Lasery – budowa, rodzaje, zastosowanie

Materiały dydaktyczne dla kierunku Technik Optyk (W12) Kwalifikacyjnego kursu zawodowego.

Budowa i zasada działania lasera

Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation -

wzmocnienie światła poprzez wymuszoną emisję promieniowania) to

kwantowy generator monochromatycznej, spójnej (koherentnej) i

spolaryzowanej wiązki światła.

Obecnie istnieją lasery zdolne do emisji światła z zakresu widma od

nadfioletu do dalekiej podczerwieni. Mechanizm generowania światła

przez lasery opiera się na zjawisku wymuszonej emisji promieniowania

w ośrodku po odwróceniu (inwersji) obsadzeń.

Zasadniczymi elementami lasera są: ośrodek czynny, rezonator

optyczny, układ pompujący.

Ośrodek czynny:

Oddziaływanie światła z materią można wyjaśnić za pomocą trzech zjawisk: pochłanianie fotonów (absorbcja), 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, 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. Akcja laserowa rozpoczyna się od emisji spontanicznej lub wprowadzenia fotonu inicjującego z zewnątrz.

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 (flasha), błysk innego lasera, przepływ prądu w gazie, reakcję chemiczną, zderzenia atomów, wstrzelenie wiązki elektronów do substancji.

Układ optyczny:

Jeżeli ośrodek czynny traktujemy jako generator fali

elektromagnetycznej, to układ optyczny pełni rolę sprzężenia

zwrotnego dla wybranych częstotliwości, dzięki czemu laser generuje

światło tylko o jednej częstotliwości. Układ optyczny składający się

zazwyczaj z dwóch zwierciadeł z czego przynajmniej jedno jest

częściowo przepuszczalne, dokładnie wykonane i odpowiednio

ustawione zwierciadła stanowią rezonator dla wybranej częstotliwości

fali i określonego kierunku ruchu, 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.

Rezonator optyczny (laser CO2)

Ogólna charakterystyka światła laserowego

Światło emitowane przez laser jest falą elektromagnetyczną o ściśle określonych właściwościach, które odróżniają je od naturalnych źródeł takich jak żarówka, płomień czy słońce.

1. Jest monochromatyczne, tzn. że posiada tylko jedną długość fali (kolor), naturalne źródła światła promieniują w szerokim spektrum od podczerwieni do ultrafioletu.

2. Jest koherentne, tzn. że fale świetlne emitowane przez laser posiadają tą samą fazę, natomiast naturalne źródła światła emitują fale o różnych fazach.

3. Jest skolimowane, tzn. że wiązka światła laserowego ma niewielką rozbieżność i łatwo można utrzymać niewielką średnicę wiązki na dużych dystansach.

Rodzaje laserów

Laser rubinowy

Rubin jest to kryształ tlenku glinu (AL2O3), w którym niektóre atomy

glinu są zastąpione atomami chromu. Atomy chromu nadają rubinowi

charakterystyczną czerwoną barwę ponieważ absorbują one żółto-

zieloną część widma. Rolę aktywną a laserze rubinowym spełniają tylko

jony chromu. Monokryształ sztucznego rubinu szlifowany jest do

postaci cylindra o średnicy 5 mm i długości 5 do 10 cm, którego

podstawy są polerowane płasko, równolegle do siebie. Jedna z tych

powierzchni jest pokryta warstwą odbijającą o blisko stuprocentowym

współczynniku odbicia, druga ma odbicie około 50%. Tak przygotowany

kryształ umieszczony jest w lampie błyskowej.

Ksenonowa lampa błyskowa powoduje

wzbudzenie elektronów z poziomu E1 w

stan E2, który tworzy pasmo energetyczne o

sporej szerokości dlatego łatwo fotony z

kość szerokiego przedziału mogą wzbudzać

elektrony. Średni czas przebywania na

poziomie E2 jest krótki i wynosi jedynie 0,05ms. Elektrony wracają więc

do stanów niższych. Wiele z nich przechodzi bezpromieniście (energia

zostaje przekazana sieci krystalicznej i dlatego taki laser musi być

chłodzony) na poziom E3. Średni czas życia na poziomie E3 jest dość

długi wynosi około 3ms i dlatego nazywamy go metastabilnym.

Oświetlenie więc rubinu światłem białym powoduje masowe

przechodzenie elektronów do stanu E3. Proces taki nazywamy

pompowaniem optycznym. Następuje inwersja obsadzeń.

Aby uzyskać silną emisję wymuszoną, konieczne jest utworzenie

optycznej komory rezonansowej. Taką komorę tworzy sam kryształ

rubinu w postaci pręta, którego powierzchnie czołowe są

wypolerowane i pokryte powłokami odbijającymi. Wystarczy wtedy

pojawienie się w pręcie jednego tylko fotonu o częstotliwości

rezonansowej, poruszającego się równolegle do osi pręta, aby

rozpoczął się proces narastania emisji wymuszonej. Foton ten wymusza

bowiem emisję w atomach położonych wzdłuż jego drogi, a powstała

przy tym wiązka fotonów odbijając się wiele razy od przeciwległych

powierzchni lustrzanych oddziałuje z nowymi wzbudzonymi atomami i

wyzwala coraz więcej fotonów. Prowadzi to do lawinowego wzrostu

natężenia promieniowania laserowego.

Światło wysyłane przez laser rubinowy ma

kolor czerwony, odpowiadający długości fali A

= 694,3 nm. Laser rubinowy pracuje

impulsowo.

Obecnie częściej buduje się lasery oparte na

innych materiałach. Przykładem jest laser neodymowy gdzie szkło,

kryształy fluorku wapnia lub inne materiały domieszkowane są

neodymem. W pracy istotne są cztery poziomy energetyczne. Akcja

laserowa zachodzi wtedy między poziomami E3 i E4 i uzyskanie

odwrócenia obsadzeń jest znacznie łatwiejsze, a chłodzenie ośrodka

czynnego ciekłym azotem pozwala na uzyskanie pracy ciągłej. Laser

neodymowy na podłożu YAG (granat itrowo-glinowy) pozwala na

uzyskanie w impulsie dużych mocy. W podobny sposób jak laser

neodymowy działają lasery, w których w różnych osnowach

krystalicznych centami są jony metali ziem rzadkich.

Laser półprzewodnikowy

Lasery półprzewodnikowe omówiono w materiałach dotyczących półprzewodnikowych elementów optoelektronicznych.

Laser gazowy

Odwrócenie obsadzeń poziomów jako przygotowanie do akcji laserowej w gazach może być uzyskane przez wyładowanie elektryczne. Ogromne znaczenie mają wówczas atomy w stanach metatrwałych, ich energia może być przekazana w zderzeniach atomom lub cząsteczkom właściwego ośrodka laserującego. Tak jest właśnie w laserze helowo-neonowym (He-Ne), w którym ciałem roboczym jest mieszanina helu i neonu o ciśnieniu cząstkowym helu około 130 Pa i neonu ok. 13 Pa. Wyładowanie elektryczne prowadzone w tej mieszaninie wzbudza atomy helu i neonu do różnych stanów. Najważniejsze jednak dla uzyskania akcji laserowych jest wzbudzenie atomów helu do dwóch stanów metatrwałych.

Budowę lasera He-Ne przedstawia schematycznie rysunek powyżej.

Rura laserowa (szklana lub kwarcowa) zamknięta jest doskonale płasko-

równoległymi okienkami nachylonymi do osi rury pod kątem Brewstera

(w celu minimalizacji strat przy odbiciu); jej typowe wymiary: długość -

kilkanaście cm do kilku m, średnica wewnętrzna - kilka do kilkunastu

mm. Do rury wlutowane są elektrody, do których przykłada się napięcie

powodujące wylądowanie. Rezonator tworzą zewnętrzne zwierciadła

(płaskie lub sferyczne w ustawieniu współogniskowym), z których jedno

ma pewną, niewielką przepuszczalność, co umożliwia wyprowadzenie

wiązki laserowej na zewnątrz.

W czasie trwania akcji laserowej wyładowanie stale podtrzymuje

różnicę obsadzeń, otrzymuje się zatem o akcję laserową o działaniu

ciągłym. Innymi laserami gazowymi są laser argonowy i laser, którego

czynnikiem roboczym jest dwutlenek węgla.

Literatura:

Strona www: http://www.fizyka.net.pl

Strona www: http://technologialaserowa.republika.pl/zasada.html

Strona www: http://www.porownaj-laser.pl