Referat.clopotel.ro Laseri

8/17/2019 Referat.clopotel.ro Laseri

1/13

Referat.clopotel.ro


2/13

I.1. Scurt istoric. Introducere in problematica LASER

Despre efectul LASER se cunosc deja foarte multe. Aceasta ramura a

stiintei s-a dezvoltat foarte mult de la inceputurile sale (1955-195! si pana in ziua

de astazi. Desi "azele teoretice erau mai mult sau mai putin sta"ilite# primii care

reusesc sa concretizeze toate teoriile si presupunerile au fost doi rusi si un

american.

$n ordine sunt prezentati Charles H. Townes (%assac&usetts $nstitute of

'ec&nolo) (%$'!# *am"ride# %A# +SA, nascut in 1915)# icola!

"ennadi!e#ich $aso# (Le"edev $nstitute for &)sics Aademija /au %osco0#

+SSR, nascut in 19! si Ale%sandr &i%hailo#ich 'ro%horo# (Le"edev $nstitute

for &)sics Aademija /au %osco0# +SSR, nascut in 191!. *ei trei au impartit

premiul /o"el atri"uit in 192 pentru 3cercetarile fundamentale in domeniul

electronicii cuantice care au condus la construirea oscilatoarelor si a

amplificatorilor "azati pe principiul maser-laser4.

artea teoretica este usor de asit in majoritatea manualelor# cursurilor si

compendiilor de fizica eistente asa ca lucrarea de fata nu se va concentra asupra

acestui aspect. rincipiul LASER consta in faptul ca atomii eli"ereaza enerie su"forma de fotoni atunci cand parcur tranzitia de pe un nivel de ecitare metasta"il

spre un nivel de ec&ili"ru. Aceasta tranzitie se face su" influenta unui factor

declansator si de aceea emisia de enerie se numeste emisie stimulata sau emisie

indusa. 6data pornita reactia aceasta se propaa su" forma piramidala astfel# un

foton emis de un atom dezecitat va declansa reactia la altul# acesta la randul lui

va emite un foton si il va eli"era si pe cel incident. Avem doi fotoni care se vor

inmulti eponential. Astfel se produce o amplificare a radiatiei luminoase.

Referat.clopotel.ro


3/13

I.. Realiarea practica a dispoiti#elor LASER. Tipuri de

laser

artile constituente ale unui laser sunt 7 mediul activ# sistemul de ecitare si

rezonatorul optic. artea esentiala a unui dispozitiv laser o constituie mediul acti##adica un mediu in care se asesc atomii aflati intr-o stare eneretica superioara

celei de ec&ili"ru. $n acest mediu activ se produce amplificarea radiatiei

luminoase (daca avem o radiatie luminoasa incidenta! sau c&iar emisia si

amplificarea radiatiei luminoase (daca nu avem o radiatie luminoasa incidenta!.

Sistemul de e*citare este necesar pentru o"tinerea de sisteme atomice cu mai

multi atomi intr-o stare eneretica superioara. Eista mai multe moduri de a

realiza ecitarea atomilor din mediul activ# in functie de natura mediului.

Reonatorul optic este un sistem de lentile si olinzi necesare pentru prelucrarea

optica a radiatiei emise. Desi la iesirea din mediul activ razele laser sunt aproape perfect paralele rezonatorul optic este folosit pentru colimarea mult mai precisa#

pentru concentrarea razelor intr-un punct calculat# pentru dispersia razelor sau alte

aplicatii necesare.

Dupa natura mediului activ deose"im mai multe tipuri de laser. rintre acestea

reasim laserul cu rubin# la care distinem "ara de ru"in tratat drept mediul activ

iar ansam"lul sursa de lumina plus olinzi poarta rolul de sistem de ecitare.

Laserul cu +a foloseste amestecuri de aze rare (8e# /e# Ar# r! sau *6 drept

mediu activ si o sursa de curent electric leata la doi electrozi iau rolul de sistem

de ecitare.

II.1. LASER,ul cu semiconductori. Aprecieri teoretice

Laserul cu semiconductori este constituit ca si celelalte tipuri de laser tot pe

sa"lonul mediu activ# sistem de ecitare# rezonator optic. $n acest caz un amestec

semiconductor este folosit ca mediu activ. *el mai adesea se folosesc com"inatii

de metale din aceleasi perioade ale rupelor $$$-a si :-a. Dintre acestea

semiconductorul cel mai folosit este cel format din ;aliu si Arsenic (;aAs!. Altemedii active au fost o"tinute atat din amestecuri ale elementelor rupelor $$a si :ia

(


4/13

modificata in limite foarte lari (1>- = 1>? Ω cm!. $ntr-un semiconductor foarte

pur# conducti"ilitatea electrica este data de electronii proprii# numita si

conducti"ilitate intrinseca# iar in cazul materialelor impurificate avem de-a face cu

o conducti"ilitate etrinseca. *onducti"ilitatea intrinseca poate fi eplicata pe

scurt astfel. La ># electronii sunt asezati in leaturile covalente formate intreatomii semiconductorului intrinsec. 6data cu cresterea temperaturii unii electroni

se rup din leaturi fiind li"eri sa circule in tot volumul cristalului. Se produce un

fenomen de ionizare# iar in locul electronului plecat ramane un ol. $mediat el se

ocupa cu un alt electron alaturat# olul se deplaseaza o pozitie. Daca aplicam un

camp electric in semiconductor# electronii li"eri se vor misca in sens invers

campului# dar si olurile vor forma un curent pozitiv de acelasi sens cu campul.

*el mai interesant fenomen il reprezinta modificarea spectaculoasa a rezistivitatii

electrice a semiconductorilor prin impurificare. Astfel# daca din 1>5 atomi de

Siliciu unul este inlocuit cu un atom de @or# rezistivitatea siliciului scade# latemperatura camerei# de 1>>> de ori $mpurificare reprezinta o pro"lema

specifica si fundamentala a fizicii si te&noloiei semiconductorilor. Daca

impurificam ;ermaniul (rupa $:-a# patru electroni de valenta! cu un element din

rupa a :-a (cinci electroni de valenta! vom o"tine un amestec cu un electron de

valenta li"er. Aceasta impuritate constituie un donor. Semiconductorul astfel

impurificat este de tip n# iar nivelul sau de enerie este mai aproape de zona de

conductie. Daca impurificarea este facuta cu atomi din rupa a B-a (trei electroni

de valenta!# acesta se va intera in reteaua cristalina cu doar trei leaturi covalente#

ramanand# deci# un ol capa"il de a captura electroni in jurul atomului trivalent.

Din aceasta cauza atomii acestui tip de impuritati au primit numele de acceptori.

$ntr-un semiconductor astfel impurificat vor predomina sarcinile pozitive# de unde

numele de semiconductor de tip p. Conctiunile p = n sunt ansam"luri formate prin

alipirea unui semiconductor de tip p cu unul de tip n . -2 cm. La suprafata semiconductorului n apare un surplus

de electroni iar la suprafata semiconductorului p un surplus de oluri. Astfel apare

tendinta de compensare a acestora prin difuzia electronilor de la un semiconductor

la celalalt.

Referat.clopotel.ro


5/13

II.-. LASER,ul cu semiconductori. Construire. Consideratii

practice

Revenind la laserul cu semiconductori# avand sta"ilita o "aza teoreticaminimala putem trece la detalierea practica a principiilor enuntate anterior.

Laserul cu conductori este# de fapt# un sand0ic& format din B straturi de

semiconductori la care se adaua elementele sistemului de ecitare. La acest tip

de laser eneria necesara ecitarii sistemului de atomi din mediul activ cat sifactorul declansator sunt date de curentul electric care se aplica# conform fiurii.

Datorita faptului ca acest sand0ic& corespunde modelului clasic de dioda# de aici

incolo se va folosi si termenul de dioda.

Randamentul unei astfel de diode este in jurul a B> dar amplificarea este

destul de mare. *urentul necesar tre"uie sa ai"a o densitate de cateva mii de

amperi pe centimetru dar avand in vedere ca o dioda laser are marimi foarte mici#

curentul necesar este adesea su" 1>>mA. entru a o"tine rezultate satisfacatoare#

in practica se folosesc mai multe straturi decat se prezinta in fiura. *at priveste

stratul activ# lunimea lui nu depaseste 1 mm# iar rosimea sa este# in functie de

model# de la >> pana la 1> nm. $n eneral rosimea stratului activ variaza intre

>> si 1>> nm. Datorita faptului ca este atat de su"tire# fascicului emis este foarte

diverent (pentru un laser! si astfel laserul cu semiconductori se "azeaza foarte

mult pe rezonatorul optic ce tre"uie ales cu mare rija si tre"uie pozitionat foarte

precis pentru a o"tine performante maimale. De o"icei un sistem format din

doua lentile plan-convee pozitionate cu fetele convee una spre cealalta la

anumite distante calcula"ile este suficient pentru a o"tine un fascicul destul de

"ine colimat cu razele aproape perfect paralele.

Referat.clopotel.ro


6/13

Din desenul de mai sus se poate o"serva ca emisia laser se face in doua

directii. Acest fenomen este tratat in mod diferit in functie de necesitati. Se poate

crea o cavitate rezonanta prin pozitionarea unei olinzi perfecte si a uneia

semitransparente# se poate folosi emisia 3din spate4 pentru a masura proprietatile

fasciculului principal# se poate folosi aceeasi emisie din spate pentru a masura sicontrola curentul ce trece prin dioda. Diodele laser sunt foarte sensi"ile la curenti

si de aceea controlul strict asupra acestora este a"solut necesar. +neori este

necesara doar o variatie mica a tensiunii sau a puterii si dioda se va arde. %ai jos

este un prezentat un montaj clasic de dioda cu posi"ilitate de control a curentului7

Diodele laser sunt poate# cele mai fraile dispozitive de emisie laser. aptul ca

stratul activ are# de fapt# marimea unei "acterii este cel ce sta la "aza afirmatiei

anterioare. Acest strat poate fi usor distrus prin supunerea la curenti neadecvati#

prin influente electrostatice# prin incalzire ecesiva. Stratul activ se poate

autodistrue c&iar si fara prezenta vre-unuia din factorii enumerati mai sus.Simpla emisie a luminii poate vaporiza acest strat minuscul daca lumina emisa

este prea puternica.

6 dioda# desi minuscula# poate dezvolta puteri ale luminii de pana la B-5

mF. Desi sunt mai rare si mult mai scumpe# diodele ce dezvolta zeci de mii de

mF eista si se asesc in inscriptoarele de *D si in alte instrumente si aparate de

profil. $n ceea ce priveste diverenta fasciculului# in prezent# majoritatea

pointerelor reusesc performanta de a pastra diverenta la su" un mm la fiecare 5

metri. Spectrul de culori acoperit de laserii cu semiconductori este in zona rosie

B>-G?> nm dar nu este limitat numai aici.Laseri verzi sau c&iar al"astri eista si sunt intens cercetati. ro"lema este

ca diodele de verde si al"astru au o viata efemera (cele mai performante atin doar

cateva sute de ore! si functioneaza la temperaturi scazute (apropiate de >!. ata

de clasicul ;aAs (care emite in rosu-$R!#

pentru laserii al"astri se prefera


7/13

prof. S&uji /aamura a realizat primul montaj practic si fia"il pentru enerarea

laserului al"astru# cercetarile au luat amploare. +n fapt inedit# la data realizarii

diodei pentru laserul al"astru# in 199B# S&uji /aamura nu avea nici macar un

doctorat in "uzunar# era doar un simplu cercetator pierdut intr-un la"orator al unei

firme japoneze o"scure. Recent# prof. /aamura s-a alaturat colectivului profesoral de la *oleiul de $ninerie al +niversitatii *aliforniene din Santa

@ar"ara# S+A.

Revenind la laserii uzuali# tre"uie mentionate si o serie de pericole ce pot

apare c&iar si pe lana laserii cu semiconductori care sunt cunoscuti a fi mai putin

puternici. S-a calculat ca o dioda o"isnuita are o putere mult mai mare c&iar si

decat a soarelui la ecuator. 'oate amestecurile din stratul activ au o putere de

emisie mult mai mare decat a aceleiasi cantitati de suprafata solara. Diodele

prezente pe piata fac parte din clasele $$ si $$$a# ceea ce inseamna ca prezinta risc

scazut de vatamare la operarea conforma cu manualul si la epunerea fuara#efemera a oc&iului in raza laser. 'otusi# tre"uie avut in vedere ca orice epunere

indelunata produce vatamari punctiforme ale retinei si nu este nevoie de efecte

immediate pentru ca retina sa fie vatamata. Reula numarul unu in lucrul cu

laserii# nu se priveste direct in raza laser c&iar daca nu se simte nici o durere sau

c&iar daca raza este palida. *+L6AREA S$ S'RAL+*$REA RA


8/13

rac&ete# transmisiuni de date prin eter etc.!# aplicatiile astronomice (distante

cosmice si determinari de compozitii!# efectele speciale de anverura si &olorafia

de mare intindere datorita puterii limitate relativ mici pe care o dezvolta.

II.0. Concluii

Laserul cu semiconductori este o alternativa ieftina si fia"ila la laserii cu az.

%arimile reduse# costurile mici de fa"ricatie si utilizare cat si lonevitatea lor

confera diodelor atuuri importante in 3lupta4 cu celelalte dispozitive de emisie

laser. Sinurele dezavantaje fiind puterile relativ mici si frailitatea# diodele sunt si

vor fi cercetate etensiv pentru a fi im"unatatite. entru noi este important sa

inteleem cum functioneaza un astfel de dispozitiv# la ce este folosit si incotro se

indreapta cercetarile pentru a ne familiariza inca de pe acum cu acest tip de laser pe care il vom intalni din ce in ce mai des in viata noastra de zi cu zi. Este

important sa cunoastem pericolele pe care le aduce cu sine o dioda laser precum si

factorii care pot pertur"a "una functionare a acesteia pentru a sti cum sa ne aparam

si cum sa o protejam.

Laserul cu semiconductori este un domeniu ale carui orizonturi a"ia acum ni se

desc&id# cu un viitor siur si cu implicatii puternice in viata de zi cu zi.

III.1. &asurarea distantelor cu LASERI con#entoinali

%asurarile de distante cu laser se "azeaza pe una din urmatoarele te&nici7

interferometrie# telemetrie cu fascicule modulate# radarul optic.

'oate aceste metode pot fi utilizate si cu lumina provenita de la surseleconventionale dar cu rezultate incompatil"il mai modeste. Deoarece coerenta

temporala este mult mai mare in cazul laserului decat in cazul luminii clasice#

te&nicile interferometrice pot fi utilizate acum pentru distante cu ordine de marime

mai mari. Se pot masura cu precizie interferometrica distante de circa 5> m in aer

si de 1>>> m in spatiu vid. 'elemetria cu fascicul modulat a fost utilizata in trecut#

dar calitatile de stralucire si directionalitate ridicate caracteristice laserului au

marit considera"il domeniul de masurare si precizia. $n fine# te&nica radarului

optic poate sa functoineze si cu ajutorul unei surse conventionale# dar ea nu a

devenit practica decat datorita posi"ilitatii oferite de laser de a o"tine pulsuri

Referat.clopotel.ro


9/13

luminoase etrem de scurte. *u un asemenea sistem s-a masurat distanta dintre

doua puncte date de pe amant si Luna cu o precizie de 1#5m.

$ntrucat toate aceste metode sunt "azate pe determinarea timpului de

propaare a undei electromanetice pe distanta de masurat# evaluarea distantei

eometrice corecte se va face luand in considertare indicele de refractie a mediuluiin care are loc propaarea (cel mai adesea atmosfera!.

III.. &etoda Intererometrica

$n te&nicile "azate pe interfrometrie distantele de masurat sunt compati"ile

cu lunimea de unda a luminii emise de sursa de referinta. Aparatul cel mai utilizat

este interferometrul %ic&elson.

asciculul lumionos de la Laserul L este trecut prin sistemul de lentile l 1 , l 2

in scopul de a-i reduce diverenta. asciculul este divizat cu ajutorul olinzii

semitransparente S . *ele doua fascicule o"tinute vor fi reflectate de olinzile O1 si

respectiv O2 , se vor suprapune din nou si vor da nastere unui fenomen de

interferenta. Rezultatul interferentei intr-un anumit punct al fasciculului emerent

este determinat de defazajul# introdus fie datorita parcurerii "ratelor de lunimi

diferite# L1 si L2# fie datorita indicilor de refractie diferiti ai mediilor pe care le

parcur cele doua fascicule# n1 si n2. Defazajul va fi dat de relatia7

Φ I π d H λ> I 2π H λ> ( L1nr1 = Lnr!

unde λ> este lunimea de unda in vid. $n cazul cand indicii de refractie a mediilor

celor doua "rate ale interferometrului sunt eali# nr1 I nr I nr #

Referat.clopotel.ro

Detectie

l1 l LL1

61

6


10/13


11/13

Eneria emisa poate fi concentrata intr-un fascicul de desc&idere foarte mica

(de ordinul 1>-2 rad! permitand telemetrarea c&iar pe distante astronomice. Datorita

frecventei ridicate a undelor electromanetice din domeniul optic (∼ 2J1>12 8z!

sistemul cu laser va fi caracterizat de o precizie superioara sistemului radar cu

unde centimetrice. +tilizarea laserului in dispozitivele de telemetrie permiteo"tinerea unui raport semnal / zgomot ridicat# datorita "enzii spectrale etrem de

inuste.

Radarul cu laser este utilizat pentru traiectorafia o"iectelor mo"ile

indepartate7 rac&ete# sateliti# "aloane.

Laserii utilizati sunt cu ru"in (λ I 92#B nm! sau cu sticla dopata cu neodim

(λ I 1>> nm!. Sistemul afocal de iesire are rolul de a micsora diverenta

fascicolului laser de la valoarea naturala α la o valoare α K leate prin relatia7

G I α H α K I S’ / S

+nde G este rosismentul sistemului iar S si S K sunt suprafetele fasciculului

inainte# respectiv dupa parcurerea sistemului afocal.

$luminarea o"iectului tinta# aflat la distanta x de sursa# va fi data de

E I 2TP H πα K x I 2TPG H πα x

+nde T este factorul de transmisie al atmosferei pe distanta x iar P este

puterea la maim a pulsului laser. Diverenta fasciculului tre"uie sa fie cat mai

mica dar in acelasi timp sa ai"a o valoare suficienta pentru a tolera erorile inerentede vizare.

Referat.clopotel.ro

Laseruloarta

*omanda

declansariiflas&-uluiAlimentator

pentru flas&

*elula

fotoelectrica

oarta *alculator

de timp

Afisareadistantei

@aza detimp

oto-multipli-

cator


12/13

%arimea semnalului receptionat si marimea raportului semnal / zgomot

depind esential de starea suprafetei tintei. Situatiile posi"ile se incadreaza intre

doua posi"ilitati etreme7 suprafata perfect difuzanta si suprafata acoperita de

elemente reflectatoare.

Radiatia reflectata va fi recerptionata cu un telescop a carui suprafata utilade intrare tre"uie sa fie suficient de mare pentru asiurarea unei sensi"ilitati

ridicate.

:alorile limita ale distantei depind# in principal# de parametrii instalatiei si

sunt functii lent varia"ile de puterea laser emisa.

'ransmisia atmosferica joaca un rol important. Ea limiteaza serios raza de

actiune# in special in cazul unei traiectorii orizontale cand a"sor"tia se produce pe

toata distanta dintre aparatul de masura si tinta. $n cazul cand o"iectul vizat se

misca in afara atmosferei a"sor"tia este importanta numai pe distanta de cativa m

$n eneral tre"uie sa se tina seama ca proprietatile fascicolului emis suntvaria"ile de la un puls la altul.

Determinarea cu precizie a distantei cu ajutorul radarului optic cere

cunoasterea cat mai "una a indicelui de refractie a mediului de propaare.

otodetectorii conventionali si sistemele de masurare a timpului permit

o"tinerea unei rezolutii de ordinul nanosecundei# ceea ce corespunde unei precizii

a"solute asupra distantei de ordinul unui metru. Aceasta inseamna o precizie

relativa de 1>-B pentru distante de un m.

$m"unatatirea semnalului de ecou cere ec&iparea suprafetei tintelor cu

sisteme reflectatoare constituite din piese de tip colt de cu". +n asemenea reflector

se afla in prezent plasat si pe Luna .

III.-. Comparatie LI4AR , RA4AR

L$DAR-ul foloseste radiatia LASER si un telescop cu scaner la fel cumRADAR-ul foloseste emisiile radio si antenele para"olice.

/orii densi precum si precipitatiile pot atenua razele LASER ale L$DAR-

ului. e de alta parte insa# receptia RADAR-ului se poate constitui din elemente de

precipitatie (de eemplu ploaia sau ninsoarea ce au o viteza de cadere# deci de

miscare!. $ntr-un mediu (atmosfera in eneral! curat din punct de vedere optic#

perceptiile RADAR-ului pot varia de la insecte si pasari la alte o"iecte

reflectatoare radio# precum si variatii de umiditate# temperatura si presiune.

Diverenta razei LASER a L$DAR-ului este de -B ori mai mica decat cea radio#

sa zicem de la un RADAR cu lunime de unda de 5-1> cm. De eemplu diametrul

unei raze LASER a unui L$DAR pentru un sinur puls# la o distanta de 1> m este

Referat.clopotel.ro


13/13

doar de 1 m Aceasta caracteristica permite eliminarea am"iuitatilor in

masurarea vitezelor fara suspectarea de anumite erori ce pot surveni la RADAR in

conditii de refeie marinala sau rade ridicate de refleie ale o"iectelor

reflectatoare.

Referat.clopotel.ro

Documents

Referat.clopotel.ro Laseri