Upload
diogen85
View
130
Download
7
Embed Size (px)
Citation preview
Univerzitet u NišuElektronski fakultet
Smer Digitalne telekomunikacije
Seminarski rad
Laseri Predmet: Integrisana optika
Mentor: Studenti:
prof. dr Dimitrije Č. Stefanović Vladimir Videnović 12421 Vladimir Jeger 12216
Vladimir Vuković 12432
Niš, 2011.
Italijanski fizičar je našao u delu „Istorija prirode“, Plinija Starijeg, citat: “... Laser inter eximia naturae done numeratum plurimis compositionibus inseritur”, što u prevodu znači: “... Laser je jedan od najčudesnijih darova prirode, koji ima mnogo primena”. Naravno, tu se ne radi o laserima kao generatorima svetlosti, već o lekovitoj biljci koja se koristila za lečenje raznih bolesti – od prehlade do epidemioloških bolesti. Koristila se takođe i kao lek kod ujeda zmija i škorpiona, ali i kao ukusan dodatak jelima. Laser je rastao na području Kirenije (današnja Libija). Nažalost, i pored svih napora, naučnici nisu uspeli da ga pronađu, tako da se pretpostavlja da je iščezao...
1
Uvod
Laseri su otkriveni pre više od 40 godina. Od tog vremena, razvoj lasera
i laserske tehnike je izuzetno buran i tempo njihovog razvoja se može
uporediti još samo sa nuklearnom energetikom. Za realizaciju lasera je
potrebno poznavanje više različitih oblasti nauke: optike, spektroskopije,
kvantne mehanike, elektronike, fizike poluprovodnika, atomske i molekularne
fizike, teorije rezonatora itd. Primena lasera još više proširuje taj krug – uz
fiziku i elektroniku, tu su i hemija, biologija, medicina, tehnologija – gotovo
da nema oblasti ljudske delatnosti gde laseri nisu našli primenu. Za rad na
istraživanju i primeni lasera potrebni su interdisciplinarni timovi stručnjaka
sastavljeni od fizičara, mašinskih inžinjera, elektroničara, hemičara itd. Za
sve njih je važno da se upoznaju sa osnovama lasera.
Mnoge knjige u kojima se proučavaju laseri u svojim naslovima sadrže
pojmove fotonika, optoelektronika, kvantna elektronika i laserska tehnika.
Ovde ćemo dati kratke definicije tih pojmova.
Fotonika je naučna oblast na prelazu između elektronike i fizike, koja
izučava predaju, prijem, prenos i obradu informacija pomoću električnih i
svetlosnih signala. Uporedo sa nazivom fotonika koristi se i naziv
optoelektronika koji je nastao spajanjem reči optika i elektronika. Ponekad
se umesto naziva optoelektronika koristi naziv fotonika.
Kvantna elektronika je savremena oblast fizike koja izučava metode
generacije i pojačanja elektromagnetnog zračenja korištenjem efekta
stimulisane emisije u termodinamički neravnotežnim kvantnim sistemima,
osobine na taj način dobijenih pojačavača i generatora i njihovu primjenu.
Najpoznatiji uređaji kvantne elektronike su maseri i laseri. Zato se o
2
kvantnoj elektronici može govoriti kao o nauci o maserima i laserima,
imajući pri tome u vidu da su maseri kvantni pojačavači i generatori
koherentnog elektromagnetnog zračenja radio-frekventnog dela spektra, a da
se laseri odnose na optički dijapazon frekvencija. Ime uređaja laser (maser)
predstavlja akronim engleskih riječi: Light (Microwave) Amplification by
Stimulated Emission of Radiation što znači pojačanje svetlosti (mikrotalasa,
tj. radio talasa ultravisoke frekvencije) pomoću efekta stimulisane
(indukovane, prinudne) emisije zračenja.
Laserska tehnika je celokupnost naučno zasnovanih metoda proračuna,
tehničkih rešenja i sredstava, koja omogućavaju da se na optimalan način
realizuju šeme i konstrukcije kvantnih uređaja zasnovanih na korištenju
laserskog zračenja.
Osnovni elementi lasera
Sastavni delovi lasera su:
aktivna sredina
sistem pobude
rezonator
Laser se pušta u rad tako što se uključi sistem pumpe (pobuda), time
nastaje inverzija naseljenosti radnih nivoa, čime se stvaraju uslovi za
stimulisanu emisiju unutar aktivne sredine. Da bi se ponašao kao generator,
još je potrebno da radi u režimu povratne sprege, što se realizuje uz pomoć
rezonatora. Prag pri kome laser počinje sa radom (treshold) dobijamo kada
pojačanje u rezonatoru kompenzuje sve ostale gubitke, usled propagacije
zraka i usled pojave laserskog snopa.
3
Podela lasera
Možemo izvršiti nekoliko klasifikacija lasera:
Prema vrsti materijala od kog je napravljen izvor
Čvrstotelni laseri (eng. solid state laser)
Gasni laseri
Poluprovodnički laseri
Tečni laseri
Hemijski laseri
Laseri na bojama (eng. dye laser)
Laseri na parama metala
Laseri na slobodnim elektronima (eng. free electron laser)
Prema režimu rada:
Kontinualni
Impulsni laser
Prema vrsti pumpe (pobudi radne zapremine) koja se koristi:
Optički pumpan
Pumpan električnim putem
- Jednosmernim naponom
- Naizmeničnim naponom
- Električnim pražnjenjem
Pumpan hemijskim reakcijama
Nuklearno pumpan (α i β čestice, produkti nuklearnih reakcija,
γ zračenje i neutroni)
4
Prema oblasti spektra u kojoj emituje svetlost
Laseri u vidljivom delu spektra
Laseri u bliskoj infracrvenoj oblasti
Laseri u dalekoj infracrvenoj oblasti
X laseri, zračenje u X oblasti
1. Teorije, pojmovi i otkrića potrebni za razumevanje
rada lasera
1.1 Talasno-korpuskularna priroda svetlosti
Pitanje prirode svetlosti privlačilo je pažnju istraživača još od najranijih
vremena. Međutim, prve naučne teorije o prirodi svetlosti datiraju iz XVII
veka. Shvatanja o prirodi svetlosti znatno su menjala s razvojem nauke, tako
da se ni danas taj problem ne smatra potpuno okončanim.
Izučavajući prirodu svetlosti Isak Njutn je postavio 1675. godine teoriju,
po kojoj se svetlost svodi na kretanje veoma malih i brzih čestica, tzv.
korpuskula, čije se kretanje pokorava zakonima klasične mehanike. Time je
Njutn postavio tzv. korpuskularnu teoriju o prirodi svetlosti. Prema ovoj
teoriji, svetlost se od svetlosnog izvora prostire u vidu čestica na sve strane.
Odbijanje svetlosti tumačeno je kao odbijanje elastičnih lopti od prepreke.
Različite boje tumačene su kao postojanje čestica različte veličine.
Ova teorija nije mogla da se održi , jer nije mogla odgovoriti na pitanje
zašto ne dolazi do međusobnog dejstva čestica (sudara) kada se dva
5
svetlosna zraka ukrste. Prema zakonu nezavisnosti dejstva svetlosnih zrakova,
takvi sudari ne postoje.
Holandski naučnik Kristijan Hajgens postavio je, skoro u isto vreme,
talasnu teoriju o prirodi svetlosti (talasnu teoriju), koja je negirala Njutnovu
korpuskularnu teoriju. Prema ovoj teoriji, svetlost je talasne prirode.
Odbijanje svetlosti objašnjava se isto kao i odbijanje svakog drugog talasa,
dok su boje svetlosti opisivane postojanjem svetlosti različtih talasnih dužina.
Talasna priroda svetlosti kasnije je potvrđena interferencijom, difrakcijom
i polarizacijom svetlosti. Ova teorija nije mogla da prevagne u to vreme, jer
je Njutn još uvek bio jak autoritet u odnosu na Hajgensa. Međutim, kada je
Maksvel 1863. godine postavio teoriju elektromagnetnih talasa, mnogi
naučnici su smatrali da je Hajgensova teorija o talasnoj prirodi svetlosti
jedina ispravna, a da Njutnovu korpuskularnu teoriju treba odbaciti. Posle
ovoga prevagu je dobila talasna teorija svetlosti, tim pre što su se njome
lako opisivale mnoge svetlosne pojave (odbijanje, prelamanje, interferencija i
difrakcija svetlosti).
Dalja istraživanja svetlosti pokazala su da svetlost ima identična svojstva
kao i ostali elektromagnetni talasi i da je među njima jedina razlika u
talasnoj dužini koja je kod svetlosti znatno manja ( za vidljivu svetlost ona
iznosi od 380-760 nm).
Nemački naučnik Plank 1900. godine, proučavjaući problem zračenja
apsolutno crnog tela, postavio je teoriju kvanta. On je pretpostavio da se
zračenje tela vrši u strogo određenim količinama energije, tzv. kvantima.
Ova teorija kao da ide na ruku Njutnovoj korpuskularnoj teoriji i pored toga
što se kvanti energije ne zamišljaju kao čestice u mehaničkom smislu , već
kao fotoni svetlosti , koje prvenstveno karakteriše energija kojom raspolažu.
Ajnštajn je dokazao da svakom fotonu u kretanju odgovara određena masa,
6
što je značilo vraćanje korpuskularnoj teoriji svetlosti. Pomoću kvante teorije
bilo je lakše opisati neke pojave kao fotoefekat, luminescenciju i drugo.
Koristeći kvantnu teoriju, Ajnštajn je uspeo da objasni fotoelektrični efekat
1905. godine i za to je dobio Nobelovu nagradu. Istraživači su bili u
dilemi. Za koju se teoriju opredeliti? Pokazalo se da su i jedna i druga
teorija pogodne za objašnjenje nekih svetlosnih pojava.
Ovu dilemu rešio je 1924. godine francuski naučnik Luj de Brolj. On je
uveo pretpostavku da se svetlosti (pa i svakoj čestici u kretanju ) može
pripisati i talasna i korpuskularna priroda. Kasnije je to nepobitno dokazano.
Na činjenici da se svaka čestica ponaša i kao talas zasnovan je i elektronski
mikoskop. Prema tom shvatanju, čestica i talas su u svojevrsnom jednistvu i
ne treba ih odvajati , isto kao što ne treba odvajti masu i energiju. Iz toga
je proizilazila formulacija: Svetlost je elektromagnetni proces koji se odlikuje
kako talasnim tako i korpuskularnim svojstvima.
1.2 Osnovni model atoma
Sve što se može videti u univerzumu predstavlja kombinaciju oko 118
različitih (poznatih) vrsta atoma, čije međusobne veze i raspored određuju
materijal, odnosno objekat koji sačinjavaju. Atomi se nalaze u stalnom
pokretu – kontinualno se kreću i osciluju. Iako svi atomi osciluju, atomi
mogu imati različite energije, odnosno biti na različitom stepenu
pobuđenosti. Ako se na atom deluje dovoljno velikom količinom energije,
on može preći sa osnovnog energetskog nivoa na neki viši energetski nivo.
Nivo ekscitacije zavisi od količine energije kojom je delovano na atom u
vidu zagrevanja, svetlosti ili elektriciteta.
7
Na slici 1. je prikazan
osnovni model atoma, na
kome se vidi da se atom
sastoji od jezgra (nucleus)
i elektronskog omotača.
Jezgro je sačinjeno od
protona i neutrona. U
najgrubljoj aproksimaciji
modela atoma može se
smatrati da elektroni iz
elektronskog omotača kruže oko jezgra, odnosno da se kreću
po Slika 1 – Osnovni model atoma diskretnim
orbitama, koje se nalaze na različitim rastojanjima od jezgra
i predstavljaju različite energetske nivoe u okviru atoma.
Ukoliko se atom stimuliše određenom količinom energije,
elektroni sa nižih energetskih nivoa će preći na orbite sa
višom energijom koje se nalaze na većoj udaljenosti od
jezgra, pa će atom biti na višem nivou ekscitacije.
Pobuđeni elektroni koji se nalaze na višim energetskim
nivoima teže da se vrate na osnovni nivo sa koga su
pobuđeni. Prilikom vraćanja pobuđenog elektrona na osnovni
nivo, atom emituje višak energije u vidu fotona – čestica
svetlosti.
8
1.3 Neka svojstva čvrstog tela
Čvrsto telo sastoji se od mnoštva atoma, jona ili
molekula. Ukoliko su oni raspoređeni u prostoru tako da
obrazuju kristalnu rešetku, onda govorimo o kristalu odnosno
o kristalnoj strukturi. Međutim, ako ispunjavaju prostor bez
ikakvog reda, radi se o amorfnom telu (staklo, plastika...).
Treba reći da u tzv. luminiscentnim procesima mogu
učestvovati i pomenuta tela , čak mogu biti i jaki emiteri.
Međutim, pozabavimo se kristalnom rešetkom i njenim
karakteristikama. Naime, svaku kristalnu rešetku možemo
podeliti na jednake paralelopipede, tako da svaki od njih
sadrži jednak broj strukturnih jedinica koje su raspoređene
na isti način. Najmanji paralelopiped nosi naziv- elementarna
ćelija rešetke.
Sile koje povezuju atome čvrstog tela u prostornu
rešetku potiču od elektrona koji se nalaze spolja. Upravo
ovi elektroni određuju kako električna tako i optička svojstva
čvrstog tela. Ovi elektroni su veoma blizu jedan drugome,
tako da njihovi energetski nivoi neće biti diskretni kao u
sistemu slobodnih atoma, već će biti prošireni u pojaseve ili
zone. Naime, ako se spoljni nivoi pojedinih atoma delimično
9
pokrivaju, onda će od svakog nivoa nastati još dva nivoa
(Paulijev princip). Ova pojava povećava njihovu gustinu i
smanjuje razmak među njima, tako da nisu više diskretni
već čine kontinuirani pojas. Elektroni se mogu, dakle,
nalaziti u tzv. dozvoljenim pojasevima, koji su međusobno
odvojeni tzv. pojasom zabrane ili zabranjenim pojasom.
Glavne karakteristike čvrstog tela zavise od
međusobnog razmaka dozvoljenih pojaseva - valentnog i
provodljivog. U idealnom kristalu moguća su tri slučaja:
1. širina zabranjenog pojasa iznosi nekoliko eV. Kristal
je izolator. Elektroni ne mogu prelaziti iz valentne u
provodnu zonu, pa samim tim ne postoji protok struje
2. širina zabranjenog pojasa iznosi 1 eV. Pri sobnoj
temperaturi, elektroni mogu prelaziti iz valentne u
provodnu zonu i kristal je poluprovodnik
3. valentna i provodna zona se poklapaju. U ovom
slučaju, kristal je metal.
1.4 Inverzna populacija
Invеrziја nаsеlјеnоsti sе mоžе pоstići sаmо u spеcifičnim
slučајеvimа, pа sе sаmо rеtki mаtеriјаli mоgu iskоristiti kао
lаsеrski mеdiјumi. Invеrziја nаsеlјеnоsti sе mоžе pоstići аkо
u mаtеriјаlu pоstојi mеtаstаbilnо stаnjе. Меtаstаbilnо stаnjе
је pоbuđеnо stаnjе u kојеm sе аtоm (ili mоlеkul) zаdržаvа
dužе nеgо u nоrmаlnim pоbuđеnim stаnjimа. U lаsеrskоm
10
mеdiјumu mоrа pоstојаti јоš bаrеm јеdnо pоbuđеnо stаnjе,
štо sа оsnоvnim stаnjеm čini sistеm оd tri еnеrgеtskа nivоа
- trоnivоski lаsеr. U lаsеrskоm sistеmu sа tri nivоа, аtоmi
(mоlеkul ili еlеktrоni) sе оdrеđеnim nаčinоm pоbuđuјu u
pоbuđеnо stаnjе. Pоbuđеnо stаnjе, trаје vrlо krаtkо i brzо
sе rеlаksirа u nеštо nižе mеtаstаbilnо stаnjе. Аtоmi
(mоlеkuli) sе nе mоgu brzо rеlаksirаti u оsnоvnо stаnjе, pа
lаsеrskim mеdiјumоm pоčinju dа dоminirајu аtоmi u
mеtаstаbilnоm stаnju. Invеrziја nаsеlјеnоsti sе pоstižе izmеđu
mеtаstаbilnоg i оsnоvnоg stаnjа, pа sе lаsеrskо dеlоvаnjе
pоstižе prеlаzоm izmеđu tа dvа stаnjа. Pоbuđеnо stаnjе kоје
sе kоristi zа pоpunjаvаnjе mеtаstаbilnоg stаnjа nе mоrа biti
јеdnо stаnjе, vеć sе mоžе kоristiti niz еnеrgеtski stаnjа.
Pоstоје i lаsеri kојi rаdе nа principu čеtiri nivоа –
čеtvоrоnivоski lаsеri. Меtаstаbilnо stаnjе sе nаsеlјаvа nа isti
nаčin kао i kоd trоnivоskоg lаsеrа, аli invеrziја nаsеlјеnоsti
sе pоstižе izmеđu mеtаstаbilnоg i drugоg pоbuđеnоg stаnjа
nižе еnеrgiје. Kаkо sе pоbuđеnо stаnjе nižе еnеrgiје brzо
rеlаksirа i оstаје prаznо, invеrziја pоpulаciје је sigurnа čаk i
аkо је pоbuđеn rеlаtivnо mаli brој аtоmа u lаsеrskоm
mеdiјumu.
Pоvеćаvаnjеm tеmpеrаturе pоbuđеnа stаnjа sе pоčinju
zаuzimаti, štо mоžе nаrušiti invеrziјu pоpulаciје.
(Zаgrеvаnjеm niје mоgućе pоstići invеrziјu pоpulаciје.) Zbоg
tоgа је lаsеrе čеstо pоtrеbnо hlаditi.
11
Lаsеrski mеdiјum је smеštеn izmеđu dvа pаrаlеlnа
оglеdаlа, tаkо dа svеtlоsni snоp kојi prоlаzi izmеđu dvа
оglеdаlа fоrmiеа stојеći tаlаs. Prоstоr izmеđu dvа оglеdаlа
sе nаzivа i lаsеrskа šuplјinа, rеzоnаntnа šuplјinа ili
rеzоnаtоr, pо аnаlоgiјi sа šuplјinаmа kоје sе kоrisе u
аkustici prilikоm rаdа sа zvučnim tаlаsimа. Fоtоni kојi
nаstајu spоntаnоm еmisiјоm u lаsеrskоm mеdiјumu еmituјu
sе u svim smеrоvimа, аli sаmо оni kојi su еmitоvаni u
smеru оglеdаlа ćе sе rеflеktirаti izmеđu tа dvа оglеdаlа i
biti zаrоblјеni u lаsеrskој šuplјini. Тi fоtоni, kојi vеliki brој
putа prоlаzе krоz lаsеrski mеdiјum, ćе izаzivаti stimulisаnu
еmisiјu, prilikоm prоlаskа blizu аtоmа u mеtаstаbilnim
stаnjimа u lаsеrskоm mеdiјumu. Јеdnо оd dvа оglеdаlа sе
оbičnо nаprаvi tаkо dа nеmа kоеficiјеnt rеflеksiје 100%, vеć
dа prоpuštа оdrеđеnu kоličinu svеtlа (оbičnо mаnjе оd 1%),
pа fоtоni mоgu izаći iz lаsеrskе šuplјinе. Nа tај nаčin
lаsеrski snоp sаdrži skup kоhеrеntnih fоtоnа, štо јој dаје
vеliki intеnzitеt. Fоrmirаnjе lаsеrskоg snоpа је јеdаn оd
rеtkih primеrа mаnifеstаciје kvаntnе mеhаnikе u
mаkrоskоpskim sistеmimа: u kvаntnој mеhаnici rаzlikuјu sе
dvе vrstе čеsticа: Fеrmi-Dirаkоvе čеsticе – fеrmiоni i Bоzе-
Ајnštајnоvе čеsticе – bоzоni. Fоtоni sе pоnаšајu kао bоzоni.
Fеrmiоni nе mоgu biti u istоm kvаntnоm stаnju, dоk bоzоni
tо mоgu. Štаvišе, štо је višе bоzоnа u istоm kvаntnоm
stаnju, vеćа је vеrоvаtnоćа dа ćе im sе pridružiti јоš njih.
12
1.5 Materijali od značaja za poluprovodničke
lasere
Pоluprоvоdnički lаsеri su bаzirаni nа јеdnоm оd čеtiri tipа
mаtеriјаlа, u zаvisnоsti оd tаlаsnе dužinе rеgiоnа оd intеrеsа. Тri
tipа mаtеriјаlа prеdstаvlјајu јеdinjеnjа еlеmеnаtа III-V grupе
pеriоdnog sistema еlеmеnаtа. U kristаlu kојi formiraju, еlеmеnti
IIIA grupе imајu primајu јеdаn еlеktrоn dоk еlеmеnti VA grupе
imајu višаk. Тrеćа kоlоnа sаdrži Al, In, Ga i Tl, dоk pеtа sаdrži N,
P, As i Sb. Lаsеri kојi pripаdајu оvој kаtеgоriјi su bаzirаni nа
principu rаdа lаsеrа nа GaAs, zа širоk оpsеg lаsеrа u bliskоm
infrаcrvеnоm spеktru pа svе dо vidlјivоg spеktrа kоristеći
GaAs/AlGaAs višеslојnе mаtеriјаlе, kоd kојih је prоcеp 1.43 eV.
Indiјum fоsfid, InP sа prоcеpоm оd 1.35eV kоristi sе zа pоstizаnjе
tаlаsnih dužinа оd 1.5 μm, u strukturi sа InP/InGaAsP. GaN imа
еnеrgеtski prоcеp оd 3.49 eV štо оmоgućаvа rаzvој plаvih i
ultrаlјubičаstih lаsеrа.
13
Slika 2 – Materijali sa odgovarajućim energetskim procepima
1.6 Veza između atoma i lasera
Iako postoji mnogo tipova lasera, svi se oni zasnivaju
na istim osnovnim elementima. U svim laserskim uređajima
postoji laserski medij, kojim se pobuđuju elektroni u okviru
atoma da pređu na više energetske nivoe. U bilo kom
stadijumu pobuđeni atomi mogu otpusti određenu energiju i
vratiti se na niži energetski nivo. Kada ekscitovani elektron
u pobuđenom atomu prelazi sa višeg na niži energetski
novo, atom otpušta kvant energije, koji se naziva foton i
manifestuje se kao svetlost određene boje. U ekstremno
kontrolisanim uslovima može se postići kontrolisana emisija
14
fotona tako da obrazuju visoko fokusirani laserski zrak
svetlosti.
Slika 2 – Emisija fotona pri prelasku iz ekscitovanog u
osnovno stanje
Oslobođena energija, koja se javlja u obliku fotona, ima
specifičnu talasnu dužinu koja je određena energetskim
nivom na kome se nalazio elektron prilikom otpuštanja
fotona. Bitno je primetiti da će dva identična atoma, čiji se
elektroni nalaze na istim energetskim nivoima, uvek
osloboditi fotone jednake talasne dužine. Ova pojava je
iskorišćena za dobijanje svetlosnog zraka laserom.
2. Razvoj laserske tehnologije
15
Albert Ajnštajn je definisao osnovne pretpostavke i time dao
fizičke osnove kvantne elektronike. 1905. godine, 50 godina pre
nastanka kvantne elektronike, Ajnštajn je, polazeći od statističke
analize fluktuacija energije ravnotežnog zračenja, došao do
hipoteze svetlosnih kvanata i primenio je na fotoefekat.
Objašnjenje crvene granice fotoefekta je potvrdilo kvantnu
prirodu elektromagnetnog zračenja. Treba reći da je još ranije,
1900. godine, Plank izneo hipotezu o kvantizaciji energije
harmonijskog oscilatora, pomoću koje je objasnio rezultate
merenja spektralne raspodele elektromagnetne energije koju
zrači toplotni izvor. Ta, 1900. godina, se smatra godinom
nastanka kvantne teorije svjetlosti. Interesantno je da je kvant
elektromagnetnog zračenja nazvan fotonom znatno kasnije, 1920.
godine. 1916. godine (rad je objavljen 1917. godine) Ajnštajn je
izveo Plankovu formulu u skladu sa Borovim postulatima. Za nas
je to izvođenje važno pre svega zato što je pri njemu uveden
pojam stimulisane emisije zračenja – postulirano je njegovo
postojanje i, na osnovu opštih termodinamičkih razmatranja
određene su njegove osobine.
1924. godine Boze i Ajnštajn su dali uopšteni termodinamički
opis sistema čestica sa simetričnim talasnim funkcijama, tzv.
Boze-Ajnštajnovu statistiku. Po toj statistici, kvanti
elektromagnetnog zračenja koji imaju iste frekvencije,
polarizacije, smerove prostiranja i faze, se ne mogu međusobno
razlikovati. Stanje celog polja zračenja određeno je brojem
kvanata (koji može biti neograničeno veliki) po jednom modu
16
polja. Dirak je 1927. godine formulisao kvantnu teoriju zračenja i
apsorpcije. Najznačajniji rezultat Dirakove teorije je dokaz
postojanja stimulisanog zračenja i njegove koherentnosti. I tako,
1927. godine je u potpunosti završeno stvaranje fundamentalnih
pretpostavki za nastajanje kvantne elektronike. Međutim, tek
krajem 1954. godine date su neposredne osnove kvantne
elektronike i stvoren je njen prvi uređaj – molekularni generator.
Razvoj laserske tehnologije počinje 1951.
godine. U to doba, Čarls Tauners (Charles
Townes) je bio vođa u Columbia University
Radiaton Laboratory, a radio je na istraživanjima
u području mikrotalasne fizike započetim nakon Drugog
svetskog rata. Tauners je radio mikrotalasnu spektroskopiju i
želeo je da koristiti talase kraćih talasnih dužina, onih u
submilimetarskom području spektra. Da bi to mogao ostvariti,
prvo je morao smanjiti dimenzije mehaničkih oscilatora koji
su se tada koristili za generisanje mikrotalasa u
centimetarskom području talasnih dužina, problem koji je
izgledao nerešiv dokle god nije pomislio na upotrebu
molekula, umesto atoma. Tokom iduće dve godine, Tauners
je zajedno s Džejms Gordonom (James Gordon) i Herbert
Cajgerom (Herbertom Zeigerom) radio na izgradnji takvog
sistema. Napokon, pri kraju 1953. demonstrirali su rezultate
svojih istraživanja. Snop molekula amonijaka poslali su u
električno polje koje je otklonilo molekule s niskom
17
energijom. Tada su molekule s visokom energijom poslali u
drugo električno polje. Izlaganje drugom električnom polju
uzrokovalo je da svi molekuli amonijaka s visokom energijom
gotovo istovremeno padnu u osnovno stanje, emitujući pri
tome mikrotalasne fotone iste frekvencije i smera širenja.
Tauners je napravu nazvao MASER, pojačalo mikrotalasa
stimulisanom emisijom zračenja (Microwave Amplification by
Stimulated Emission of Radiation).
Kako je Tauners dalje nastavljao eksperimente s
MASER-om, bilo je sve jasnije da do stimulisane
emisije može doći i na mnogo kraćim talasnim
dužinama kao što su infracrveno talasno područje
ili čak vidljiva svetlost. Reč LASER nastala je za jednu takvu
napravu, a L je skraćenica za svetlost (Light). Nastojeći
razviti što potpuniju teoriju laserske akcije, Tauners je
potražio pomoć Artura Švalova (Arthur Schwalow), fizičara u
Bel laboratoriji (Bell Laboratories), jednom od vodećih centara
za istraživanja u fizici i materijalima. Krajem 1958. godine u
vodećem naučnom časopisu fizike, Physical Review, pojavio
se je Townes-Schawlow članak pod naslovom "Infracrveni i
optički MASERi". Članak je inspirisao naučnike da pokušaju
konstruisati laser i 1960. god. fizičar Teodor Maiman
(Theodore Maiman) zaposlen u Aircraft Company, laboratoriji,
uspeo je napraviti laser koristeći sintetički rubin. Zrak
emitovan laserom mnogo je bolje fokusiran nego zrak koju
emituje bilo koji drugi izvor svetlosti, pa su zbog toga
18
LASERI odmah privukli veliku pažnju. U jednom eksperimentu
napravljenom 1962. laserski zrak je poslat na Mesec, udaljen
skoro 400 000 kilometara, gde je obasjavala površinu
prečnika svega 3 km. Zrak emitovan nekim drugim izvorom
svetlosti na istom bi se putu toliko proširio da bi obasjavana
površina Meseca imala prečnik od 40 000 kilometara.
Naučnici su ukazivali na ogromne potencijale u primeni
lasera u komunikacijama i ostalim područjima. U stvarnosti,
rani laseri su bili daleko od očekivanja. Stvaranje inverzije
naseljenosti potrebne za nastajanje laserske akcije zahtevalo
je tzv. optičke pumpe ili bljeskalice, tako da su umesto
kontinuiranog svetla, laseri mogli proizvoditi samo pulseve
energije. Efikasnost takvih lasera u pogledu iskorišćene
snage bila je jako mala. Drugu verziju lasera razvio je 1960.
godine Ali Javan zaposlen u Bell Laboratories, a koristila je
staklenu cev punjenu mešavinom gasova helijuma i neona.
Ovaj je laser zahtevao manje energije za rad i nije se
pregrejavao. Međutim, staklena cev je istovremeno bila
veoma masivna i lako lomljiva.
Prve lasere možemo uporediti s vakuumskim cevima koje
su se nekada koristile u radio aparatima i prvim
kompjuterima. Od 1960. godine vakuumske cevi je zamenilo
novo čudo tehnologije, zapanjujuće mali, ali izuzetno
pouzdani, tranzistor. Je li moguće ostvariti istu transformaciju
i u slučaju lasera? U tranzistorima se koristi posebno
svojstvo jedne vrste materijala poznatih pod nazivom -
19
poluprovodnici. Električna struja prenosi se pokretanjem
elektrona i obični metali, kao što je npr. bakar, su dobri
provodnici električne energije zbog toga što njihovi elektroni
nisu čvrsto vezani za jezgro atoma, nego su slobodni, u
polju pozitivnog dela jezgra. Neke druge materije, kao npr.
guma, su izolatori- slabi provodnici električne energije - zbog
toga što se njihovi elektroni ne mogu kretati slobodno.
Poluprovodnici, kao što im i samo ime kaže, nalaze se
negde između; oni se obično ponašaju više kao izolatori, ali
pod nekim uslovima mogu provoditi električnu energiju. U
početku su se istraživanja poluprovodnika koncentrisala na
proučavanje silicijuma. Međutim, sam silicijum ne može
emitovati svetlost. Pronalazak tranzistora 1948. godine u Bell
Laboratories od strane Vilijama Šoklija (Wiliama Schockleya),
Valter Bratana (Waltera Brattaina) i Džona Bardina (Johna
Bardeena), stimulisao je istraživanja na ostalim
poluprovodnicima. On je takođe osigurao konceptualni okvir
koji će na kraju dovesti do razumevanja emisije svetlosti u
poluprovodnicima. 1952. godine Hajnrih Velker (Heinrich
Welker) iz Simensa (Siemensa) u Nemačkoj, ukazao je da se
potencijalno korisne elektronske stvari mogu izraditi od
poluprovodnika sastavljenih od elemenata III i IV grupe
periodnog sistema. Jedan od takvih poluprovodnika, galijum-
arsenid, GaAs, postao je jako važan u potrazi za efikasnim
laserom koji bi se mogao koristiti u komunikacijama.
20
Celi je niz fundamentalnih istraživanja koja su morala
prethoditi korišćenju GaAs kao osnove za poluprovodnički
laser: studije o razvoju kristala visoke čistoće sloj po sloj,
istraživanje defekata, dapanda (nečistoće dodate čistoj
materiji radi menjanja njenih svojstva) i analize uticaja
toplote na stabilnost spoja. Sledeći napretke u tim granama,
grupa istraživača zaposlenih u General Electric, IBM, i Lincoln
Laboratory, Massachusetts Institute of Technology, razvila je
1962. GaAs laser. Međutim, jedan stari problem još uvek je
postojao: pregrevanje. Laseri koji su napravljeni od jednog
poluprovodnika, obično GaAs, nisu jako efikasni. Oni još uvek
za pokretanje laserske akcije trebaju mnogo električne struje
zbog čega se jako brzo greju, te je ponovo moguć samo
pulsni režim rada lasera koji nije pogodan za primenu u
komunikacijama. Fizičari su isprobavali razne metode
odvođenja toplote- npr., stavljali su drugi materijal koji je bio
dobar provodnik toplote na površinu lasera, ali bez uspeha.
1963. godine Herbert Kemer (Herbert Koemer) sa Kolorado
univerziteta (University of Colorado) predložio je drugačiju
metodu izrade poluprovodničkog lasera- treba napraviti laser
koji se sastoji od “sendviča” poluprovodnika, sa tankim
aktivnim slojem između dve ploče različitog materijala. Za
postizanje laserske akcije unutar tankog aktivnog sloja
potrebno je malo električne energije, pa se i zagrevanje
poluprovodnika može držati na kontrolisanom nivou. Takvi,
slojeviti, laseri se ne mogu izraditi jednostavnim umetanjem
21
aktivnog sloja između ploča drugog materijala. Atomi u
poluprovodničkom kristalu formiraju tzv. rešetku, a elektroni
osiguravaju vezu između atoma. Da bi se napravio višeslojni
poluprovodnički laser s potrebnim vezama između atoma,
potrebno je da poluprovodnički kristal izrasta kao celovita
jedinica nazvana višeslojni kristal. 1967. godine istraživači
Morton Paniš (Morton Panish) i Izuo Hijaši (Izuo Hayashi) iz
Bell Laboratories predložili su mogućnost stvaranja prikladnog
višeslojnog kristala koristeći modifikovani oblik GaAs, u kojem
bi se neki atomi galijuma zamenili atomima aluminijuma,
proces nazvan dopiranje. Međuatomski razmak u
modifikovanom spoju GaAs razlikovao bi se od
međuatomskog razmaka u spoju čistog GaAs za svega 1
promil. Istraživači su pretpostavili da bi se narastanjem
kristala s obe strane GaAs, laserska akcija u AlGaAs
ograničila samo unutar tankog sloja GaAs. Nakon nekoliko
godina rada, put do lasera "čvrstog stanja"- malog
poluprovodničkog aparata koji radi na sobnoj temperaturi -
bio je otvoren.
3. Fizički procesi u laseru
Laser jeste izvor i pojačivač veoma usmerenog snopa koherentnog svetla
tj. koherentnog elektromagnetnog zračenja (infracrvenog, vidljivog i UV).
22
Rad samog lasera zasniva se na kvantiniziranim energetskim stanjima i
kvantiniziranosti energije pri prenosu zračenjem. Na tom principu sačinjen je
prvi MASER odnosno pojačivač u mikrotalasnom području. Iz tog razloga je
laser u početku nazvan kvantno pojačalo ili optički maser.
Mnogo kasnije uspelo je stimulisati emisiju zračenja u tečnostima. Prve
pokušaje načinio je Stokman (1964), a tek su Sorkin i Lankard (1966)
načinili laser sa tečnošću koja je bila ''rastvor'' organske materije. Zbog toga
se ova vrsta lasera naziva i laser sa bojom ili bojeni laser. Šafer, 1966.god.,
primenom koncentracije ili primenom refleksivnosti ogledala menja talasnu
dužinu do 60[nm]. Kasnije su konstruisani laseri sa kratkim impulsima i
kontinualni laseri.
Razmena energije zračenjem- kao što je rečeno, laser se zasniva na
interakciji atoma ili molekula sa vlastitim zračenjem i makroskopskim
rezonantnim šupljinama. U optičkom i infracrvenom delu spektra, emisija
nastaje radijacijskim prelazima atoma iz stanja više u stanje niže energije.
Emisija svetla nastaje kao posledica promene energije atoma ili molekula.
Takva emisija svetlosti se može shvatiti kao zatvoreni sistem i tada se
dolazi do zakonitosti koje tumače pojačanje svetlosti u atomskoj sredini.
Tako definisana atomska sredina sa vlastitim poljem zračenja, zatvorena
unutar optičkog rezonatora daje, uz određene uslove, takozvane laserske
oscilacije. Razmena energije zračenja sa atomima ili molekulima dešava se
apsorpcijom i stimulisanom emisijom zračenja. Ta se razmena može objasniti
na jednostavnom modelu atoma sa dva energetska nivoa.
Ovaj model je okarakterisan stanjima ψ1 i ψ2 kao i energijama E1 i E2.
Prelaz iz stanja u stanje moguć je razmenom energije. Razmena energija
23
jednaka je razlici E2 i E1. Ona određuje frekvenciju emitovanog ili
apsorbovanog zračenja:
h⋅ν = E2 - E1
3.1 Spontana i stimulisana emisija. Apsorpcija
Procesi spontane i stimulisane emisije i apsorpcije, do kojih dolazi pri
interakciji elektromagnetnih talasa sa materijom, su tri fundamentalne pojave koje
se koriste u laserima.
Slika 3 - Šematski dijagram procesa spontane emisije (a), stimulisane emisije (b)
i apsorpcije (c).
- Spontana emisija
Pod pojmom sredine podrazumevaćemo sistem atoma ili molekula koji se
karakteriše skupom kvantnih stanja i njima odgovarajućih energija. Izdvojimo iz
toga skupa dva energetska nivoa: osnovni nivo 1 sa energijom E1 i pobuđeni nivo 2
čija je energija E2, (E2>E1). Neka se u početnom trenutku sistem nalazi u stanju
24
koje odgovara nivou 2. Pošto je E2>E1, atom teži da pređe na nivo 1. Pri tome
prelazu izdvaja se energijaE2−E1, i to: a) kao energija spontano emitovanog fotona
hν, b) bez emisije fotona (npr., energija prelazi u kinetičku energiju okolnih
molekula). Vjerovatnoća spontane emisije može se definisati na slijedeći način:
Pretpostavimo da se u trenutku t na nivou 2 nalazi N2atoma (u jedinici
zapremine). N2 je naseljenost ili populacija nivoa 2. Brzina prelaza tih atoma na
niži nivo, uslijed spontane emisije, određena je formulom :
(d N2/dt )sp=−A N 2.
Tu je A tzv. Ajnštajnov koeficijent koji predstavlja verovatnoću spontane
emisije. Veličina τ sp=1/A je spontano vreme života.
Pretpostavimo ponovo da se u početnom trenutku atom nalazi na višem
nivou 2 i da na sredinu pada elektromagnetni talas frekvencije ν. Frekvencija
upadnog talasa jednaka je frekvenciji spontano emitovanog talasa, što znači da
postoji mogućnost da upadni talas stimuliše prelaz atoma sa nivoa 2 na nivo 1. Pri
tome će se razlika energija E2−E1 izdvojiti u vidu elektromagnetnog talasa koji će
biti dodan upadnom . Između procesa spontane i stimulisane emisije postoji bitna
razlika. U slučaju spontane emisije atom emituje elektromagnetni talas čija faza i
smjer prostiranja mogu biti različiti od talasa emitovanog drugim atomom te iste
sredine. Za razliku od toga, u slučaju stimulisane emisije, pošto je proces iniciran
upadnim elektromagnetnim talasom, emisija svih atoma te sredine se dodaje tom
upadnom talasu i ima istu fazu i smjer prostiranja. Proces stimulisane emisije može
se opisati formulom:
(d N2/dt )sp=−W 21 N2
25
gde je (d N2/dt )sp brzina prelaza na račun stimulisane emisije. Verovatnoća
stimulisane emisije W, za razliku od vjerovatnoće spontane emisije A, zavisi ne
samo od konkretnog prelaza, već i od intenziteta upadnog elektromagnetnog talasa,
tačnije:
W 21=σF
- Apsorpcija
Pretpostavimo sada da se atom nalazi na nivou 1 i da na sredinu pada
elektromagnetni talas frekvencije ν. Verovatnoća prelaza sa nivoa 1 na nivo 2, tj.
verovatnoća apsorpcije W12, definiše se formulom:
dN1 / dt = −W 12 N 1,
gdje je N1 naseljenost nivoa 1. I ovdje važi:
W 12= σ 12 F
gdje je σ 12 presek za apsorpciju. Ajnštajn je pokazao da je σ 12=σ21=σ gdje je sa σ
označen presek datog prelaza 1↔2.
Tri procesa koja smo upravo opisali, na “jeziku fotona” mogu se opisati na
sledeći način: a) pri spontanoj emisiji atom, emitujući foton, prelazi sa nivoa 2 na
nivo 1, b) pri prinudnoj emisiji upadni foton izaziva prelaz 2→1, uslijed čega
dobijamo dva fotona (upadni plus emitovani), c) pri apsorpciji upadni foton se
apsorbuje, izazivajući prelaz 1→2.
26
3.2 Princip rada lasera
Slika 4 - Izmena gustine fluksa fotona dF pri prolazu elektromagnetnog talasa kroz sloj debljine dz.
Pretpostavimo da se u sredini sa dva izdvojena proizvoljna energetska nivoa,
čije su naseljenosti N1 i N2, prostire elektromagnetni talas u smjeru z ose. Izmena
gustine fluksa fotona dF, uzrokovana procesima stimulisane emisije i apsorpcije u
sloju debljine dz, na osnovu jednačina, određena je formulom:
dF = σF (N2-N1) dz.
Ako je N2<N1, tada je dF / dz<0 i sredina je apsorbujuća, a u slučaju kada je N2>N1
sredina je “pojačavajuća” (jer je dF/dz > 0). Naseljenost nivoa u termodinamičkoj
ravnoteži se opisuje Bolcmanovom statistikom:
(N2−N 1)tdr = exp [ -(E2 - E1) / k B T],
27
gde je k B=¿ 1, 381 10−23 J/K Bolcmanova konstanta (umesto uobičajene oznake k,
koristimo oznaku k B, da bismo razlikovali Bolcmanovu konstantu od talasnog broja
k = 2π / λ, gde je λ = V / ν talasna dužina zračenja), a T apsolutna temperatura
sredine. Dakle, u slučaju termodinamičke ravnoteže je N2 ˂ N1 (jer je T>0) i sredina
apsorbuje zračenje frekvencije ν. Međutim, ako na neki način uspemo da ostvarimo
neravnotežno stanje za koje je N2 ˃ N1, tada će sredina delovati kao pojačivač. U
tom slučaju, kažemo da imamo inverziju naseljenosti u sredini i takvu sredinu
nazivamo aktivna sredina.
Da bi se pojačivač pretvorio u generator elektromagnetnog zračenja
neophodno je ostvariti povratnu spregu. Kod masera se to postiže tako što se
aktivna sredina postavlja u rezonator čija je rezonantna frekvencija ν, dok se kod
lasera aktivna sredina postavlja između dva ogledala.
Slika 5 – Šema lasera
28
Ravni elektromagnetni talas koji se prostire u smeru pod pravim uglom na
ogledala će se naizmenično reflektovati od njih, pojačavajući se pri svakom
prolazu kroz aktivnu sredinu. Ako je jedno od ogledala delimično propusno, tada
se na izlazu iz sistema može izdvojiti snop korisnog zračenja. I kod masera i kod
lasera generacija je moguća ako je zadovoljen neki granični uslov – prag
generacije. Npr., kod lasera do generacije dolazi u slučaju kada pojačanje aktivne
sredine kompenzuje gubitke u njoj (u gubitke ubrajamo i “korisne gubitke” na
račun izlaza zračenja kroz delimično propusno ogledalo). Na osnovu jednačine,
pojačanje zračenja za jedan prolaz u aktivnoj sredini (tj. odnos izlazne i ulazne
gustoće fluksa fotona) je exp [σ (N2−N1)l], gde je l dužina aktivne sredine.
Ako sa R1i R2 označimo koeficijente refleksije ogledala, tada su gubici
R1 R2 i prag generacije se dostiže ako je:
tj. kada inverzija naseljenosti N2 - N1 dostigne tzv. kritičnu inverziju:
Tek kada je dostignuta kritična inverzija moguće je razlikovati generaciju od
spontane emisije zračenja. Upravo opisani mehanizam čini osnovu laserskih
generatora – lasera.
3.3 Stvaranje inverzne naseljenosti
29
Razmotrimo sada kako se može postići inverzija naseljenosti. Na prvi
pogled izgleda da se to može postići u sistemu sa dva nivoa i sa dovoljno jakim
elektromagnetnim poljem frekvencije ν. Pošto je u termodinamičkoj ravnoteži nivo
1 naseljeniji od nivoa 2, apsorpcija će prevladati prinudnu emisiju, tj. biće više
prelaza 1→2 nego prelaza 2→1. Problem nastupa kada postane N1 = N2. Tada se
procesi prinudnog zračenja i apsorpcije uzajamno kompenzuju i sredina postaje
propusna za elektromagnetne talase frekvencije ν. Tada se obično govori o
zasićenju sistema sa dva nivoa.
Dakle, koristeći samo dva nivoa nije moguće ostvariti inverziju naseljenosti.
Postavlja se pitanje da li se to može postići sa tri ili više nivoa. Pokazuje se da
može, i, u zavisnosti od broja “radnih” nivoa iz (neograničenog) skupa stanja
atomskog sistema, govorićemo o sistemu sa 3, 4 i više nivoa. Kod laserskog
sistema sa tri nivoa atomi se prvo prevode sa osnovnog nivoa 1 na nivo 3. Ako je
izabrana takva sredina u kojoj atom, kada se nađe na nivou 3, brzo prelazi na nivo
2, tada se u takvoj sredini može ostvariti inverzija naseljenosti između nivoa 2 i 1.
Kod laserskog sistema sa četiri nivoa atomi se takođe prevode sa osnovnog
nivoa (označimo ga sada kao nulti nivo) na nivo 3. Ako nakon toga atomi brzo
prelaze na nivo 2, tada će se između nivoa 2 i 1 pojaviti inverzija naseljenosti.
Kada kod takvog lasera sa četiri nivoa dođe do generacije, atomi pri procesu
prinudne emisije prelaze sa nivoa 2 na nivo 1. Zato je, za neprekidan rad lasera sa
četiri nivoa, neophodno da atomi koji se nađu na nivou 1 vrlo brzo prelaze na nulti
nivo. Inverziju naseljenosti je lakše postići kod lasera sa četiri nivoa. Pošto je
obično E2−E1˃˃ k B T , u skladu sa Bolcmanovom statistiko gotovo svi atomi se pri
termodinamičkoj ravnoteži nalaze u osnovnom stanju. Zato je kod sistema sa tri
nivoa potrebno prevesti više od polovine atoma sa osnovnog nivoa 1 preko nivoa 3
na nivo 2, da bi nastala inverzija naseljenosti. Za razliku od toga, kod lasera sa
četiri nivoa, nivo 1 je nenaseljen i inverzija naseljenosti se može postići i ako se
30
samo jedan atom prevede na nivo 2 (prolazeći nivo 3). To je znatno jednostavnije i
zato je bolje tražiti takve aktivne sredine koje rade po šemi četiri ili više nivoa.
Slika 6 - Šema laserskog sistema sa tri (a) i četiri (b) nivoa
Proces prelaska atoma sa nivoa 1 (0) na nivo 3 nazivaćemo pumpanjem
sistema sa tri (četiri) nivoa. Pumpanje se može vršiti pomoću lampi ili pomoću
električnog pražnjenja. Brzina kojom se uslijed pumpanja naseljava laserski nivo 2
je:
gde je N g naseljenost osnovnog nivoa (eng. ground - osnova), a W p brzina
pumpanja. Prag generacije se postiže kada je brzina pumpanja veća od neke
kritične brzine W kr.
3.3.1 Načini pobuđivanja
31
Već pominjana inverzija naseljenosti može se postići optičkom ili
elektronskom pobudom. Uobičajeno je da se postupak stvaranja inverzne
naseljenosti naziva pumpanje.
Pumpanje elektronskim snopom - glavne konfiguracije u elektronskom
pumpanju jesu:
a) pumpanje sa strane ili Farbi-Perotova šupljina tj. rezonator je upravan na
laserski snop
b) pumpanje sa kraja- rezonator je paralelan sa snopom i
c) konfiguracija sa potpunom internom refleksijom.
Dubina prodiranja elektrona raste sa porastom energije elektrona, sve dok se
ne postigne energija elektrona koja oštećuje kristal poluprovodnika (290 KeV), za
kadmijum-sulfid (CdS).
Energija upadnog elektrona, potrebna da se stvori par elektron-šupljina, (tj.
da se izbaci elektron iz valentine veze, u kojoj ostaje šupljina, u provodnu vezu),
zavisi od energije zabranjenog pojasa.
Broj parova elektron-šupljina, stvorenim po upadnom elektronu energije E,
približno je E/E1. Budući da se ostala energija pretvara u toplotnu, rad sa velikim
energijama moguć je samo u impulsnom režimu rada. Na ovaj način se postižu
veoma visoke energije, npr. za kadmijum-sulfid, snaga je oko 400 KW na
temperaturi od 300 K.
Optičko pumpanje – poluprovodnički spoj pobuđuje se optičkim izvorom u
kome fotoni imaju energiju veću od energije zabranjenog pojasa. U tu svrhu se
koriste poluprovodnčki laseri. Obično su to laseri na bazi galijum-arsenida (GaAs)
ili galijum-arsen-fosfora (Ga(AsP)) ili srebro-galijum-arsenida ((AgGa)As).
Međutim, moguće je i pumpanje sa izvorom čiji fotoni imaju energiju manju
od energije zabranjenog pojasa, ukoliko se odvija tzv. dvofotonska apsorpcija. Za
32
takav proces potrebni su veoma snažni izvori, a ujedno je i manje efikasan od
jednofotonskog pumpanja.
3.4 Osobine laserskih snopova
Lasersko zračenje se karakteriše izuzetno visokim stepenom
monohromatičnosti, koherentnosti, usmerenosti i velikim intenzitetom. Ono ima
određenu polarizaciju i veliki sjaj.
- Monohromatičnost
Monohromatičnost laserskog zračenja je bazirana na sledećim činjenicama:
pojačavaju se samo elektromagnetni talasi frekvencije ν, i generacija nastaje samo
pri rezonantnim frekvencijama rezonatora koji se sastoji od dva ogledala. Širina
linije laserskog zračenja je mnogo uža (približno za šest redova veličine) od obične
širine linije prelaza 2→ 1 koji se zapaža pri spontanoj emisiji.
- Koherentnost
Za svaki elektromagnetni talas nezavisno se mogu definisati pojmovi
prostorne i vremenske koherentnosti. Neka su P1 i P2 dve tačke u prostoru,
izabrane na takav način da u trenutku t = 0 kroz njih prolazi talasni front
elektromagnetnog talasa, i neka su E1(t) i E2(t) odgovarajuća električna polja u tim
tačkama. Razlika faza električnog polja P1 i P2 u trenutku t = 0 je Φ2 - Φ1 = 0. Ako
je Φ2 - Φ1 = 0 u svakom trenutku t ˃ 0, tada između tačaka P1 i P2 imamo apsolutnu
prostornu koherentnost. Ako je taj uslov ispunjen za svaki par tačaka talasnog
33
fronta, tada kažemo da se dati talas karakteriše apsolutnom prostornom
koherentnošću. Za svaku tačku P1 (ako postoji korelacija faza), tačka P2 je
smeštena unutar neke konačne oblasti (koja uključuje i tačku P1). U tom slučaju,
kažemo da se talas karakteriše parcijalnom prostornom koherentnošću, pri čemu se
za svaku tačku P može definisati oblast koherentnosti Skoh (P).
Da bismo definisali vremensku koherentnost razmotrimo električno polje
talasa u datoj tački P u trenucima t i t + τ. Ako je u vremenskom intervalu τ između
ta dva trenutka razlika faza Φ2 - Φ1 konstantna, tada kažemo da postoji vremenska
koherentnost u intervalu τ. Ako je taj uslov ispunjen za svaku vrednost τ , talas se
karakteriše apsolutnom vremenskom koherentnošću, a ako je ispunjen samo za 0 <
τ < τ 0, tada govorimo o parcijalnoj vremenskoj koherentnosti, sa vremenom
koherentnosti τ 0.
- Usmerenost
Aktivna sredina je smeštena u rezonator (npr. planparalelni rezonator). Samo
oni elektromagnetni talasi koji se prostiru duž ose rezonatora (ili vrlo blizu nje) se
održavaju i pojačavaju. Razmotrimo snop apsolutno prostorno koherentnih talasa
sa ravnim talasnim frontom, koji pada na ekran E sa aperturom D0. Prema
Hajgensovom principu talasni front u nekoj ravni R iza ekrana se formira
superpozicijom elementarnih talasa koji polaze od svake tačke otvora.
Divergencija snopa θd može se izračunati na osnovu teorije difrakcije. Ako je λ
talasna dužina laserskog zračenja, tada je:
Koeficijent proporcionalnosti je reda veličine jedinice. Snop čija je
divergencija određena formulom naziva se difrakciono ograničenim. U
34
odgovarajućim uslovima može se postići da izlazni snop laserskog zračenja iz
rezonatora bude difrakciono ograničen. Zaključujemo da je divergencija laserskog
zračenja mala, tj. lasersko zračenje se odlikuje visokim stepenom usmerenosti.
Slika 7 – Divergencija ravnog elektromagnetnog talasa uzrokovana difrakcijom.
- Polarizacija
Oscilacije vektora električnog polja kod prirodne svetlosti imaju sve moguće
pravce. Svi pravci su jednako verovatni, jer se svetlosni talas takve nepolarizovane
svetlosti sastoji od velikog broja talasa koje emituju atomi u pobuđenom stanju.
Međutim, ukoliko se oscilacije svetlosnog vektora odvijaju po nekom zakonu, a ne
stohastički i tada govorimo o polarizovanoj svetlosti. Ako se oscilacije svetlosnog
vektora odvijaju samo u jednoj ravni, tada govorimo o linearno polarizovanoj
svetlosti. Za razliku od prirodne svetlosti, lasersko zračenje je najčešće
polarizovano na određeni način. Polarizacija može biti i kružna i eliptična.
35
Slika 8 - Svetlosni zrak nepolarizovane (a) i polarizovane (b) svetlosti.
- Sjaj
Sjaj izvora elektromagnetnih talasa se definiše kao snaga zračenja
emitovanog sa jedinice površine izvora u jedinični prostorni ugao. Razmotrimo
element dS površine izvora u tački O. Snaga dP koju emituje element površine dS
u prostorni ugao dΩ u smeru OO′ je (u sfernim kordinatama):
dP = Bcosθ dS d Ω,
gde je θ ugao između OO′ i normale n na površinu dS. B je sjaj izvora u tački O u
smjeru OO′. Faktor cosθ u formuli je povezan sa tim da je fizikalno bitna veličina
projekcija površine dS na ravan okomitu na smer prostiranja OO′. Ako B ne zavisi
od ugaonih sfernih kordinata θ i ϕ, tada kažemo da je izvor izotropan (Lambertov
izvor). Sjaj lasera je za nekoliko redova veličine veći od sjaja običnih izvora. To je
uzrokovano visokom usmerenošću laserskog snopa.
36
Slika 9 – Sjaj izvora elektromagnetnog zračenja iz tačke O u smeru OO ′
3.5 Optički rezonatori
Laser se sastoji od aktivnog sredstva, uređaja za stvaranje inverzije
naseljenosti u aktivnom sredstvu (uređaja za pumpanje) i optičkog
rezonatora. Optički rezonator jeste šupljina ograničena reflektujućim pločama.
Najjednostavniji je tzv. otvoreni rezonator, ograničen samo sa dve suprotno
postavljene reflektujuće ploče.
Svrha lasera jeste pojačavanje koherentnog zračenja pomoću aktivnog
sredstva u laseru. Upravo iz tog razloga, u samom rezonatoru se mora
nalaziti dovoljna količina aktivnog sredstva. Pojačavanje zračenja treba da je
u uskom pojasu frekvencija. To se ne može postići tzv. zatvorenim
rezonatorom, koji za dobijanje zračenja određene frekvencije mora imati
šupljine veličine reda talasne dužine, što nije pogodno za svetlosne
frekvencije. U tom slučaju, u rezonatoru ne bi bilo dovoljno aktivnog
sredstva, što bi prouzrokovalo rezonovanje na više frekvencija odnosno bio
37
bi multimodan. Ovim se postiže veoma nizak nivo monohromatičnosti
pojačanog zračenja.
Tipovi rezonatora - većina upotrebljavanih laserskih rezonatora ima
ravna ili sferna ogledala, pravougaonog ili kružnog oblika, razmaknuta na
udaljenost L, koje može biti od nekoliko milimetara do 1m.
Planparalelni rezonator - sastoji se od dva razmaknuta, ravna
ogledala, postavljena paralelno. U prvoj aproksimaciji može se uzeti da su
modovi tog rezonatora suprepozicija dvaju elektromagnetnih talasa koji se
šire u suprotnim smerovima duž ose šupljine. U toj aproksimaciji rezonantne
frekvencije dobijaju se uz uslov da je dužina šupljine L više kratkih
polutalasnih dužina, tj.
gde je n prirodan broj.
Time se dobija takozvani stojeći talas u rezonatoru, tj. električno polje
na oba ogledala je jednako nuli. Rezonantne frekvencije su:
gde je c brzina svetlosti.
Izgled planparalelnog rezonatora dat je na sledećoj slici:
38
Koncentrični (sferni) resonator - sastoji se od dva sferna ogledala istog
poluprečnika zakrivljenosti i razmaknuta na udaljenost od L=2R, tako da se
središta zakrivljenosti ogledala poklapaju. Modove ovog rezonatora čini
superpzicija dvaju talasa koji se kreću u suprotnim smerovima, a izviru u
središtu zakrivljenosti ogledala.
Konfokalni rezonator - sastoji se od dva sferna ogledala, istog
poluprečnika zakrivljenosti R i razmaknuta na udaljenosti L=R, tako da im
se žarišta poklapaju. Zraci koji kreću iz žarišta, nakon četiri refleksije,
ponovo prolaze kroz istu tačku.
39
Kombinovani rezonatori - od ravnog i sfernog ogledala jesu, npr.
helikonfokalni i helisferni rezonatori. Pored ovoga, postoje rezonatori koji su
sačinjeni od dva sferna ogledala, jednakih poluprečnika zakrivljenosti i
razmaknuta na udaljenost L, tako da je L<L<2R i L<R.
Svi ovi rezonatori mogu se posmatrati kao posebni primeri opšteg
rezonatora, napravljeni od dva ogledala, različitih R i razmaknutih na
rastojanje L.
Rezonatori se mogu razvrstati u dve grupe: stabilni i nestabilni.
Rezonator je nestabilan ako prizvoljan zrak paralelan osi rezonatora
nakon naizmeničnih refleksija na ogledalima, divergira sve dalje od ose
rezonatora.
Obrnuto, rezonator je stabilan ako ukoliko zrak ostaje unutar ogledala.
40
Uslov za stabilnost rezonatora jeste:
0<g1, g2<1 gde su
g1= 1- L/R1 i g2= 1-L/R2 ; R1 i R2 –poluprečnici zakrivljenosti i L-
razmak između ogledala.
Uslov za nestabilnost jeste:
g1g2>1 (pozitivni rezonator)
g1g2<0 (negativni rezonator)
Optika tankih slojeva kod lasera - nezamenljivi deo lasera, jeste
optički rezonator sastavljen od dva ogledala, pri čemu jedan ima najveći
mogući faktor refleksije (~99,7%), a drugi nešto manji (~97%). Pored ovoga,
ogledala moraju imati što manji koeficijent apsorpcije (~0,2%). Ukoliko se
apsorpcija povećava, vek trajanja se smanjuje, posebno kod lasera veće
snage. Upravo zbog toga, ogledala se izrađuju od dielektričnih materijala
takozvanim naizmeničnim naparavanjem slojeva, sa malim i velikim
indeksima loma, određenih debljina u visokom vakuumu. Proporcionalno, sa
brojem slojeva povećava se i refleksivnost reflektora, pa isti imaju i do 30
slojeva.
Osim za laserske rezonatore, tanki slojevi primenjuju se i za izradu
antireflektnih slojeva u laserskim sistemima (posebno u IR području) tzv.
tankoslojnih polarizatora, delitelja snopa itd. Materijali koji se naparavaju
jesu najčešće ZnS, MgF2, Al2O3, SiO2, TiO2…
41
4. Neke vrste lasera
Gasni laser
Kod ove vrste lasera,aktivno sredstvo u kome se pobuđuje inverzija naseljenosti
jeste gas. Gasni laseri rade u veoma širokom pojasu talasnih dužina od
ultraljubičastog do infracrvenog dela spektra. Izlazno zračenje karakteriše visok
nivo monohromatičnosti i koherentnosti koji su posledica male gustine čestica i
prostorne homogenosti. Međutim, zbog male gustine gasa, ne može se očekivati
velika gustina pobuđenih čestica, pa su zbog toga i izlazne energije ove vrste lasera
dosta niže u odnosu na čvrste lasere. Ali u poslednje vreme, rad sa visokim
pritiskom gasa i primena novih metoda pobude , umnogome su povećali izlazne
energije gasnih lasera. U pomenute metode ubrajaju se: hemijska pobuda, optičko
pumpanje i dr.
Gasni laseri razvrstavaju se u tri grupe:
Neutralini atomski laseri
Jonski
Molekulski
U slučaju prvog, atomi se pobuđuju jednosmernim poljem sa elektrodama
unutar cevi ili pak visokofrekventnim poljem u bezelektrodnoj cevi. Ukoliko se
pobuđuju na ovaj način, sudarna elektronska frekvencija je mnogo veća od
frekvencije primenjenog polja. Frekvencije polja se kreću u intervalu od 5-50
MHz, a prednost ove metode ogleda se u pružanju mogućnosti upotrebe hemijski
aktivnih gasova. Elektroni ubrzani u električnom polju sudaraju se sa atomima u
osnovnom stanju i pobuđuju ih na jedno od viših stanja. Ovaj proces je poznat po
42
nazivu neelastični sudarni proces, koji se dešava između atoma i atoma, odnosno
atoma i molekula. Zbog toga se, kao rezultat neelastičnih sudara, atomi i molekuli
nalaze u mnogo pobuđenih stanja. Ukoliko je više atoma u nekom višem nivou u
odnosu na niži, nastaće inverzija naseljenosti, a samim tim i mogućnost laserske
akcije.
Optički pumpani neutralni atomski laseri
Najvažniji laser ove vrste jeste cezijumski laser u kome se stvaranje
laserskog snopa odvija u parama cezijuma dobijenih grejanjem istog u
vakuumu. Da bi se pomenute pare pobudile, osvetljavaju se helijumovom
svetiljkom koja zrači veoma intenzivno zračenje talasne dužine λ¿388.8 ∙10−9 .
Povratak cezijumovih atoma u osnovno stanje ide preko intermedijalnih
procesa. Inverzija naseljenosti nastaje na dva para nivoa, a lasersko zračenje je
u IR području.
Jonski laseri
Ovi laseri se dele na:
Lasere metalnih jonskih para i
Lasere jona plemenitih gasova
Primer prve grupe je helijumsko-kadmijumski, a druge argonski laser.
Molekulski laseri
Ovi laseri rade u području molekulskog spektra. Za pobudu ove vrste lasera
koristi se hemijsko i optičko pumpanje. U nekim laserskim sistemima, za
pobudu molekula predajom energije putem sudara, dodaju se i pomoćne
komponente, na primer ugljen-dioksid, vodonik i helijum. Takav laser daje
zračenja velike snage.
43
Hemijski laseri
Hemijski laseri predstavljaju lasere kod kojih se inverzija naseljenosti stvara
direktno ili indirektno za vreme egzotermne hemijske reakcije. Većina
hemijskih lasera radi na vibracijsko-rotacijskim prelazima, jer mnoge
egzotermne gasne reakcije oslobađaju svoju energiju preko vibracijske
pobude nastalih hemijskih veza.
Impulsni hemijski laseri
U ovoj vrsti lasera sa metodom ultraljubičaste fotolize, smeša gasova se
pobuđuje UV zračenjem iz tzv. bljeskalice. Zračenje kratkih talasnih dužina
(180 – 200 nm), pobuđuje disocijaciju komponenata smeše, nakon čega
dolazi do hemijske reakcije. U smeši fluoro-deuterijuma, fluora, ugljen-
dioksida i helijuma, uz pritisak od 50 KPa, energijom bljeska od 2400 J, u
vremenu od 40 mikrosekundi, može se dobiti izlazni impuls od nekoliko
džula u trajanju od 20 mikrosekundi.
Čvrsti laseri
Čvrsti laseri mogu biti:
Rubinski
Neodimski i
Yag laser
Kada je reč o čvrstim laserima treba reći da se inverzija naseljenosti i laserska
akcija odvijaju između diskretnih energetskih nivoa jona distribuiranih u nekom
čvrstom sredstvu.
44
Prema gustini aktivnih jona oni se nalaze između gasnih i poluprovodničkih
lasera.Većinom su jonske gustine čvrstih lasera rezultat kompromisa između izvora
za pobudu i mogućnosti hlađenja aktivnog sredstva, pa takvi laseri najčešće rade
impulsno. Laserski prelazi primećeni su u jonima retkih zemlji, aktinida, i
prelaznih metala. Što se tiče aktanida, do sada su zapaženi laserski prelazi kod
uranijuma U 3+¿¿.
Rubinski laser
Aktivno sredstvo u ovom laseru jeste aluminijum-oksid ( Al2 O3), dotiran jonima
hroma (Cr), između čijih se energetskih nivoa dešavaju prelazi. Rubin je u
ovom slučaju oblikovan u štapić čiji su krajevi strogo paralelni. Za pobudu se
obično koristi ksenonska lampa.
Stakleno-neodimski laser
Stakleni materijali sami po sebi nisu luminiscentni, ali se dodavanjem
određenih aktivatora može izazvati ista. Pošto nemaju kristalnu rešetku, samim
tim ni pravilnu strukturu, očigledno da će se njihova fizička svojstva razlikovati
od kristala. Njihov emisioni spektar koji je veoma važan širi je od
odgovarajućeg spektra kristalnih materijala. Nepravilnost strukture izaziva,
dakle, širenje emisionih linija. Najjednostavniji stakleni laser sastoji se od
staklene šipke aktivirane elementima iz tzv. grupe retkih zemlji (lantanidi),
postavljene između dva ogledala. Oko šipke se nalaze ksenonske lampe.
Kako se kod staklenih lasera inverzija naseljenosti vrši optičkim
pumpanjem, zahteva se energetska šema sa najmanje tri nivoa (kada bi bila
samo dva nivoa, optičko pumpanje moglo bi postići saturaciju u kojoj su
45
populacije oba nivoa jednake). Kada je reč o digresiji između staklenih i
kristalnih lasera, aktiviranih istim jonima, treba reći da je velika prednost na
strani staklenih lasera, jer mogu operisati na sobnim temperaturama sa visokom
efikasnošću. Međutim, njihova glavna slabost jeste mala toplotna provodljivost.
Takođe, pogodni su za visokoenergetske pulsne operacije. Nasuprot ovome,
kristalni laseri imaju veliku toplotnu provodljivost i uže emisione linije, pa se
koriste u kontinualnom režimu rada.
Inače, stakleno-neodimski laseri daju impulse veoma velike snage, energije,
i kratkog trajanja. Staklo je kao lasersko sredstvo vrlo povoljno jer je izotropno,
trajno, jeftino, lako se obrađuje, a mogu se dodavati velike količine primesa. S
ovom vrstom lasera, postignuti su impulsi sa energijom većom od 5KJ, u
trajanju od 3ms, dok neodimski laseri sa Q-prekidanjem imaju snage veće od
17GW, u trajanju od nekoliko ps.
Yag laseri
Kod Yag lasera, kao lasersko sredstvo koristi se itrijum-aluminijum-granat,
dotiran najčešće neodimom (Y 3 Al5 O12 : Nd3+¿¿). YAG ima dobra mehanička
svojstva, visoku temperaturnu provodljivost i lako se obrađuje. Proizvode se
štapići dimenzija 1x15 cm. Za pumpanje se koriste volfram-halogene lampe.
Laserski štapić se hladi vodom koja ujedno filtrira IR zračenje izvora koje bi
ugrejalo štapić. Ova vrsta lasera daje kontinuirano zračenje snage do nekoliko
KW.
46
5.Primena lasera i mogućnosti koje pružaju laserske
tehnologije
Proizvodnja različitih tipova lasera, njihovo tehnološko usavršavanje i
povezivanje sa optikom i elektronikom, otvorilo se nova područja nauke i
tehnologije. Istvoremeno, mnoge grane ljudske delatnosti prepoznale su važnost
laserskih tehnologija, što dovodi do primene lasera u industriji, u medicini i
stomatologiji, u telekomunikacijama, i energetici.
Nepunih 15 godina od otkrića He-Ne laseri postali su osnova za bar-kod
čitače, uređaje koji registruju crno-beli uzorak na način da se laser reflektuje od
površine koda. Signal nastao refleksijom, digitalizuje se i arhivira u računaru.
Svaki prozvod identifikuje se prema svom jedinstvenom proizvodnom kodu
(Universal Product Code - UPC). Tehnološka novost vezana za bar-kod čitače su
tzv. 2D bar-kodovi, koji se mogu čitati sa mobilnog telefona, pri čemu kupac u
supermarketu može da očita podatke o proizvodu (sastav, cena, itd.).
Osim što štede vreme u redovima supermarketa, laseri već 20 godina nalaze
primenu u industriji zabave prenoseći nam zvuk visokog kvaliteta, upravo
zahvaljujući svojstvu usmerenosti laserskog zraka. Na taj način, moguće je preneti
zvučni signal u digitalni i obratno, digitalni signal u zvučni signal visokog
kvaliteta. Krajem sedamdesetih godina prošlog veka, Sony i Phillips započeli su
razvoj nosača zvuka na kojima je zvučni signal digitalno kodiran na plastični disk
(Compacd Disc – CD, prečnika 12cm). Digitalni zapis (bit) odgovara
mikrometarskim udubljenjima urezanim u površinu plastičnog nosača zvuka, koji
se reprodukuje tako da laserski zrak prelazi preko tako izbrazdane površine diska i
beleži promene u refleksiji zraka.
47
Sredinom devedesetih, kapacitet CD diska od 74 minuta muzike, znatno je
povećan uvođenjem tzv. digitalnih video diskova (DVD) koji imaju kapacitet da
memorišu film.
2009. godine, blue-ray diskovi (BD) postavili su novi standard sa
kapacitetom od 50 Gb, što je omogućilo memorisanje video-zapisa visoke
rezolucije. Osnovna razlika između ova tri različita formata je talasna dužina lasera
potrebna za zapis informacija na disk. Ona iznosi 780 nm za CD, 650 nm za DVD i
405 nm za BD.
Slika 10 – BD disk
Još jedan uređaj baziran na laserskoj tehnologiji, našao je svoje mesto u
svakodnevnom životu – laserski štampač. Odgovor na pitanje kako lasersk zrak
iscrtava tekst zapravo je baziran na osnovnim fizičkim principima, koji su
primenjeni na jedan sasvim novi, inovativan način. Osnovni princip je statički
elektrictet, koji laserski štampač koristi kao privremeni lepak za koji se lepi boja u
48
obliku praha. Osnovni deo svakog laserskog štampača, uz sam laser je i laserski
bubanj, koji služi kao foto-reflektor. Bubanj je načinjen od fotoelemenata. Na
mestu koje obasjava zrak, nastaje negativan napon. U početku ciklusa, bubanj je
pozitivno naelektrisan i, kako se okreće oko svoje ose, laserski zrak ga obasjava
duž cilindra i “iscrtava” slova i slike načinjene od elekričnih naboja, stvarajući
elektrostatičke slike. Nakon što se na površini bubnja načini željeni uzorak, daljom
rotacijom bubnja, on se zasipa sa pozitivno naelektrisanim tonerom – finom
prahom, koji se lepi na ona mesta na bubnju koja su negativno naelektrisana.
Potom se bubanj kreće preko papira. Papir je prethodno negativno naelektrisan i to
većom količinom negativnog naelektrisanja, tako da na sebe zalepi boju. Konačno,
štampač propušta boju kroz valjke koji zahvaljujući visokoj temperaturi, fiksiraju
boju za papir.
Slika 11 – Unutrašnjost laserskog štampača
49
Slika 12 – Optička vlakna
Laser je postao dominantan uređaj u telekomunikacijama. Pomoći lasera
povezuju se milioni umreženih kompjutera, prebacijući binarni kod u svetlosni
signal, koji se praktično bez ikakvih gubitaka prenosi optičkim kablovima na
velike udaljenosti, i to brzinom od nekoliko terabajta u sekundi.Optičke kablove
čini snop optičkih vlakana (slika 12). Telekomunikacione kompanije počele su da
instaliraju optička vlakna u svoju infrastrukturu još krajem sedamdesetih godina
prošlog veka, a prvi transatlantski optički kabl dugačak nekoliko desetina hiljada
kilometara, povezao je SAD i Evropu 1988. godine. Danas je ceo svet umrežen u
globalnu mrežu (World Wide Web - WWW), a ceo system pokreću jeftine i
pouzdane laserske diode.
Možemo reći da su laseri postali integracioni factor svetskih
(tele)komunikacija. Osim toga, važno je istaknuti da veliki dao današnje
50
mikroelektronske industrije počiva na laserskim tehnologijama koje se koriste za
izradu mikroprocesora postupkom fotolitografije.
Razvoj impulsnih lasera sa kratkim vremenom trajanja impulse omogućio je
koncentrisanje energije lasera u kratkom vremenskom razdoblju, što znači da vršne
snage takvih impulse mogu biti enormno velike. Danas se proizvode laseri veće od
1015 W. Visoki intenziteti impulsnih lasera, omogućili su primenu lasera u obradi
materijala, npr. za rezanje i bušenje materijala. S obzirom na kratko trajanje
impulse, tj. na kratko vreme interakcije medijuma sa impulsom, laserska obrada
materijala ne vodi do topljenja i deponovanja rastopljenog materijala na rubovima
reza, već se material trenutno isparava i stavlja čiste rubove na rezu, čak i za oblike
čije su dimenzije nekoliko desetina mikrona. S obzirom da se lasersi zrak može
kompjuterski navoditi, oblici i položaj useka, rezova i bušotina, njihove dimenzije i
gustina u materijalu koji se oblikuje se mogu unapred planirati, što vodi do
automatizacije proizvodnje i neverovatne preciznosti izrade. Danas se ta svojstva
koriste u autoindustriji.
Slika 13 – Automatizovano zavarivanje karoserije automobila
51
1961. godine u Medicinskom centru Univerziteta Kolumbija izvedena je
prva laserska operacija pri čemu su lekari pomoću rubinskog lasera uklonili
retinalni tumor. Svojstvo laserskog zraka da ulazi u oko a da ga ne ošteti, značajno
se koristi u oftalmologiji.
Slika 14 – Laserska operacija oka
Skoro da nema oblasti medicine, ali i uopšte praktične primene nauke, gde
laseri i laserske tehnologije, ne igraju važnu ulogu. Spomenimo da su laseri imali
važnu ulogu u sekvencionisanju ljudskog genoma, tj. čitanja i dešifrovanja parova
baza koji čine genom. Naime, upotreba lasera ubrzala je taj postupak million puta.
Ovo možda najvažnije otkriće u ljudskoj istoriji ne bi bilo moguće bez lasera.
DNK koja je nosilac genetske informacije, obloži se fluorescentnim materijalom, i
to tako da se svaka baza obeleži specifičnom oznakom baze čime nastaje dd-NTP
(dideoksinukleotid), koja pod uticajem laserskog zraka daje fluorescenciju
specifičnu za datu bazu.
52
Slika 15 - Elektroferogram nakon izvršenog sekvencionisanja
5.1 Primena lasera u vojne svrhe
Vojska je oduvek bila sklona da isproba sve tehnologije koje bi mogle naći
eventualnu primenu unutar njenih sfera interesa. Laserska tehnologija je svakako
jedna od tehnologija koja ima tu neverovatnu osobinu da može sa lakoćom biti
primenjena na više polja interesantnih oružanim snagama. Za razliku od većine
tehnologija koje su limitirane na jednu sferu, laseri pružaju veoma širok spektar
primena i potencijalnih primena koje su za sada još uvek tehnički teško izvodljive .
Komunikacija je svakako jedan od veoma bitnih integralnih delova jedne
moderne armije. Laser se u komunikaciji primenjuje na vaše različitih načina.
Izdvajaju se sistemi komunikacije putem čvrste infrastrukture (optički kabl) i
sistemi koji su mobilni, a komunikaciju je moguće ostvariti ukoliko između dve
tačke postoji optička vidljivost. Laserska svetlost u ovom slučaju predstavlja medij
kroz koji se informacija prenosi. Električni impuls se pretvara u varijaciju
laserskog impulsa i kao takav šalje, a sa druge strane prijemnik (varijanta foto-
detektora) pretvara ovaj signal nazad u električni. Ovaj proces se naziva i
53
modulacija/demodulacija signala i poznat je i u ostalim komunikacionim
sistemima. Signal koji se koristi za lasersku komunikaciju može da bude digitalni
pa tako nije potrebno pretvaranje digitalnih u analogne signale pre transmisije.
Jedna od velikih prednosti laserskog u odnosu na ostale komunikacione sisteme je
veoma velika pouzdanost i gotovo nikakva mogućnost presretanja signala od strane
neprijatelja. Mana ovih sistema je potreba za veoma obrazovanim kadrovima kao i
relativan mali domet sistema bez infrastrukture (optička vidljivost) ili skupa,
sofisticirana i jako osetljiva infrastruktura. Optički kablovi danas nose na sebi
gigantski teret gotovo celokupne komunikacije putem globalne mreže (Internet), a
sistemi zasnovani na optičkoj vidljivosti postaju sve popularniji u bežičnoj
komunikaciji možda upravo zbog činjenice da je izuzetno teško ako ne i nemoguće
presresti tj. prisluškivati ovaj signal. Iako laserska komunikacija pokazuje
neverovatne mogućnosti ona još uvek nije dovoljno razvijena da bi bila u
masovnoj vojnoj primeni. Ovo se uglavnom odnosi na direktnu lasersku
komunikaciju koja je ograničena mnogim faktorima. Brzina prenosa podataka
može biti jako velika ali udaljenost na kojoj se komunikacija može ostvariti
između dva komunikacijska uređaja je mala i pod idealnim uslovima može iznositi
maksimalno 4-5 km. Najveći problem ovde predstavlja degradacija signala usled
promene vremenskih uslova (magla, kiša, sneg i sl.).
Ovo je razlog zašto ne bi trebalo očekivati neku veliku promenu vezanu za
raširenost ove vrste komunikacijskih sistema barem još nekoliko godina. S druge
strane, uslovi u svemiru su znatno bolji. Ovde nema klimatskih promena tako da se
sasvim mirno može reći da će laserska komunikacija među satelitima postajati sve
popularnija.
Druga popularna upotreba lasera u oružnim snagama je za nišanjenje i
označavanje mete. Ovo se može izvesti na više načina. Najjednostavniji nišanski
sistem zasnovan na laseru je laserski pokazivač montiran na ručno oružje koji se
54
sastoji od lasera postavljenog paralelno sa cevi oružja. Laser je obično IR laser sa
talasnim dužinama iz bliskog IR opsega tako da, kada IR snop dođe na metu,
proizvodi crveni odsjaj u vidu tačke. Ovaj sistem se uglavnom koristi na oružju za
blisku borbu (pištolji i automati). Drugi vid nišanskog sistema je sistem zasnovan
na tehnologiji koja se naziva LIDAR (Light Detection and Ranging). Lidar je
kompleksna tehnologija ali se uređaj u osnovi sastoji od lasera, detektora i
računara. Laserski zrak se odbija od mete, detektor registruje povratni zrak, a
računar sprovodi kalkulaciju na osnovu koje može dobiti podatke o udaljenosti,
brzini itd. mete. Ovakav sistem se susreće kod recimo tenkova gde je kompletna
procedura nišanjenja kontrolisana od strane računara koji računa sve parametre
neophodne za siguran pogodak. Ovo je veoma precizan sistem ali se javljaju
problemi zbog činjenice da neke površine ne reflektuju laserski snop dovoljno
dobro ili su pak premazane posebnim zaštitnim sredstvima koja namerno otežavaju
refleksiju odnosno apsorbuju lasersku svetlost. Treći tip laserskog nišanskog
sistema su laser-guided bombs ili LGB-s. Ovaj sistem se sastoji od bombe koja je
opremljena prijemnikom odnosno fotoćelijom koja registruje lasersku refleksiju od
mete, računarskog sklopa koji koristi signal dobijen na ovaj način i upravlja bombu
ka cilju uz pomoć upravljačkog sklopa. S druge strane avion je opremljen
laserskim označivačem koji prema cilju šalje pulsni laserski signal koji je kodiran
na takav način da svaka bomba ima svoj cilj. Drugi način za označavanje bi bilo
montiranje mini laserskog odašiljača unutar parametra mete. Ovakve akcije izvode
specijalne desantne jedinice i koristi se kada je potrebna izuzetna preciznost.
U novije vreme sve se više koriste laseri prilikom vojne obuke. „Laserske
puške“ se koriste na gotovo isti način kao i paint ball puške. Razlika je što su
vojnici opskrbljeni odelima koja sadrže brojne detektore koji registruju „pogodak“,
a preciznost je daleko veća nego kod paint ball oružja.
55
San svakog deteta su laserska oružja koja se često pojavljuju u SF
filmovima. Ova oružja spadaju u tzv. direct energy grupu. To su ona oružja koja
koriste fokusiranu elektromagnetnu energiju za nanošenje štete meti. Iako su u
filmovima veoma popularni laserski pištolji i puške, još se sigurno dugo neće naći
u rukama vojnika. Razlozi za ovo su brojni, a svakako najveći problem predstavlja
energija. Da bi laser mogao naneti štetu on mora imati izvesnu snagu. Snaga lasera
potiče od snage svetlosne energije koja se u većini slučajeva dobija električnim
putem. Laseri su poznati kao veoma veliki potrošači energije. Problem je taj što
laser veliku količinu električne energije rasipa u vidu toplote, a samo mali deo
ostaje u vidu elektromagnetnog zračenja tj. svetlosti. U principu, da bi se napajao
laser koji može služiti kao oružje, potrebna je veoma velika količina električne
energije i shodno tome ogroman generator. Osim ovog energetskog pitanja laseri
imaju problem sa dimenzijama jer laser velike snage pored osnovnih delova mora
imati i sistem hlađenja koji je komplikovan i glomazan. Laserski zrak je efikasan
samo ukoliko je fokusiran što samo po sebi predstavlja veliki problem na većim
udaljenostima jer zrak nije savršeno propusna optička sredina te zbog čestica koje
se nalaze u zraku dolazi do značajnog problema apsorpcije energije i difrakcije
zraka. Osim ovih nekoliko problema postoji još čitav niz drugih vezanih za
tehničke aspekte, ali nabrojani problemi su dovoljni da trenutno ne dozvoljavaju
masovnu upotrebu bilo kakvog laserskog oružja za uništavanje meta. Pored svih
pobrojanih problema ne može se reći da trenutno ne postoje laserski oružani
sistemi. Američka armija je dosta radila na tome da razvije ovakve sisteme pa tako
trenutno, prema nekim saznanjima, postoje dva, u skorije vreme operativna,
oružana sistema zasnovana na laserima. Oba sistema koriste tzv. hemijske lasere u
kojima je laserski medij zapravo kombinacija hemikalija koje oslobađaju dovoljno
energije za kontinuiranu operaciju ovog lasera, a snaga lasera je izražena u
megavatima. Laser montiran na Boing 747 je hemijski laser ili chemical oxygen
56
iodine laser (COIL) koji za operaciju koristi vodonik peroksid (hidrogen) i jod.
Ovaj sistem ima naziv Boing YAL-1 i planirano je da bude namenjen za
uništavanje taktičkih balističkih projektila u njihovoj prvoj fazi lansiranja dok još
uvek koriste raketni motor. Namera nije da se projektil probije ili detonira već da
se oplata istog zagreje do te mere da se raketa raspadne usled nemogućnosti da
oplata zadrži integritet pri datoj brzini leta. Ovaj laser je naslednik jednog ranijeg
projekta koji je pokazao izvesnu efikasnost (projekat se zvao Airborne Laser
Laboratory). Drugi sistem zasnovan na hemijskom laseru je mobilni zemaljski
sistem THEL (Tactical High Energy Laser). Ovaj sistem je montiran na vozilo i
pokazao se kao efikasan u uništavanju različitih projektila u letu. Ovi laseri bi u
skoroj budućnosti mogli postati potpuno operativna oružja.
Za kraj treba spomenuti jednu veoma interesantnu primenu lasera, a to je
takozvani DAZZLER. Radi se zapravo o laserskoj pušci koja koristi laser za
omamljivanje protivnika tako što se usmeri u oči. Ovaj pristup nije novina ali je
1995. godine Konvencijom UN zabranjeno lasersko oružje koje direktno uništava
vid. Pitanje je da li ovaj sistem ostavlja trajne posledice na vid te se sada u tom
smeru i vrše ispitivanja. Personnel Halting and Stimulation Response (PHASR) je
naziv ovog oružja koje bi trebalo da privremeno zbuni i onesposobi protivnika, a
svoju primenu bi moglo više naći u policijskim snagama za obračun sa
prekršiteljima zakona.
Kao što se vidi iz teksta lasersko oružje je još uvek manje-više stvar
budućnosti, možda ne tako daleke. Ali osim direktnog oružja možda su
primamljiviji ostali vidovi primene lasera koji su u konstantnom razvoju.
57
Umesto zaključka
Početak razvoja laserske tehnologije počeo je slučajno i bez potrebe da se
izumi baš laser. Isto tako, ubrzo nakon proslave pedesetogodišnjice lasera,
patentiran je tzv. antilaser, koji će svoju primenu verovatno naći u budućnosti.
„Šest meseci nakon što je po prvi put predloženo kao ideja i šest meseci
nakon proslave jubilarnih pola veka od otkrića lasera, svet je ugledao i prvi anti-
laser. Tim naučnika sa Jejl Univerziteta u SAD konstruisao je aparaturu koja
gotovo u potpunosti apsorbuje upadni laserski zrak.
Laser je uređaj koji daje koherentni monohromatski (samo jedne talasne
dužine) snop svetlosti. U korišćenom medijumu se početnom dovedenom
energijom pobuđuju elektroni, koji zatim zrače fotone. U rezonatoru u kome se
medijum nalazi fotoni se odbijaju o zidove, vraćajući se u materijal i pobuđujući
još elektrona. Rezultat je snop svetlosti koji izlazi iz rezonatora na jednom kraju.
Ovi naučnici radili su na teoriji koja bi predviđala od kojih se materijala može
napraviti medijum u laseru, a njihova je teorija takođe predviđala da se umesto
pojačanja svetlosti u medijumu, može dobiti oslabljenje, apsorpcija svetlosti.
Eksperiment je izveden podelom infracrvenog laserskog snopa na dva dela, zatim
njihovim usmeravanjem na suprotne strane 110 mikrometara debelog silicijuma.
Faze snopova podešene su tako da pri njihovom spajanju dolazi do destruktivne
interferencije, tj. svetlosni talasi se na tom mestu sabiranjem poništavaju. Na taj
način fotoni ostaju u silicijumu dovoljno dugo da bi bili apsorbovani. Uspešnost
ove apsorpcije bila je 99.4%. Menjajući fazu jednog od laserskih snopova pre
upada u silicijum, menjan je način interferencije dva talasa, a time i uspešnost
apsorpcije, do 30%. U nekim drugim uslovima, prema autorima eksperimenta,
apsorpcija bi se mogla menjati od 99 do 1%.
58
Iako anti-laser ne bi mogao biti iskorišćen kao štit od spaljivanja laserom, iz
razloga što apsorbovanu energiju i dalje oslobađa kao toplotu, za sada je uočena
jedna izuzetno značajna potencijalna primena. S obzirom na to da apsorbuje
svetlost samo na jednoj, određenoj talasnoj dužini, kao i to da količina apsorpcije
može biti menjana, anti-laseru se predviđa odlična primena u narednoj generaciji
računara koji bi umesto elektrona koristili svetlost. Ovome u prilog ide i to da se
anti-laser može konstruisati pomoću silicijuma, već opšte prisutnog materijala u
elektronici.“1
1 Preuzeto sa http://www.viva-fizika.org/naucnici-napravili-anti-laser/
59
Literatura:
Milošević Dejan, „Osnovi laserske fizike“
Puđa Nikola, „Upotrba lasera u savremenoj medicini“
Vujičić Nataša, „50 godina lasera – otkriće koje je promijenilo znanost ali i svijet “
Wikipedia, on-line enciklopedija
Google pretraživač
60
Sadržaj
Uvod……………………………………………………………………………….2Osnovni elementi lasera……………………………………………………..3Podela lasera……………………………………………………………...….4
1. Teorije, pojmovi i otkrića potrebni za razumevanje rada lasera 1.1 Talasno-korpuskularna priroda svetlosti……………………………………51.2 Osnovni model atoma………………………………………………………71.3 Neka svojstva čvrstog tela…………………………………………………..91.4 Inverzna populacija………………………………………………………..101.5 Materijali od značaja za polurovodničke lasere…………………………...121.6 Veza između atoma i lasera……………………………………………….13
2. Razvoj laserske tehnologije………………………………………………….14
3. Fizički procesi u laseru……………………………………………………….203.1 Spontana i stimulisana emisija. Apsorpcija……………………………….213.2 Princip rada lasera…………………………………………………………243.3 Stvaranje inverzne naseljenosti……………………………………………27
3.3.1 Načini pobuđivanja………………………………………………….293.4 Osobine laserskih snopova………………………………………………...303.5 Optički rezonatori…………………………………………………………35
4. Neke vrste lasera……………………………………………………………...40
5. Primena lasera i mogućnosti koje pružaju laserske tehnologije…………..455.1 Primena lasera u vojne svrhe……………………………………………51
Umesto zaključka……………………………………………………………..56
Literatura……………………………………………………………………….58
61