Lasery i ich zastosowanie (szczegółowy opis wybranego laseru)

Laser (Light Amplification by Stimulated Emission Of Radiation) - jest to urządzenie elektroniki kwantowej, generujące lub wzmacniające spójne promieniowanie elektromagnetyczne w zakresie widmowym zawartym między daleką podczerwienią (fale submilimetrowe) a nadfioletem. W działaniu lasera wykorzystano zjawisko wzmocnienia promieniowania przez emisje wymuszona w ośrodku, w którym nastąpiło odwrócenie (inwersja) obsadzeń.

Laser składa się z substancji czynnej, w której uzyskuje się akcję laserową dzięki umieszczeniu jej w rezonatorze optycznym, warunkiem wstępnym zaistnienia akcji laserowej jest inwersja obsadzeń poziomów energetycznych. Typowo uzyskuje się ją w układzie trzech (lub czterech) poziomów energetycznych: podstawowego, wzbudzonego i leżącego między nimi poziomu metatrwałego, to jest charakteryzującego się względnie długim czasem życia, atomy przeprowadza się (tzw. pompowanie lasera) do poziomu wzbudzonego na kilka sposobów: oświetlając substancję czynną silnym światłem o dostatecznej energii fotonów za pomocą np. innego lasera lub błysku flesza (tzw. pompowanie optyczne), za pomocą wyładowania elektrycznego (lasery gazowe), wykorzystując energię reakcji chemicznych, za pomocą wiązki elektronowej, zderzeń atomów itd.

Zastosowanie lasera wywarło poważny wpływ na wiele dziedzin nauki i techniki np.:
-technologię materiałów (precyzyjne cięcie, spawanie i wiercenie trudno topliwych materiałów, wyważanie dynamiczne zautomatyzowane cięcie papieru, tkanin, tworzyw sztucznych itp.);
-precyzyjne pomiary długości, odległości, pułapu chmur, stopnia zanieczyszczeń atmosfery, szybkości przepływu itp.;
-sterowanie pracą maszyn roboczych, wytyczanie torów wodnych w portach, chodników w kopalniach, precyzyjne pozycjonowanie złożonych konstrukcji;
-medycynę i biologię (mikrochirurgiczne zabiegi okulistyczne, bezkrwawe zabiegi chirurgiczne, zapobieganie próchnicy, usuwanie naczyniaków, zabiegi kosmetyczne);
-zapisywanie i odtwarzanie dźwięków i obrazów;
-technikę wojskową (pomiar odległości, sterowanie bombami i pociskami, oświetlanie, specjalne metody rozpoznania i fotografowania);
-holografię;
-technologię chemiczną (selektywna kataliza reakcji chemicznych);
-telekomunikację optyczną (wielokanałowa łączność światłowodowa między dużymi centrami obliczeniowymi).

Laser jest urządzeniem, które wykorzystuje emisję wymuszoną (w zakresie światła widzialnego) i spontaniczną.

Emisja wymuszona:
Przejście atomu, jonu lub cząsteczki z wyższego poziomu do niższego może się odbyć w sposób wymuszony, pod wpływem oddziaływania elektromagnetycznego o częstotliwości określonej zależnością Bohra. Występuje wtedy emisja wymuszona.
Kwant promieniowania zewnętrznego o energii równej różnicy poziomów energetycznych pada na atom znajdujący się w stanie wzbudzonym. Pod wpływem bodźca zewnętrznego atom powraca do stanu podstawowego, emitując przy tym nowy kwant promieniowania identyczny z poprzednim.
To ostatnie stwierdzenie ma podstawowe znaczenie dla dalszych rozważań, gdyż oznacza ono, że częstotliwość promieniowania pochodzącego od emisji wymuszonej jest identyczna z częstotliwością promieniowania wymuszającego, a ich fazy są ściśle ze sobą powiązane. Poza tym emisja wymuszona odbywa się w tym samym kierunku, w którym porusza się kwant oddziałujący z atomem wzbudzonym. Ta właśnie zgodność częstotliwości, fazy i kierunku rozchodzenia się promieniowania wymuszonego z wymuszającym determinuje zasadniczą właściwość światła laserowego, a mianowicie jego spójność.
Do wystąpienia akcji laserowej konieczne jest odpowiednie ukształtowanie struktury energetycznej układu, w którym tę akcję chcemy otrzymać. Chodzi przede wszystkim o doprowadzenie układu kwantowego do takiej struktury energetycznej, aby przeważały w nim elementy wzbudzone, gdyż dopiero ich liczbowa przewaga decyduje o powstaniu akcji laserowej.

Emisja spontaniczna:
Nieodzownym warunkiem emisji światła jest wzbudzenie atomów lub cząsteczek. Odbywa się to nie tylko przez absorpcję kwantów promieniowania, lecz również za pomocą innych sposobów dostarczania energii do układu: najczęściej i najprościej przez doprowadzenie go do odpowiednio wysokiej temperatury (np. w żarówce).
Wzbudzone atomy lub cząsteczki, pod wpływem naturalnej tendencji do znajdowania się na niższych poziomach energetycznych, wracają samorzutnie, w sposób zupełnie przypadkowy i bezładny, do stanu pierwotnego, emitując przy tym fotony. Proces ten nazywa się emisją spontaniczną. Promieniowanie to jest niespójne, gdyż poszczególne atomy źródła emitują kwanty niezależnie od siebie, w sposób nieuporządkowany, bez wzajemnego powiązania.
Promieniowanie wszystkich zwykłych źródeł światła jest rezultatem emisji spontanicznej.
Wysyłany przy tym zespół fal, tj. widmo promieniowania, zależy jedynie od schematu poziomów energetycznych źródła emitującego i rodzajów dozwolonych przejść miedzy nimi.

Własności lasera określa rodzaj substancji czynnej. Istnieją następujące typy laserów:
Lasery rubinowe
Substancją czynną jest kryształ korundu z domieszką jonów chromu, pompowany optycznie fleszem, pracują impulsowo, emitują światło czerwone o długości fali λ = 694,3 nm, znaczenie głównie historyczne.

Laser helowo-neonowe
Wypełnione mieszaniną helu i neonu pod niskim ciśnieniem, pompowane elektrycznie i poprzez zderzenia atomów, emitują światło czerwone λ = 632,8 nm, ostatnio konstruuje się lasery helowo-neonowe emitujące również światło zielone, wykorzystywane w badaniach naukowych oraz ze względu na prostą budowę w dydaktyce i niektórych zastosowaniach praktycznych.



Laser kryptonowy i ksenonowy
Wypełnione kryptonem lub ksenonem z domieszką fluoru lub chloru, emitują promieniowanie ultrafioletowe, zastosowania badawcze i do pompowania optycznego laserów barwnikowych.

Laser argonowy
Wypełnione argonem, emitują światło o kilku długościach fali: od 457,9 nm do 514,5 nm, zastosowania badawcze i do pompowania laserów barwinowych.

Laser neodymowy
Szkło z domieszką neodymu, emitują impulsowo promieniowanie podczerwone o λ=1,06µm, lub po zastosowaniu elementów optyki nieliniowej światło o fali krótszej o czynnik 2 lub 4, wielka moc impulsów aż do J/impuls, zastosowania głównie badawcze.

Laser molekularny
Wypełnione dwutlenkiem węgla z dodatkiem azotu i helu, emitują impulsowo lub ciągle światło podczerwone, przestrajalna długość emitowanej fali w obszarze ok. λ = 10 µm, charakteryzują się w dużą mocą, zastosowania przemysłowe i badawcze.

Laser barwnikowy
Substancją czynną jest przepływająca, laminarna struga roztworu zawierającego barwnik organiczny, np. rodaminę, pompowane optycznie laserem argonowym, kryptonowym lub neodymowym, charakteryzują się przestrajaną w szerokim zakresie długością emitowanej fali świetlnej, zastosowania badawcze.

Laser półprzewodnikowy
Laser oparty na półprzewodniku, rodzaj diody luminescencyjnej o dużej wydajności (nośniki ładunku - dziury i elektrony - zostają wstrzyknięte w obszar złącza, rekombinują wysyłając promieniowanie rezonowane optycznie przez wypolerowany kryształ).

„Laser barwnikowy”
Laser o pracy ciągłej lub impulsowej, którego ośrodkiem aktywnym jest roztwór barwnika w stanie ciekłym, stałym lub w postaci pary. Laser barwnikowy umożliwia ciągłą zmianę długości fali z zakresie ok. 0,4-0,8 µm lub od bliskiej podczerwieni do bliskiego ultrafioletu (1 µm 0,2 µm). Zakresy te uzyskuje się przez stosowanie kolejno różnych barwników. Najbardziej znane z nich to fluorosceina, radomina G6 i rodamina B, pokrywająca środkową część widma widzialnego. Przestrajanie może odbywać się za pomocą siatek dyfrakcyjnych, pryzmatów lub poprzez zmianę ciśnienia barwnika. Cechą charakterystyczną l. b. jest możliwość płynnego przestrajania długości fali, tak w laserach ciągłego działania, jak i impulsowych, włącznie do pikosekundowych czasów trwania impulsów. Generacja w l. b. realizowana jest na przejściach między wzbudzonym stanem singletowym i stanem podstawowym złożonych molekuł barwników organicznych. Zwykle stosowane są roztwory barwników o małej koncentracji. Inwersja obsadzeń realizowana jest wg czteropoziomowego schematu pompowania optycznego. Lasery barwnikowe pracują impulsowo są pompowane lampą błyskową, laserem YAG lub impulsowym laserem azotowym. Jeśli promieniowanie lasera pompującego jest spolaryzowane, to promieniowanie lasera barwnikowego jest również spolaryzowane. Uzyskiwane z nich energie w impulsie wynoszą od kilkudziesięciu µJ do kilku mJ i moce od kilku kW do kilkunastu kW.
Częstotliwości powtarzania impulsów wynoszą przy pobudzaniu laserem azotowym do ok. 100 Hz, przy pobudzeniu lampą błyskową ok. 15 Hz. Lasery barwnikowe o pracy ciągłej są pompowane zwykle laserem jonowym argonowym. W zależności od rodzaju barwnika i zakresu emitowanej długości fali uzyskuje się różne sprawności przetwarzania mocy pompowania na moc wyjściową, zwykle od kilku do ok. 25%.
Wiązka promieniowania jest ogniskowana na szybko przepływającym strumieniu barwnika umieszczonego w rezonatorze optycznym umożliwiającym płynną zmianę długości generowanego promieniowania i zawężenie widma do szerokości spektralnej rzędu 1 pm.
Lasery barwnikowe znalazły zastosowanie w spektroskopii, chemii, diagnostyce, badaniach naukowych itp. Pierwszy laser barwnikowy został zbudowany w 1966 r. przez P. P. Sorokina i J. R. Lankarda z IBM (USA). W 1968 r. O. G. Peterson zbudował pierwszy laser barwnikowy z ośrodkiem aktywnym w postaci stałego roztworu rodaminy w szkle organicznym.

(rys.)

Schemat przestrajalnego lasera barwnikowego o wąskiej linii generacyjnej:
1 - kuweta z roztworem barwnika,
2 - zwierciadło wyjściowe rezonatora,
3 - siatka dyfrakcyjna,
4 - interferometr Fabry\'ego-Perota.