Lasery

Laser - ( light amplification by stimulated emission of radiation – wzmacnianie światła przez wymuszoną emisję promieniowania ) – generator kwantowy optyczny ; generator spójnego promieniowania elektromagnetycznego z zakresu widma od nadfioletu do dalekiej podczerwieni. W działaniu lasera wykorzystano zjawisko wzmocnienia promieniowania przez emisję wymuszoną w ośrodku , w którym nastąpiło odwrócenie ( inwersja ) obsadzeń.

Zasadniczymi elementami lasera są : ośrodek czynny ( aktywny ) , rezonator optyczny i układ pompujący. Układ pompujący wytwarza w ośrodku czynnym , umieszczonym wewnątrz rezonatora optycznego , odwrócenie obsadzeń. Rezonator jest zbudowany z dwu równoległych , płaskich lub sferycznych zwierciadeł o dużym współczynnik odbicia i możliwie znikomej absorpcji. W praktyce stosuje się wielowarstwowe lustra dielektryczne , które składają się z nieparzystej liczby na przemian ułożonych warstw dielektryków o dużym i małym współczynniku załamania i grubości l/4 ( l - długość fali generowanego promieniowania ). Zwierciadła należy ustawić w odległości L=kl/2n ( gdzie n – to współczynnik załamania ośrodka , a k – to liczba całkowita ) , ponieważ wytwarza się wówczas w rezonatorze fala stojąca. Fotony początkowe promieniowania spontanicznego , których wektor falowy jest równoległy do osi optycznej zwierciadeł , przebiegają wielokrotnie drogę między nimi i wymuszają promieniowanie innych atomów ośrodka czynnego . Jeżeli wzmocnienie promieniowania przekroczy wartość strat , to w rezonatorze optycznym uzyskuje się generację promieniowania . Wyprowadzenie wiązki generowanego promieniowania następuje przez jedno ze zwierciadeł , którego współczynnik transmisji promieniowania D ą 0 . Ponieważ przejście z niższych poziomów wzbudzenia do stanu podstawowego zachodzi średnio w czasie 10-8 s ( taki jest bowiem czas życia tych poziomów ) , a w atomach neonu w skutek zderzeń z atomami helu wzbudzone są poziomy wyższe , więc w obszarze wypełnionym atomami neonu ciągle jest spełniony warunek inwersji obsadzeń . Na rysunku a) ( poniżej ) atomy Ne lasera , znajdujące się w obszarze czynnym zostały wzbudzone na wyższe poziomy energetyczne . Zostały one zaznaczone na rysunku czerwonymi kropkami . Przypadkowa natomiast emisja promieniowania z atomów neonu prowadzi do powstania szeregu lawin . Proces ten związany z emisją wymuszoną został zilustrowany na rysunku b) (poniżej) . Znaczna część lawin ulega zerwaniu po wyjściu z obszaru wypełnionego mieszaniną gazów , a jedynie lawiny fotonów rozwijające się wzdłuż osi x prowadzą do gwałtownego wzmocnienia natężenia promieniowania , które przez półprzeźroczyste zwierciadło może wyjść na zewnątrz patrz rysunki c) , d) , e) , - poniżej . Naturalnie proces ten trwa w sposób ciągły , bowiem cały czas zewnętrzne pole elektryczne o wysokiej częstotliwości powoduje wzbudzenie atomów helu na wyższe poziomy energetyczne .



Światło wysyłane przez laser cechuje duża spójność i monochromatyczność , oprócz tego jest ono w dużym stopniu skolimowane , co zapewnia uzyskanie dużej gęstości powierzchniowej mocy emitowanego promieniowania , rzędu 106 GW/cm2 . Szerokość linii widmowych promieniowania emitowanego przez laser może być mniejsza od szerokości naturalnej linii widmowej.

Ze względu na rodzaj ośrodka czynnego rozróżnia się lasery gazowe , cieczowe ( laser barwnikowy ) , krystaliczne ( laser rubinowy ) lub też szklane ( laser neodymowy ) . Ze względu na charakter pracy lasery można podzielić na pracujące w sposób ciągły ( CW – continuous work ) oraz impulsowo ( P – pulse ) . Lasery impulsowe umożliwiają uzyskanie olbrzymich mocy światła ( ultrakrótkich impulsów gigantycznych ) . Układy laserowe z zastosowaniem nieliniowych zjawisk optycznych umożliwiają otrzymanie wtórnych laserów , emitujących światło o długości fali odpowiednio przetworzonej ( laser ramanowski , powielanie częstotliwości światła ) . Lasery są stosowane w nowoczesnej telekomunikacji ( łączność satelitarna kosmiczna ) , lokacji i nawigacji ( lidar ) , w miernictwie i kontroli ( interferometryczne kalibratory laserowe ) , technologii ( precyzyjna mikroobróbka materiałów ) , w medycynie i biologii ( lancet świetlny , mikropunkcja komórki ) , w elektronicznej technice obliczeniowej w holografii i fotografii ( fotografia ultraszybka , fotografia we mgle ) , w sejsmografii oraz w technice wojskowej . Lasery dużej mocy są stosowane do wytwarzania wysokotemperaturowej plazmy , w której może zachodzić mikrosynteza jądrowa ( spektroskopia laserowa ) .

Laser , pompowanie – wzbudzanie atomów lub jonów substancji czynnej lasera do poziomów metatrwałych . Energia tych poziomów jest następnie wykorzystywana do emisji wymuszonej przez prom. sterujące laserem i przez samą emisję wymuszoną . W laserach jest stosowane pompowanie optyczne lub pompowanie prądowe . Pompowanie optyczne polega na wykorzystaniu , jako źródła energii wzbudzającej , lamp wyładowczych wytwarzających błyski światła , które są pochłaniane przez jony substancji czynnej w laserach krystalicznych , szklanych lub cieczowych .Pompowanie prądowe polega na wykorzystaniu energii prądu elektrycznego przepływającego przez substancję czynną lasera. W laserach gazowych pompowanie prądowe polega na wywołaniu jonizacji gazu przez wyładowanie o wysokiej częstotliwości (pompowanie jonowe).W laserach półprzewodnikowych pompowanie prądowe polega na jednokierunkowym wprowadzeniu swobodnych nośników ładunku w złącze p-n (pompowanie indukcyjne) lub na bombardowaniu złącza wiązką szybkich elektronów.

Laser barwnikowy – laser o pracy ciągłej lub impulsowej umożliwiający ciągłą zmianę długości fali w zakresie 0,35-1,3 mikrometra przez zastosowanie w nim jako ośrodka czynnego kolejno różnych barwników. Barwniki są skomplikowanymi związkami organicznymi silnie pochłaniającymi światło w obszarze widzialnym , np. : fluoresceina i rodamina ( fluorescencja ) . W typowym schemacie poziomów energetycznych barwnika występują dwa rodzaje stanów elektronowych : singletowe S i trypletowe T (rysunek 1).









Drgania i rotacje cząsteczki powodują rozczepienie każdego poziomu elektronowego na wiele poziomów oscylacyjnych i rotacyjnych , które są ułożone tak gęsto że tworzą niemal ciągłe pasma energetyczne (widmo cząsteczkowe).

Emisja promieniowania laserowego odbywa się podczas przejść wymuszonych do poziomów stanu S0 z najniższych poziomów S1 ( o czasie życia rzędu 10-9 s ), które są obsadzone w skutek bezpromienistych przejść z wyższych poziomów S1 ( wzbudzanych bezpośrednio dzięki absorbcji światła pompującego ). Do wzbudzenia barwnika używa się specjalnych lamp błyskowych lub laserów impulsowych , np.: azotowych , o błysku krótkim i szybko narastającym impulsie , tak aby osiągnąć próg akcji laserowej zanim znaczna liczba cząstek przejdzie do stanów T1. Ponieważ pompowanie optyczne barwnika powoduje w nim pewne zmiany , barwnik zużyty powinien być wymieniany przez szybkie przepompowywanie go z dużych zasobników. Ciągłą akcję laserową uzyskuje się znacznie trudniej , np.: przez wzbudzenie barwnika ( wiązką światła lasera argonowego o działaniu ciągłym ) przepływającego odpowiednio uformowaną strugą przez kuwetę , która znajduje się w rezonansie optycznym. Duża szerokość pasma fluorescencji barwnika umożliwia przestrajanie lasera. Tym celu w rezonatorze optycznym umieszcza się element dyspersyjny , np.: odbiciową siatkę dyfrakcyjną , pryzmat lub interferometr Fabry`ego - Perota. Taki element zapewnia dobre warunki generacji fali świetlnej , czyli dużą dobroć rezonatora , tylko dla jej wąskiego przedziału widmowego. W przypadku zastosowania pryzmatu ( patrz rysunek 2a )



rezonator wzmacnia wiązkę o takiej długości fali , dla której kąt padania na ścianę pryzmatu jest kątem Brewstera. W przypadku zastosowania siatki dyfrakcyjnej ( patrz rysunek 2b ) , którą umieszcza się zamiast jednego zwierciadła , akcja laserowa odbija się tylko dla wiązki odbitej przez siatkę dokładnie wzdłuż osi rezonatora. Przy określonym położeniu siatki warunek ten jest spełniony tylko dla jednej długości fali i tylko taką falę może laser emitować. Przez obrót siatki ( pryzmatu ) uzyskuje się płynną zmianę częstotliwości generowanej fali świetlnej , w granicach określonych przez szerokość pasma fluorescencji barwnika.

Najsubtelniejsze strojenie lasera barwnikowego uzyskuje się z pomocą interferometru Fabry`ego - Perota .

Rezonator Fabry – Perota ( patrz rysunek powyżej ) składa się z dwu odbijających lustrzanych płaszczyzn 1 i 2 . Promieniowanie o natężeniu Ioe jest emitowane w środku wnęki w kierunku płaszczyzny 1 . Część promieniowania jest odbijana od tej płaszczyzny w kierunku płaszczyzny 2 , a po odbiciu od niej kierowana z powrotem do źródła . Prąd przepływający przez złącze , przy którym wzmocnienie układu osiąga wartość wystarczającą do tego , aby skompensować straty promieniowania w rezonatorze , nazywa się prądem progowym ITO .

Transmisja promieniowania bardzo silnie zależy od długości fali. Szerokość linii widmowej światła emitowanego przez laser barwnikowy jest większa niż dla lasera gazowego. Wynika to z fluktuacji częstotliwości generowanej fali świetlnej , związanych z mechanizmem zjawisk zachodzących w barwniku. Jednym z ważniejszych osiągnięć technologii lasera barwnikowego jest zastosowanie barwnika w fazie gazowej zamiast roztworu ciekłego. Można wówczas wzbudzić barwnik na drodze wywoływań elektrycznych , co znacznie poprawia wydajność i zwęża linię widmową fali świetlnej. Takie cechy , jak : przestrajalność , możliwość uzyskania bardzo dużej mocy impulsu ( rzędu setek MW ) oraz zastosowania lasera barwnikowego w wielu dziedzinach , a przede wszystkim w spektroskopii laserowej.



Laser gazowy - laser o pracy ciągłej lub impulsowej , w którym ogniskiem czynnym jest gaz , para lub ich mieszanina. Rozróżnia się lasery gazowe: atomowe , w których ośrodkiem czynnym są atomy gazów szlachetnych ; jonowe , w których ośrodkiem czynnym są jony gazów szlachetnych ; cząsteczkowe , w których ośrodkiem czynnym są cząsteczki gazów lub par metali. Laser gazowy ma zazwyczaj postać rury wyładowczej wypełnionej mieszaniną gazów , którą umieszcza się wewnątrz rezonatora optycznego (patrz rysunek 3 ).Światło przebiegające wielokrotnie długość rezonatora , przechodząc przez okienka rury nachylone pod kątem Brewstera ulega polaryzacji liniowej. Takie ustawienie okienek w dużym stopniu zmniejsza odbicie promieniowania ( straty ) przy przejściu przez okienko , przy czym jest wymagana płaska powierzchnia okienek ( z dokładnością około 0,1-



0,03l ; l - długość fali generowanego promieniowania ) oraz ich równoległość ( rzędu kilku sekund kątowych ) . Wzbudzenie gazu osiąga się metodą wyładowań elektrycznych , najczęściej prądem stałym. Odwrócenie obsadzeń poziomów energetycznych , między którymi zachodzić ma akcja laserowa , uzyskuje się w wyniku niesprężystych zderzeń międzyatomowych lub zderzeń atomów ( jonów ) z elektronami.

Lasery gazowe mogą pracować zarówno w sposób ciągły , jak i impulsowo. Promieniowanie generowane przez laser gazowy o pracy ciągłej odznacza się wyjątkowo dużą monochromatycznością ( szerokość linii widmowej może być nawet rzędu kilkudziesięciu kHz ).

Najczęściej stosuje się lasery gazowe : helowo-neonowy ( He-Ne ) , o długości generowanego promieniowania l = 362,8 nm ; argonowy , l = 514,5 nm i 488 nm ; CO2 , l = 10,6 nm .

Laser krystaliczny - laser na ciele stałym ; w którym ośrodek optycznie czynny jest kryształem ( Al2O3 , CaF2 , YAG ) domieszkowanym jonami pierwiastków ziem rzadkich ( Nd3+ , Er3+ ) lub żelazowców (Cr3+ , Ni2+ ). Najbardziej rozpowszechniony laser krystaliczny to laser rubinowy ( Al2O3 ) domieszkowany jonami Cr3+ ( 0,035 % ) , w którym do pompowania optycznego jest stosowana błyskowa lampa ksenonowa. Syntetyczny rubin w postaci walca z dokładnie płaskimi i równoległymi podstawami stanowi rezonator optyczny , w którym światło jest wzmocnione w wyniku wielokrotnych odbić. Stosuje się też niekiedy zewnętrzne zwierciadła płaskie , przy czym jedno jest częściowo przepuszczalne i służy jako wyjście wiązki laserowej. Praca lasera rubinowego jest impulsowa , z czasem trwania impulsu rzędu 10-3 s i energią do kilku dżuli. W laserach krystalicznych o tzw. modulowanej dobroci jest możliwe wytworzenie bardzo krótkich impulsów o czasie trwania kilku ns i mocy jednego GW.

Laser półprzewodnikowy -laser , w którym substancją czynną jest półprzewodnik ( najczęściej arsenek galu lub jego stop z aluminium AlGaAs w postaci diody n-p. ). Nośniki ładunku (dziury i elektrony ) wprowadzone w obszar złącza rekombinują wysyłając promieniowanie , a wypolerowane boczne ścianki kryształów tworzą rezonator optyczny tego promieniowania. Głównymi zaletami lasera półprzewodnikowego są : małe wymiary , prostota konstrukcji i łatwość modulacji promieniowania , co powoduje , że lasery półprzewodnikowe znajdują zastosowanie w układach logicznych i telekomunikacji światłowodowej.

Budowę i charakterystykę lasera półprzewodnikowego przedstawiają

poniższe rysunki .



Laser ramanowski - laser w którym spójne promieniowanie wytwarza się dzięki wymuszonemu zjawisku Ramana w substancji umieszczonej w rezonatorze lasera wzbudzającego. Umożliwia to uzyskanie wielu nowych linii widmowych światła , które ma własności promieniowania laserowego , o częstotliwości n odpowiednio przesuniętych względem częstotliwości promieniowania n0 lasera wzbudzającego : n = n0 m knR , gdzie :nR to częstotliwość drgań własnych danej substancji , k = 1,2,3,..., .













































Przy tworzeniu tego referatu korzystałem z pomocy następujących źródeł :

· Ilustrowana encyklopedia dla wszystkich „Fizyka”

· „Fizyka” dla klasy IV technikum i liceum zawodowego

· „Elektronika” – podręcznik dla technikum