziedzin nauki, takich jak elektronika kwantowa, optyka nieliniowa, holografia, optoelektronika i in. Rozwój techniki laserowej zmierza m.in. w kierunku: uzyskania większych mocy i energii promieniowania, zwiększenia sprawności i niezawodności działania, uzyskania promieniowania spójnego w zakresie rentgenowskim, zastosowania w trójwymiarowym filmie i telewizji oraz do realizowania kontrolowanej syntezy termojądrowej.
Duże nadzieje wiąże się z laserami elektronowymi, w których spójne promieniowanie o dużej mocy wysyła hamowana w polu magnetycznym wiązka elektronów przyspieszonych do prędkości relatywistycznych (bliskich prędkości światła).
Krótka historia laserów
Często podaje się datę 1954 r jako datę skonstruowania pierwszego wzmacniacza kwantowego
Pierwszy laser (rubinowy) zbudował w 1960 r. Theodore Maiman, ośrodkiem czynnym był kryształ korundu domieszkowany chromem- rubin
W roku kolejnym Snitzer uruchomił laser na bazie szkła neodymowego a w roku 1964 Gaisik i Karkos skonstruowali laser na bazie granatu itrowo- glinowego domieszkowanego neodymem.
W tym samym roku zbudowany został pierwszy laser półprzewodnikowy z pompowaniem diodowym.
W latach 1967-69 Bagdasarow i Kamiński zbudowali laser na bazie kryształu perowskitu- itrowo- glinowego domieszkowanego neodymem, a Homer Linz i Gable wykorzystali fluorek litowo- itrowy (YLF)
Kilka lat później (w 1979 roku) skonstruowano laser z przestrajaniem częstotliwości na krysztale aleksandrytu, a w roku 1982 Moulton zaprezentował laser na bazie tikoru.
12 grudnia 2001 roku W Centrum Badań Wysokociśnieniowych PAN po raz pierwszy zaświecił niebieski laser półprzewodnikowy z azotku galu. Był to drugi półprzewodnikowy laser niebieski w Europie. Był to również pierwszy na świecie laser bez dyslokacji,, to znaczy bez takich defektów strukturalnych, które uniemożliwiają uzyskanie dużej mocy promieniowania.



Literatura

1. Fizyka dla Liceum ogólnokształcącego Praca zbiorowa pod redakcją Maksymiliana Piłata Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne Warszawa (1992)
1. Życie Świata Wydawnictwo POLSKIE MEDIA AMER.COM
2. Świat Wiedzy
3. Jak to działa? Wydawnictwo Przegląd Reader’s Digest Warszawa (1998)
4. Encyklopedia PWN Wydawnictwo Naukowe PWN Warszawa (1998)
5. Multimedialna Encyklopedia PWN Wydawnictwo Naukowe PWN Warszawa (1998)
6. WIKIPEDIA internetowa Encyklopedia