Lasery

Laser - ( light amplification by stimulated emission of radiation – wzmacnianie swiatla przez wymuszona emisje promieniowania ) – generator kwantowy optyczny ; generator spójnego promieniowania elektromagnetycznego z zakresu widma od nadfioletu do dalekiej podczerwieni. W dzialaniu lasera wykorzystano zjawisko wzmocnienia promieniowania przez emisje wymuszona w osrodku , w którym nastapilo odwrócenie ( inwersja ) obsadzen.

Zasadniczymi elementami lasera sa : osrodek czynny ( aktywny ) , rezonator optyczny i uklad pompujacy. Uklad pompujacy wytwarza w osrodku czynnym , umieszczonym wewnatrz rezonatora optycznego , odwrócenie obsadzen. Rezonator jest zbudowany z dwu równoleglych , plaskich lub sferycznych zwierciadel o duzym wspólczynnik odbicia i mozliwie znikomej absorpcji. W praktyce stosuje sie wielowarstwowe lustra dielektryczne , które skladaja sie z nieparzystej liczby na przemian ulozonych warstw dielektryków o duzym i malym wspólczynniku zalamania i grubosci l/4 ( l - dlugosc fali generowanego promieniowania ). Zwierciadla nalezy ustawic w odleglosci L=kl/2n ( gdzie n – to wspólczynnik zalamania osrodka , a k – to liczba calkowita ) , poniewaz wytwarza sie wówczas w rezonatorze fala stojaca. Fotony poczatkowe promieniowania spontanicznego , których wektor falowy jest równolegly do osi optycznej zwierciadel , przebiegaja wielokrotnie droge miedzy nimi i wymuszaja promieniowanie innych atomów osrodka czynnego . Jezeli wzmocnienie promieniowania przekroczy wartosc strat , to w rezonatorze optycznym uzyskuje sie generacje promieniowania . Wyprowadzenie wiazki generowanego promieniowania nastepuje przez jedno ze zwierciadel , którego wspólczynnik transmisji promieniowania D a 0 . Poniewaz przejscie z nizszych poziomów wzbudzenia do stanu podstawowego zachodzi srednio w czasie 10-8 s ( taki jest bowiem czas zycia tych poziomów ) , a w atomach neonu w skutek zderzen z atomami helu wzbudzone sa poziomy wyzsze , wiec w obszarze wypelnionym atomami neonu ciagle jest spelniony warunek inwersji obsadzen . Na rysunku a) ( ponizej ) atomy Ne lasera , znajdujace sie w obszarze czynnym zostaly wzbudzone na wyzsze poziomy energetyczne . Zostaly one zaznaczone na rysunku czerwonymi kropkami . Przypadkowa natomiast emisja promieniowania z atomów neonu prowadzi do powstania szeregu lawin . Proces ten zwiazany z emisja wymuszona zostal zilustrowany na rysunku b) (ponizej) . Znaczna czesc lawin ulega zerwaniu po wyjsciu z obszaru wypelnionego mieszanina gazów , a jedynie lawiny fotonów rozwijajace sie wzdluz osi x prowadza do gwaltownego wzmocnienia natezenia promieniowania , które przez pólprzezroczyste zwierciadlo moze wyjsc na zewnatrz patrz rysunki c) , d) , e) , - ponizej . Naturalnie proces ten trwa w sposób ciagly , bowiem caly czas zewnetrzne pole elektryczne o wysokiej czestotliwosci powoduje wzbudzenie atomów helu na wyzsze poziomy energetyczne .

Swiatlo wysylane przez laser cechuje duza spójnosc i monochromatycznosc , oprócz tego jest ono w duzym stopniu skolimowane , co zapewnia uzyskanie duzej gestosci powierzchniowej mocy emitowanego promieniowania , rzedu 106 GW/cm2 . Szerokosc linii widmowych promieniowania emitowanego przez laser moze byc mniejsza od szerokosci naturalnej linii widmowej.

Ze wzgledu na rodzaj osrodka czynnego rozróznia sie lasery gazowe , cieczowe ( laser barwnikowy ) , krystaliczne ( laser rubinowy ) lub tez szklane ( laser neodymowy ) . Ze wzgledu na charakter pracy lasery mozna podzielic na pracujace w sposób ciagly ( CW – continuous work ) oraz impulsowo ( P – pulse ) . Lasery impulsowe umozliwiaja uzyskanie olbrzymich mocy swiatla ( ultrakrótkich impulsów gigantycznych ) . Uklady laserowe z zastosowaniem nieliniowych zjawisk optycznych umozliwiaja otrzymanie wtórnych laserów , emitujacych swiatlo o dlugosci fali odpowiednio przetworzonej ( laser ramanowski , powielanie czestotliwosci swiatla ) . Lasery sa stosowane w nowoczesnej telekomunikacji ( lacznosc satelitarna kosmiczna ) , lokacji i nawigacji ( lidar ) , w miernictwie i kontroli ( interferometryczne kalibratory laserowe ) , technologii ( precyzyjna mikroobróbka materialów ) , w medycynie i biologii ( lancet swietlny , mikropunkcja komórki ) , w elektronicznej technice obliczeniowej w holografii i fotografii ( fotografia ultraszybka , fotografia we mgle ) , w sejsmografii oraz w technice wojskowej . Lasery duzej mocy sa stosowane do wytwarzania wysokotemperaturowej plazmy , w której moze zachodzic mikrosynteza jadrowa ( spektroskopia laserowa ) .

Laser , pompowanie – wzbudzanie atomów lub jonów substancji czynnej lasera do poziomów metatrwalych . Energia tych poziomów jest nastepnie wykorzystywana do emisji wymuszonej przez prom. sterujace laserem i przez sama emisje wymuszona . W laserach jest stosowane pompowanie optyczne lub pompowanie pradowe . Pompowanie optyczne polega na wykorzystaniu , jako zródla energii wzbudzajacej , lamp wyladowczych wytwarzajacych blyski swiatla , które sa pochlaniane przez jony substancji czynnej w laserach krystalicznych , szklanych lub cieczowych .Pompowanie pradowe polega na wykorzystaniu energii pradu elektrycznego przeplywajacego przez substancje czynna lasera. W laserach gazowych pompowanie pradowe polega na wywolaniu jonizacji gazu przez wyladowanie o wysokiej czestotliwosci (pompowanie jonowe).W laserach pólprzewodnikowych pompowanie pradowe polega na jednokierunkowym wprowadzeniu swobodnych nosników ladunku w zlacze p-n (pompowanie indukcyjne) lub na bombardowaniu zlacza wiazka szybkich elektronów.

Laser barwnikowy – laser o pracy ciaglej lub impulsowej umozliwiajacy ciagla zmiane dlugosci fali w zakresie 0,35-1,3 mikrometra przez zastosowanie w nim jako osrodka czynnego kolejno róznych barwników. Barwniki sa skomplikowanymi zwiazkami organicznymi silnie pochlaniajacymi swiatlo w obszarze widzialnym , np. : fluoresceina i rodamina ( fluorescencja ) . W typowym schemacie poziomów energetycznych barwnika wystepuja dwa rodzaje stanów elektronowych : singletowe S i trypletowe T

Drgania i rotacje czasteczki powoduja rozczepienie kazdego poziomu elektronowego na wiele poziomów oscylacyjnych i rotacyjnych , które sa ulozone tak gesto ze tworza niemal ciagle pasma energetyczne (widmo czasteczkowe).

Emisja promieniowania laserowego odbywa sie podczas przejsc wymuszonych do poziomów stanu S0 z najnizszych poziomów S1 ( o czasie zycia rzedu 10-9 s ), które sa obsadzone w skutek bezpromienistych przejsc z wyzszych poziomów S1 ( wzbudzanych bezposrednio dzieki absorbcji swiatla pompujacego ). Do wzbudzenia barwnika uzywa sie specjalnych lamp blyskowych lub laserów impulsowych , np.: azotowych , o blysku krótkim i szybko narastajacym impulsie , tak aby osiagnac próg akcji laserowej zanim znaczna liczba czastek przejdzie do stanów T1. Poniewaz pompowanie optyczne barwnika powoduje w nim pewne zmiany , barwnik zuzyty powinien byc wymieniany przez szybkie przepompowywanie go z duzych zasobników. Ciagla akcje laserowa uzyskuje sie znacznie trudniej , np.: przez wzbudzenie barwnika ( wiazka swiatla lasera argonowego o dzialaniu ciaglym ) przeplywajacego odpowiednio uformowana struga przez kuwete , która znajduje sie w rezonansie optycznym. Duza szerokosc pasma fluorescencji barwnika umozliwia przestrajanie lasera. Tym celu w rezonatorze optycznym umieszcza sie element dyspersyjny , np.: odbiciowa siatke dyfrakcyjna , pryzmat lub interferometr Fabry`ego - Perota. Taki element zapewnia dobre warunki generacji fali swietlnej , czyli duza dobroc rezonatora , tylko dla jej waskiego przedzialu widmowego. W przypadku zastosowania pryzmatu
rezonator wzmacnia wiazke o takiej dlugosci fali , dla której kat padania na sciane pryzmatu jest katem Brewstera. W przypadku zastosowania siatki dyfrakcyjnej ( patrz rysunek 2b ) , która umieszcza sie zamiast jednego zwierciadla , akcja laserowa odbija sie tylko dla wiazki odbitej przez siatke dokladnie wzdluz osi rezonatora. Przy okreslonym polozeniu siatki warunek ten jest spelniony tylko dla jednej dlugosci fali i tylko taka fale moze laser emitowac. Przez obrót siatki ( pryzmatu ) uzyskuje sie plynna zmiane czestotliwosci generowanej fali swietlnej , w granicach okreslonych przez szerokosc pasma fluorescencji barwnika.
Najsubtelniejsze strojenie lasera barwnikowego uzyskuje sie z pomoca interferometru Fabry`ego - Perota .
Rezonator Fabry – Perota ( patrz rysunek powyzej ) sklada sie z dwu odbijajacych lustrzanych plaszczyzn 1 i 2 . Promieniowanie o natezeniu Ioe jest emitowane w srodku wneki w kierunku plaszczyzny 1 . Czesc promieniowania jest odbijana od tej plaszczyzny w kierunku plaszczyzny 2 , a po odbiciu od niej kierowana z powrotem do zródla . Prad przeplywajacy przez zlacze , przy którym wzmocnienie ukladu osiaga wartosc wystarczajaca do tego , aby skompensowac straty promieniowania w rezonatorze , nazywa sie pradem progowym ITO .
Transmisja promieniowania bardzo silnie zalezy od dlugosci fali. Szerokosc linii widmowej swiatla emitowanego przez laser barwnikowy jest wieksza niz dla lasera gazowego. Wynika to z fluktuacji czestotliwosci generowanej fali swietlnej , zwiazanych z mechanizmem zjawisk zachodzacych w barwniku. Jednym z wazniejszych osiagniec technologii lasera barwnikowego jest zastosowanie barwnika w fazie gazowej zamiast roztworu cieklego. Mozna wówczas wzbudzic barwnik na drodze wywolywan elektrycznych , co znacznie poprawia wydajnosc i zweza linie widmowa fali swietlnej. Takie cechy , jak : przestrajalnosc , mozliwosc uzyskania bardzo duzej mocy impulsu ( rzedu setek MW ) oraz zastosowania lasera barwnikowego w wielu dziedzinach , a przede wszystkim w spektroskopii laserowej.

Laser gazowy - laser o pracy ciaglej lub impulsowej , w którym ogniskiem czynnym jest gaz , para lub ich mieszanina. Rozróznia sie lasery gazowe: atomowe , w których osrodkiem czynnym sa atomy gazów szlachetnych ; jonowe , w których osrodkiem czynnym sa jony gazów szlachetnych ; czasteczkowe , w których osrodkiem czynnym sa czasteczki gazów lub par metali. Laser gazowy ma zazwyczaj postac rury wyladowczej wypelnionej mieszanina gazów , która umieszcza sie wewnatrz rezonatora optycznego (patrz rysunek 3 ).Swiatlo przebiegajace wielokrotnie dlugosc rezonatora , przechodzac przez okienka rury nachylone pod katem Brewstera ulega polaryzacji liniowej. Takie ustawienie okienek w duzym stopniu zmniejsza odbicie promieniowania ( straty ) przy przejsciu przez okienko , przy czym jest wymagana plaska powierzchnia okienek ( z dokladnoscia okolo 0,1- 0,03l ; l - dlugosc fali generowanego promieniowania ) oraz ich równoleglosc ( rzedu kilku sekund katowych ) . Wzbudzenie gazu osiaga sie metoda wyladowan elektrycznych , najczesciej pradem stalym. Odwrócenie obsadzen poziomów energetycznych , miedzy którymi zachodzic ma akcja laserowa , uzyskuje sie w wyniku niesprezystych zderzen miedzyatomowych lub zderzen atomów ( jonów ) z elektronami.
Lasery gazowe moga pracowac zarówno w sposób ciagly , jak i impulsowo. Promieniowanie generowane przez laser gazowy o pracy ciaglej odznacza sie wyjatkowo duza monochromatycznoscia ( szerokosc linii widmowej moze byc nawet rzedu kilkudziesieciu kHz ).
Najczesciej stosuje sie lasery gazowe : helowo-neonowy ( He-Ne ) , o dlugosci generowanego promieniowania l = 362,8 nm ; argonowy , l = 514,5 nm i 488 nm ; CO2 , l = 10,6 nm .

Laser krystaliczny - laser na ciele stalym ; w którym osrodek optycznie czynny jest krysztalem ( Al2O3 , CaF2 , YAG ) domieszkowanym jonami pierwiastków ziem rzadkich ( Nd3+ , Er3+ ) lub zelazowców (Cr3+ , Ni2+ ). Najbardziej rozpowszechniony laser krystaliczny to laser rubinowy ( Al2O3 ) domieszkowany jonami Cr3+ ( 0,035 % ) , w którym do pompowania optycznego jest stosowana blyskowa lampa ksenonowa. Syntetyczny rubin w postaci walca z dokladnie plaskimi i równoleglymi podstawami stanowi rezonator optyczny , w którym swiatlo jest wzmocnione w wyniku wielokrotnych odbic. Stosuje sie tez niekiedy zewnetrzne zwierciadla plaskie , przy czym jedno jest czesciowo przepuszczalne i sluzy jako wyjscie wiazki laserowej. Praca lasera rubinowego jest impulsowa , z czasem trwania impulsu rzedu 10-3 s i energia do kilku dzuli. W laserach krystalicznych o tzw. modulowanej dobroci jest mozliwe wytworzenie bardzo krótkich impulsów o czasie trwania kilku ns i mocy jednego GW.

Laser pólprzewodnikowy -laser , w którym substancja czynna jest pólprzewodnik ( najczesciej arsenek galu lub jego stop z aluminium AlGaAs w postaci diody n-p. ). Nosniki ladunku (dziury i elektrony ) wprowadzone w obszar zlacza rekombinuja wysylajac promieniowanie , a wypolerowane boczne scianki krysztalów tworza rezonator optyczny tego promieniowania. Glównymi zaletami lasera pólprzewodnikowego sa : male wymiary , prostota konstrukcji i latwosc modulacji promieniowania , co powoduje , ze lasery pólprzewodnikowe znajduja zastosowanie w ukladach logicznych i telekomunikacji swiatlowodowej.
Budowe i charakterystyke lasera pólprzewodnikowego przedstawiaja
ponizsze rysunki .

Laser ramanowski - laser w którym spójne promieniowanie wytwarza sie dzieki wymuszonemu zjawisku Ramana w substancji umieszczonej w rezonatorze lasera wzbudzajacego. Umozliwia to uzyskanie wielu nowych linii widmowych swiatla , które ma wlasnosci promieniowania laserowego , o czestotliwosci n odpowiednio przesunietych wzgledem czestotliwosci promieniowania n0 lasera wzbudzajacego : n = n0 m knR , gdzie :nR to czestotliwosc drgan wlasnych danej substancji , k = 1,2,3,..., .





Przy tworzeniu tego referatu korzystalem z pomocy nastepujacych zródel :
· Ilustrowana encyklopedia dla wszystkich „Fizyka”
· „Fizyka” dla klasy IV technikum i liceum zawodowego
· „Elektronika” – podrecznik dla technikum