Lasery

Laser

Laser jest wzmacniaczem promieniowania świetlnego działającym na zasadzie wymuszonej emisji, a jego nazwa pochodzi od skrótu nazwy angielskiej - Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Światło, które wpada do cylindrycznego wnętrza lasera, zostaje przechwycone przez dwa zwierciadła. Odbijając się od nich, przekazuje swoją energię wypełniającej cylinder substancji (gazu lub kryształu). Atomy kryształu lub gazu zostają wzbudzone poprzez absorpcję fotonów światła. Wyemitowane światło ma jednakową częstotliwość fali, stąd nazywa się je światłem spójnym. Długość takiej fali zależna jest od materiału z jakiego laser został wykonany.
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.

Budowa lasera

Zasada działania lasera

Zasadniczymi częściami lasera są: ośrodek czynny, rezonator optyczny, układ pompujący. Układ pompujący dostarcza energii do ośrodka czynnego, w ośrodku czynnym w odpowiednich warunkach zachodzi akcja laserowa, czyli kwantowe wzmacnianie (powielanie) fotonów, a układ optyczny umożliwia wybranie odpowiednich fotonów. Działanie lasera opiera się na dwóch zjawiskach: inwersji obsadzeń i emisji wymuszonej. Emisja wymuszona zachodzi gdy atom wzbudzony zderza się z fotonem o takiej częstotliwości, że jego energia kwantu jest równa różnicy energii poziomów między stanem wzbudzonym a podstawowym. Foton uderzający nie ulega pochłonięciu, ale przyspiesza przejście atomu ze stanu wzbudzonego do podstawowego i dlatego z atomu wylatują w tym samym kierunku dwa spójne, to znaczy zgodne w fazie fotony o tej samej energii więc i częstotliwości. Proces taki przewidział teoretycznie Einstein w 1917 roku.
Aby mogła zachodzić w dużych ilościach emisja wymuszona należy w ośrodku wzmacniającym stworzyć odpowiednie warunki, to znaczy spowodować, by więcej elektronów było w stanie wzbudzonym niż w stanie podstawowym. Taki proces nosi nazwę inwersji obsadzeń (odwrócenia obsadzeń). Wtedy rezonansowy foton wyzwala emisje wielu fotonów naraz o tej samej fazie i częstotliwości. Aby to dokonać trzeba znaleźć taki materiał aby na pewnym poziomie wzbudzonym czas przebywania elektronu był dostatecznie długi. Taki poziom nazywamy poziomem metastabilnym. Do tej pory zbudowano wiele typów laserów i uzyskano efekt laserowy w setkach ośrodków czynnych (stałych, ciekłych i gazowych). Odwrócenie obsadzeń uzyskuje się za pomocą oświetlenia światłem (pompowanie optyczne), innym laserem, światłem błyskowym, wyładowaniem prądu w gazach, reakcjami chemicznymi albo wykorzystać rekombinację w półprzewodnikach.
Wzmacniacz laserowy zamienia się w generator, gdy ośrodek wzmacniający zostanie umieszczony w rezonatorze. Wówczas promieniowanie wprowadzone wzdłuż osi rezonatora odbija się od zwierciadła umieszczonego na jednym końcu rezonatora oraz od półprzeźroczystego zwierciadła na drugim końcu. Pomiędzy zwierciadłami fale są wzmacniane wskutek emisji wymuszonej. Promieniowanie wychodzi z rezonatora przez półprzeźroczyste zwierciadło w postaci spójnej, monochromatycznej, równoległej wiązki światła o dużej mocy. Emitowana wiązka jest doskonale równoległa, bowiem fale, które nie wędrują tam i z powrotem między zwierciadłami, szybko uciekają na boki ośrodka drgającego bez wzmocnienia.
Lasery znalazły wiele zastosowań; są na przykład używane do spawania, w medycynie np. chirurgii, holografii, drukarkach, telekomunikacji optycznej oraz do odczytywania informacji cyfrowej.

Rodzaje laserów:
1) Lasery gazowe:
o laser helowo-neonowy
o laser argonowy
o laser azotowy
o laser kryptonowy
o laser na dwutlenku węgla
o laser na tlenku węgla
o Lasery na ciele stałym
o laser rubinowy
o laser neodymowy na szkle
o laser neodymowy na YAG-u
o laser erbowy na YAG-u
o laser tulowy na YAG-u
o laser holmowy na YAG-u
o laser tytanowy na szafirze
o laser na centrach barwnych
2) Lasery na cieczy
o lasery barwnikowe - ośrodkiem czynnym są barwniki rozpuszczone w nieaktywnym ośrodku przezroczystym np. rodamina
3) Lasery półprzewodnikowe
a. złączowe
i. laser na materiale objętościowym
ii. laser na studniach kwantowych
iii. laser na kropkach kwantowych
b. bezzłączowe
i. kwantowy laser kaskadowy

Wykorzystanie laserów

Lasery stosuje się w różnych dziedzinach życia człowieka. Lasery gazowe maja zastosowanie w przemyśle i medycynie. Laser z dwutlenkiem węgla jest ważnym narzędziem przemysłowym do cięcia, spawania i do obróbki powierzchni. Ten typ lasera jest także używany przez chirurgów do operacji. Laser ekscymerowy emituje impulsy o bardzo dużej mocy i czasie trwania kilku nanosekund. Lasery ekscymerowe emitują światło ultrafioletowe, niewidoczne dla ludzkiego oka. Są one bardzo ważnymi narzędziami do produkcji niezmiernie małych obiektów, jak mikroukłady półprzewodnikowe. Laserów półprzewodnikowych, w których jako ośrodek laserujący stosuje się nie przewodzące prądu elektrycznego ciała stałe, używa się na różne sposoby w przemyśle do obróbki materiałów. Przykładem lasera z ciała stałego jest laser rubinowy. Wiązkę jego światła można wprowadzić do światłowodu, umożliwiając doprowadzenie mocy do miejsc w inny sposób niedostępny. Lasery barwnikowe, w przeciwieństwie do większości rodzajów laserów, są zdolne do emisji światła o kilku różnych długościach fali. W danym momencie mogą one jednak emitować światło o jednej tylko barwie. W tych laserach ośrodkiem laserującym są cząsteczki barwnika rozpuszczone w cieczy. Struktura tych barwników jest bardzo skomplikowana i umożliwia im emisję światła o wielu różnych długościach fali. Za pomocą zwierciadeł i soczewek wewnątrz lasera "dostraja się" go w taki sposób, że działa tylko w wąskim zakresie długości fali. Laserów barwnikowych używa się w wielu dziedzinach nauki.