Laser: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

     Laser – jest to skrót  od nazwy z języka angielskiego : Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation - wzmocnienie światła poprzez wymuszoną emisję promieniowania

Jest to generator światła, wykorzystujący zjawisko emisji wymuszonej. Otrzymywane światło ma charakterystyczne właściwości, trudne lub wręcz niemożliwe do osiągnięcia w innych typach źródeł światła, mianowicie: bardzo małą szerokość linii emisyjnej, co jest równoważne bardzo dużej mocy w wybranym obszarze widma.

HISTORIA

 Zjawisko wymuszonej emisji odkrył w drodze teoretycznych rozważań Albert Einstein, analizując prawa promieniowania świetlnego. Możliwość otrzymania zjawiska wymuszonej emisji promieniowania elektromagnetycznego na drodze eksperymentalnej uzasadnił w 1940 roku radziecki uczony W. A. Fabrikant. W latach 1952 - 53 z koncepcją budowy wzmacniacza mikrofal działającego na zasadzie wymuszonej emisji wystąpili, niezależnie od siebie, Charles H. Townes i jego współpracownicy w Stanach Zjednoczonych. Pierwsze takie urządzenie, noszące nazwę lasera, zostało zbudowane w 1954 roku. Wynalazek lasera polegał na rozszerzeniu wykorzystania zjawiska wymuszonej emisji promieniowania elektromagnetycznego na zakres fal świetlnych. Z pierwszym projektem tego rodzaju urządzenia wystąpił w 1958 roku ponownie Townes wraz z innym fizykiem amerykańskim Arthurem L. Schawlowem. Rok później Townes zbudował model lasera, lecz próby nie wypadły pomyślnie. Pierwszy czynny laser został zbudowany po kilku dalszych miesiącach. W maju 1960 roku młody amerykański badacz Theodor H. Maiman z laboratorium Hughes Aircraft Company zademonstrował laser rubinowy, wytwarzający niezwykle spójną i monochromatyczną wiązkę światła. Wkrótce po laserze rubinowym, w którym akcja laserowa zachodzi w jonach chromu krystalicznego rubinu, został zbudowany laser gazowy (akcja laserowa przebiega w nim w mieszaninie helu i neonu), a następnie w 1962 roku laser półprzewodnikowy i w 1963 roku laser cieczowy. Promień lasera ma bardzo różnorodne zastosowania praktyczne - od medycyny, poprzez elektronikę, nowoczesne uzbrojenie, do np. sprawdzania oświetlenia w nowo budowanym tunelu.

Rys.1 Oddziaływanie promieniowania elektromagnetycznego z materia,

reprezentowana przez atom dwupoziomowy: a) absorpcja promieniowania,

b) emisja spontaniczna i c) emisja wymuszona.

W wyniku absorpcji fotonu (rys.1a) o częstości  spełniającej równanie

w którym E2 oznacza energie stanu wzbudzonego atomu, E1 – energie jego

stanu podstawowego, a h – stała Plancka, atom przechodzi ze stanu podstawowego do stanu wzbudzonego. W procesie emisji spontanicznej (rys.1b) atom emituje foton o częstości  spełniającej równanie (1) i przechodzi ze stanu wzbudzonego do stanu podstawowego. W procesie emisji wymuszonej

(rys.1c) foton o częstości _ spełniającej równanie (1) nie ulega absorpcji (atom

już jest w stanie wzbudzonym), lecz wymusza emisje fotonu. Wymuszony foton

jest spójny z fotonem wymuszającym. Oznacza to, że maja one te sama

częstość, fazę i kierunek rozchodzenia się. W wyniku emisji wymuszonej atom

przechodzi do stanu podstawowego.

ELEMENTY LASERA:

Laser składa się z trzech zasadniczych elementów, którymi są:

1) Ośrodek aktywny, czyli zespół atomów, jonów czy cząsteczek.

2) Rezonator, czyli układ optyczny, który sprzęga promieniowanie charakterystyczne dla danego ośrodka z tym ośrodkiem. W najprostszym

przypadku rezonator stanowią 2 płaskie, doskonale odbijające zwierciadła,

które są ustawione idealnie równolegle do siebie w odległości

 (n jest liczba całkowita,   jest długością fali światła laserowego)

umożliwiającej powstanie w nim fal stojących. Częstości

tych fal są częstościami modów podłużnych lasera. Liczba modów zależy od szerokości dopplerowskiej  linii widmowej, dla której zachodzi

przejście laserowe w ośrodku aktywnym. Odległość w skali

częstości miedzy sąsiednimi modami wynosi , gdzie c jest

prędkością światła w próżni. Zatem wzmocnieniu mogą ulec tylko te

mody (drgania o określonej częstości), które mieszczą się w profilu linii

emisyjnej – jest ich tyle, ile wynika z podzielenia

3) Układ pompujący, czyli układ, który wytwarza inwersje obsadzeń

miedzy stanami zaangażowanymi w przejście laserowe. Inwersja obsadzeń

tych stanów jest warunkiem koniecznym do uzyskania wzmocnienia promieniowania.

Budowa lasera helowo-neonowego

W laserze He-Ne ośrodkiem aktywnym jest neon, który wraz z helem

znajduje się w szklanej rurze z elektrodami. Całkowite ciśnienie gazu w rurze

wynosi 1 Torr. Proporcje helu do neonu są jak 10:1. Rura z dwóch stron jest

zakończona tak zwanymi okienkami Brewstera (rys.2). Są to szklane okienka

nachylone pod katem Brewstera do osi rury, co pozwala zminimalizować straty

światła wskutek odbicia, a ponadto opuszczając laser wiązka światła jest

spolaryzowana liniowo.

Emitowane z katody elektrony są przyspieszane na drodze do anody przez różnice potencjałów, jaka panuje miedzy tymi elektrodami. W niesprężystych zderzeniach z atomami elektrony oddają im taka część swojej energii

kinetycznej, która jest wystarczającą, by wzbudzić atomy do wyższych stanów

energetycznych. W ten sposób atomy helu zostają wzbudzone do stanów metatrwałych  z których promienisty powrót do stanu podstawowego jest wzbroniony przez reguły wyboru.

Rys.2 Budowa typowego lasera helowo-neonowego

Elektrony zderzają się także z atomami neonu, wzbudzając je do stanów,

z których przejścia do niższych stanów energetycznych nie są wzbronione.Dlatego sposób uzyskania inwersji obsadzeń na tej drodze nie jest skuteczny. Ponieważ helu jest 10 razy więcej od neonu, wiec zderzenia atomów helu z atomami neonu są bardzo prawdopodobne. Są to zderzenia niesprężyste, w

których atomy helu przekazują swoja energie wzbudzenia atomom neonu i powracają do stanu podstawowego. Prawdopodobieństwo przekazu energii wzbudzenia w tych zderzeniach jest bardzo duże, ponieważ energie zaangażowanych w tym procesie poziomów energetycznych obu atomów bardzo mało się różnią. Dzięki temu atomy neonu gromadzą się w górnych stanach wzbudzonych 3s i 2s (są to grupy stanów, których liczba nie odpowiada temu, co pokazano na rys. 3). Powstaje inwersja obsadzeń. Jak to pokazano na rys. 3 emisja z obsadzanych poziomów może zajść na trzech drogach, w wyniku czego może być wysłane promieniowanie o długościach fali 3.39 μm, 1.152 μm i 632.8 nm.

Najczęściej stosowana metoda uzyskania wzmocnienia promieniowania o jednej z tych długości fal polega na użyciu selektywnych zwierciadeł. Rezonator sprzęga promieniowanie z ośrodkiem aktywnym. Jeżeli zdolność odbijającą zwierciadeł jest bliska 100% dla światła o długości fali 632.8 nm, a dla promieniowania podczerwonego wynosi zaledwie kilkanaście %, to laser emituje światło czerwone, a nie podczerwone. Odbijane przez zwierciadła fotony wielokrotnie przebiegają przez ośrodek aktywny, wymuszając kolejne przejścia, przez co zwiększają natężenie emitowanego promieniowania. Kiedy

wzmocnienie przewyższa straty, wtedy z jednej strony, przez zwierciadło o nieco mniejszej zdolności odbijającej, z lasera wychodzi wąska wiązka światła spójnego. Polaryzacja tego światła jest narzucona przez okienka Brewstera.

Podział laserów:

W nawiasach podano długości fal emitowanego światła.

W zależności od ośrodka czynnego:

• Lasery gazowe:
• He-Ne laser helowo-neonowy (543 nm lub 633 nm)
• Ar laser argonowy (458 nm, 488 nm lub 514,5 nm)
• laser azotowy (308 nm)
• laser kryptonowy (jonowy 647nm, 676 nm)
• laser na dwutlenku węgla (10.6 μm)
• laser na tlenku węgla

• Lasery na ciele stałym
• laser rubinowy (694,3 nm)
• laser neodymowy na szkle
• laser neodymowy na YAG-u (Nd:YAG)
• laser erbowy na YAG-u (Er:YAG) (1645 nm)
• laser tulowy na YAG-u (Tm:YAG) (2015 nm)
• laser holmowy na YAG-u (Ho:YAG) (2090 nm)
• laser tytanowy na szafirze (Ti:szafir)
• laser na centrach barwnych

• Lasery na cieczy
• lasery barwnikowe - ośrodkiem czynnym są barwniki rozpuszczone w nieaktywnym ośrodku przezroczystym np. rodamina

• Lasery półprzewodnikowe
• złączowe
• laser na materiale objętościowym
• laser na studniach kwantowych
• laser na kropkach kwantowych
• bezzłączowe
• kwantowy laser kaskadowy

W zależności od zastosowań

• Specjalne lasery gazowe wytwarzające ultrafiolet o możliwie jak najmniejszej długości fali używane do produkcji półprzewodnikowych układów scalonych:
• F_2 (157 nm)
• ArF (193 nm)
• KrCl (222 nm)
• XeCl (308 nm)
• XeF (351 nm)

• Lasery używane w stomatologii i dermatologii w tym do usuwania tatuaży, znamion oraz włosów:
• laser rubinowy (694 nm)
• Aleksandrytowy (755 nm)
• pulsacyjna matryca diodowa (810 nm)
• Nd:YAG (1064)
• Ho:YAG (2090 nm)
• Er:YAG (2940 nm)

• Półprzewodnikowe diody laserowe:
• małej mocy - używane we wskaźnikach laserowych, drukarkach laserowych, CD/DVD
• dużej mocy - używane w przemyśle do cięcia i spawania, występują o mocach do 10 kW

Dioda LED

  Może ona być najprostszym przykładem laseru półprzewodnikowego. Obecnie są produkowane półprzewodnikowe diody świecące o barwie czerwonej, pomarańczowej, żółtej, zielonej, a nawet niebieskiej, oraz diody pracujące w podczerwieni. Pierwsze diody świecące w paśmie niebieskim powstały w 1995 a ich twórcą był Shuji Nakamura z Nichia Chemical Industries Ltd. w Japonii. Półprzewodnikiem emitującym światło w takich diodach może być azotek galu osadzony na podłożu szafirowym, węglik krzemu lub azotek galu osadzony na węgliku krzemu. W 2001 zespół polskich naukowców pod kierunkiem S. Porowskiego z Centrum Badań Wysokociśnieniowych Polskiej Akademii Nauk, jako druga grupa naukowców w Europie, skonstruował półprzewodnikową diodę laserową na strukturach opartych o azotek galu, emitującą światło niebieskie o długości fali 425 nm. Zespół opracował technologię uzyskiwania monokryształów azotku galu w warunkach bardzo wysokich ciśnień.

 ŹRÓDŁA:

Literatura

· A. Piekara, Nowe oblicze optyki, 

PWN, Warszawa 1968

· F. Kaczmarek, Wstęp do Fizyki laserów, 

PWN, Warszawa 1986, (Rozdział 9)

www.wikipedia.pl

http://wwwnt.if.pwr.wroc.pl/

http://www.igf.fuw.edu.pl/