Laser - budowa, zastosowanie

Nazwa utworzona jako akronim od Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation - wzmocnienie światła poprzez wymuszoną emisję promieniowania. Jest to generator światła, wykorzystujący zjawisko emisji wymuszonej. Otrzymywane światło ma charakterystyczne właściwości, trudne lub wręcz niemożliwe do osiągnięcia w innych typach źródeł światła, mianowicie: bardzo małą szerokość linii emisyjnej, co jest równoważne bardzo dużej mocy w wybranym obszarze widma. W laserach łatwo uzyskać wiązkę spolaryzowaną, spójną w czasie i przestrzeni oraz o bardzo małej rozbieżności. W laserach impulsowych można uzyskać bardzo dużą moc w impulsie oraz szybkie narastanie impulsu.

Zasada działania

Zasadniczymi częściami lasera są: ośrodek czynny, rezonator optyczny, układ pompujący. Układ pompujący dostarcza energii do ośrodka czynnego, w ośrodku czynnym w odpowiednich warunkach zachodzi akcja laserowa, czyli kwantowe wzmacnianie (powielanie) fotonów, a układ optyczny umożliwia wybranie odpowiednich fotonów.

Ośrodek czynny

Oddziaływanie światła z materią można wyjaśnić za pomocą trzech zjawisk: pochłanianie fotonów (absorpcja), emisji spontanicznej oraz emisji wymuszonej fotonu. Foton wyemitowany w wyniku emisji wymuszonej jest spójny (ma taką samą częstotliwość, polaryzację) z fotonem wywołującym emisję. Foton wzbudzający musi mieć odpowiednią energię równą energii wzbudzenia ośrodka. Atomy w stanie podstawowym pochłaniają fotony wzbudzające (także te wyemitowane). Aby laser działał proces emisji wymuszonej musi przeważyć nad pochłanianiem. Występuje to, gdy w ośrodku jest więcej atomów w stanie wzbudzonym niż w stanie podstawowym (inwersja obsadzeń poziomów energetycznych). Uzyskanie takiego nienaturalnego stanu, w którym poziomy o wyższej energii są częściej obsadzone niż poziomy o niższej energii, utrudnia także zjawisko emisji spontanicznej powodujące, że atomy w stanie wzbudzonym pozostają bardzo krótko przechodząc szybko do stanu podstawowego. Niektóre atomy posiadają poziomy energetyczne metatrwałe na których elektron pozostaje znacznie dłużej (kilkaset μs, kilka ms), ale w takiej sytuacji przejście ze stanu podstawowego do wzbudzonego jest też utrudnione, co pokonuje się przez wzbudzanie atomów do poziomów o energii niewiele większej od poziomu metatrwałego. Atomy w przejściach bezpromienistych przechodzą do stanu metatrwałego. W układzie tym występują trzy poziomy energii w atomie dlatego jest on zwany trójpoziomowym. Układ trójpoziomowy jest najprostszym w którym można uzyskać inwersję obsadzeń, spotyka się też układy czteropoziomowe.
Akcja laserowa rozpoczyna się od emisji spontanicznej lub wprowadzenia fotonu inicjującego z zewnątrz. Ten pierwszy foton wywołuje emisję wymuszoną, lub może być pochłonięty. W układzie bez inwersji obsadzeń przeważa pochłanianie, a w układzie z inwersją obsadzeń emisja wymuszona.

Układ pompujący

Zadaniem układu jest przeniesienie jak największej liczby elektronów w substancji czynnej do stanu wzbudzonego. Układ musi być wydajny tak by doszło do inwersji obsadzeń. Pompowanie lasera odbywa się poprzez błysk lampy błyskowej (flesza), błysk innego lasera, przepływ prądu (wyładowanie) w gazie, reakcję chemiczną, zderzenia atomów, wstrzelenie wiązki elektronów do substancji.

Rezonator optyczny

O ile ośrodek czynny traktujemy jako generator fali elektromagnetycznej, to układ optyczny pełni rolę sprzężenia zwrotnego dla wybranych częstotliwości, dzięki czemu laser generuje spójne światło. Układ optyczny, składający się zazwyczaj z dwóch dokładnie wykonanych i odpowiednio ustawionych zwierciadeł (z czego przynajmniej jedno jest częściowo przepuszczalne), stanowi rezonator dla wybranej częstotliwości i określonego kierunku ruchu fali i tylko te fotony, dla których układ optyczny jest rezonatorem, wielokrotnie przebiegają przez ośrodek czynny wywołując emisję kolejnych fotonów spójnych z nimi. Pozostałe fotony zanikają w ośrodku czynnym lub układzie optycznym. Dzięki temu laser emituje niemalże równoległą wiązkę światła o dużej spójności.

Opis niektórych typów laserów

Laser kryptonowy i ksenonowy

Wypełnione kryptonem lub ksenonem z domieszką fluoru lub chloru, emitują promieniowanie ultrafioletowe, zastosowania badawcze i do pompowania optycznego laserów barwnikowych. Laser kryptonowy jonowy ma wiele linii w paśmie widzialnym - dwie najintensywniejsze linie to linie 647.1 i 676.4 nm czerwone.

Laser neodymowy Nd:YAG

Można wyróżnić mikrolasery objętościowe i cienkowarstwowe. Pompowanie odbywa się za pomocą półprzewodnikowych diod laserowych. Długość aktywnego ośrodka objętościowego jest rzędu 1mm. Możliwość budowy lasera o tak małych wymiarach powstała w wyniku opanowania technologii diod generujących wiązkę o mocy rzędu watów z możliwością dopasowania pasma emisji tych diod do pasma maksymalnej absorbcji neodymu (λ=0.81 μm). Długość fali emitowanej przez laser wiązki λ=1.06 μm. Przejścia kwantowe realizowane są na jonach neodymu. Dichroniczne zwierciadła tworzą układ rezonatora otwartego dla mikrolasera objętościowego i falowodowego. Wiązka pompująca (λ=0.81 μm) powinna być transmitowana przez pierwsze zwierciadło i całkowicie odbijana przez drugie. Natomiast wiązka generowana przez laser (λ=1.06 μm), jak w typowym rezonatorze, powinna być całkowicie odbijana przez drugie zwierciadło i częściowo transmitowane przez pierwsze.

Mikrolaser objętościowy w polączeniu z kryształem nieliniowym tworzy laser o zwartej budowie, emitujący linię zieloną (druga harmoniczna, λ=0.533 μm) o mocy nawet kilkunastu miliwatów. Tą drogą można uzyskać również harmoniczne wyższe niż druga i uzyskać promieniowanie w nadfiolecie.

Laser półprzewodnikowy

Są to najbardziej perspektywiczne lasery z punktu widzenia ich zastosowań w fotonice ze względu na małe wymiary, dość wysokie moce, łatwość sterowania prądem o wysokiej częstotliwości rzędu nawet gigaherców i możliwość uzyskania promieniowania od pasma bliskiej podczerwieni (diody laserowe dla telekomunikacji światłowodowej) do skraju fioletowego pasma widzialnego.
Laser ten jest wielowarstwową strukturą półprzewodników typu n (nadmiar elektronów w paśmie przewodnictwa) i p (więcej dziur w paśmie walencyjnym). Przejście elektronu do pasma przewodzenia na skutek zasilania prądem (pompowanie) połączone jest z odwrotnym procesem spontaicznym, zwanym radiacyjnym procesem rekombinacji. Proces ten prowadzi do uwolnienia fotonu. Przy dostatecznie dużym prądzie może powstać inwersja obsadzeń, pozwalająca wywołać akcję laserową. Zewnętrzne scianki falowodu tworzą rezonatro Fabry'ego-Perota.

Warstwa falowodowa ma grubość rzędu 2 μm, co ułatwia uzyskanie inwersji obsadzeń przy małym prądzie, a jej szerokość wynosi 10 μm. Rezultatem takiej budowy warstwy czynnej są duże kąty rozbieżności wiązki, różne w obydwu przekrojach (rzędu 30° odpowiadający grubości 2 μm i ponad 5° dla szerokości 10 μm). W celu zmniejszenia asymetrii wiązki stosuje się dodatkowe układy optyczne (pryzmatyczne lub cylindryczne) mające różne powiększenia w tych przekrojach. Do wad tych laserów należy zaliczyć szersze widmo promieniowania w porównaniu np. z laserem He-Ne i silny wpływ zmiany temperatury na moc długości fali generowanej wiązki.

W fotonice do budowy struktur informatycznych wykorzystuje się również macierze laserów umieszczonych na wspólnym podłożu. Średnice pojedyńczych laserów mogą być rzędu kilku mikrometrów. Każdy z laserów może być niezależnie sterowany elektronicznie, stąd macierz laserów tworzy razem powierzchniową strukturę niemal punktowych źródeł promieniowania.

Laser barwnikowy

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.

Krótka historia laserów

- Często podaje się datę 1954 skonstruowania masera, pierwszego wzmacniacza kwantowego.
- Pierwszy laser (rubinowy) zbudował i uruchomił 15 maja 1960 roku Theodore Maiman, ośrodkiem czynnym był kryształ korundu domieszkowany chromem - rubin.
- W roku następnym 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 Gabbe 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.
- Pierwszym polskim pionierem w tej dziedzinie był dr mgr Andrzej Dzikowski, konstruktor super silnych laserów kryptonowych.
- Pierwszy polski laser powstał w Wojskowej Akademii Technicznej w 1963 (laser gazowy He-Ne, generujący promieniowanie podczerwone).

Zastosowanie lasera

Poligrafia

- Lasery znalazły zastosowanie w nowoczesnej poligrafii:
- Computer-to-Film CtF czyli w naświetlarkach filmów poligraficznych
- Computer-to-Plate CtP w naświetlarkach offsetowych form drukowych
- Computer-to-Press CtPress czyli w naświetlarkach zintegrowanych z maszyną drukarską
- Computer-to-Print CtPrint czyli w jednym z typów druku cyfrowego, tj. w technologii analogicznej do używanych w cyfrowych kserokopiarkach

Znakowanie produktów

Lasery znalazły również zastosowanie przy znakowaniu produktów. Używa się ich przy liniach produkcyjnych posiadających bardzo wysokie wydajności (np. 70 000 prod./h) oraz gdy chcemy uzyskać trwały i estetyczny nadruk. Podstawowym założeniem stosowania lasera do znakowania jest jego trwałość oraz nieusuwalność znaku. Aby 'zniszczyć' np. datę przydatności do produkcji na towarze spożywczym wykonaną laserem , należałoby zniszczyć także opakowanie lub usunąć etykietę.

Laserowe cięcie metali

Cięcie laserowe stanowi nowoczesną metodę obróbki o podobnych parametrach wymiarowych jak klasyczna obróbka mechaniczna. Podstawowa różnica tkwi w stosowanym czynniku tnącym, który w przypadku cięcia laserowego stanowi gorący promień lasera oraz gaz techniczny o dużej czystości. W zależności od stosowanego urządzenia (przede wszystkim jego mocy) cięcie przeprowadza się na trzy sposoby: metodą spalania, stapiania lub sublimacji.

Technologia wojskowa

Laser ma potrójne zastosowanie militarne:
- dalmierz 
Dalmierze laserowe, stosowane do oceny odległości od celu, wchodzą w skład systemów kierowania ogniem lub systemów rozpoznawczych czołgów i niektórych innych pojazdów bojowych, samolotów i śmigłowców, mogą być także przenośne.
- naprowadzanie
 - Jako system naprowadzający, wiązka laserowa działa na zasadzie odbicia od celu. Cel jest opromieniowywany wiązką laserową, która zgodnie z prawami odbicia jest emitowana praktycznie we wszystkich kierunkach (z uwagi na rozpraszanie wiązki na powierzchni). Pocisk rakietowy, artyleryjski lub bomba kierowana, wyposażony w czujnik laserowy, określa źródło odbitej wiązki i za pomocą układów elektronicznych naprowadza się na podświetlony cel.
- broń energetyczna
 - Systemy laserowe są zdolne do uwalniania skoncentrowanej energii w postaci wiązki świetlnej w bardzo krótkim przedziale czasu. Powoduje to, iż cała energia jest wyzwalana w pojedynczym impulsie, co przy prędkości światła powoduje, iż praktycznie jest niemożliwe uniknięcie trafienia z takiej broni. Laser jako broń energetyczna jest najmniej rozpowszechniony - dopiero wprowadzany jedynie w USA na platformach powietrznych (Airborne Laser), aczkolwiek jest jednym z ulubionych tematów twórczości science-fiction. Lasery mniejszej mocy stosowane są też do niszczenia układów optycznych pojazdów. Prowadzone są prace nad laserami mogącymi oślepiać żołnierzy.

Medycyna

Laserów używa się przede wszystkim dla "twardej" obróbki tkanek:
- cięcia,
- koagulacji,
- odparowania (fotoablacji oraz ablacji stymulowanej plazmą)
- obróbki mechanicznej (rozrywania, fragmentacji czy kawitacji)

Telekomunikacja

- Nadajniki laserowe przy transmisji światłowodowej
- Odczyt i zapis informacji na płytach kompaktowych

Szczegółowe opracowanie znajduje się w załączniku poniżej.