Laser

L.A.S.E.R.
(Light Amplification by Stimulation Emision of Radiation) czyli wzmocnienie światła wskutek zjawiska emisji wymuszonej.

Zasada działania lasera
Absorpcja i emisja promieniowania
Układy atomowe znajdują się w określonych stanach kwantowych, charakteryzujących się dyskretnymi wartościami energii. Przejściu układu kwantowego od jednego poziomu energetycznego do drugiego towarzyszy pochłonięcie (absorpcja) lub wydzielenie (emisja) kwantu energii, równej różnicy poziomów przejścia. Przejście może być promieniste, kiedy pochłonięta lub wydzielona przez układ kwantowy energia ma postać promieniowania elektromagnetycznego, lub bezpromieniste, kiedy energia ta zostaje przekazana innemu układowi atomowemu, bądź też bezpośredniemu otoczeniu. Przejścia w wyodrębnionym, izolowanym atomie są wyłącznie promieniste.
W przypadku przejścia promienistego między dwoma poziomami energetycznymi E1 i E2 częstotliwość v drgań elektromagnetycznych, odpowiadające temu przejściu, określa się z podstawowej zależności kwantowej Bohra:
hv=E2 - E1

w której: hv - wartosć kwantu promieniowania; E2-E1 - różnica poziomów energetycznych, między którymi nastąpiło przejście kwantowe.

W przypadku przejścia układu z wyższego poziomu energetycznego E2 do niższego E1 oddaje on nadmiar swojej energii na zewnątrz w postaci kwantu promieniowania hv. Następuje emisja fali elektromagnetycznej i przejście emisyjne. Absorpcja jest zjawiskiem odwrotnym: dostarczony z zewnątrz kwant promieniowania hv o tej samej częstotliwości przejścia przenosi układ z poziomu energetycznego niższego E1 do wyższego E2, powiększając jego energię. Jest to więc przejście absorpcyjne.
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.
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 zależności 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 n 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.
Ukształtowanie takiego układu może się odbyć jedynie przez zakłócenie normalnego rozkładu energetycznego elementów. Normalnie bowiem najwięcej jest atomów o małej energii, a mniej o dużej energii, tzn im wyższy jest poziom energetyczny, tym mniejsza jest liczba elementów wzbudzonych do tego poziomu.

W równowadze termicznej dla częstotliwości przejęcia, ogromna większość atomów znajduje się w stanie energetycznym podstawowym. Takie obsadzenie poziomów warunkuje absorpcję fali padającej. W celu rozwinięcia akcji laserowej konieczne jest odwrócenie tego stanu rzeczy, czyli dokonanie inwersji obsadzeń; wtedy otrzyma się nadwyżkę aktów emisji wymuszonej nad aktami absorpcji.
Pompowanie optyczne


Rysunek 1. Układy pompowania: a) trójpoziomowe b) czteropoziomowe; \"




Dokonanie inwersji obsadzeń poziomów jest równoważne energetycznemu wzbogacaniu układu, odbywającemu się kosztem dostarczania energii. Jedną z metod stosowaną głownie w laserach na ciele stałym jest pompowanie. Polega ono na napromieniowaniu ośrodka czynnego lasera. Wzbudzenie układu następuje na skutek absorpcji promieniowania pompującego przez ośrodek czynny.. Zadaniem układu jest przeniesienie jak największej liczby elektronów w substancji czynnej do stanu wzbudzonego. Układ musi być wydajny tak by doszło do inwersji obsadzeń. Pompowanie lasera odbywa się poprzez błysk lampy błyskowej (flesza), błysk innego lasera, przepływ prądu (wyładowanie) w gazie, reakcję chemiczną, zderzenia atomów, wstrzelenie wiązki elektronów do substancji..
Przebieg akcji laserowej
W ośrodku, w którym wywołano inwersję obsadzeń między odpowiednimi poziomami energetycznymi, można wzmacniać rozchodzące się w nim promieniowanie świetlne dzięki procesom emisji wymuszonej. Należy ponadto stworzyć takie warunki, aby wzmocnienie to było wystarczająco duże do przewyższenia strat występujących w danym układzie. W tym celu umieszcza się laserowy ośrodek czynny w specjalnej komorze rezonansowej, utworzonej przez dwa zwierciadła ustawione prostopadle do osi rezonatora.
Wystarczy pojawienie się w rezonatorze, poruszającego się równolegle do osi jego osi, fotonu o częstotliwości odpowiadającej przejściu laserowemu, by rozpoczął się proces lawinowego narastania promieniowania wymuszonego. Foton taki powoduje emisję stymulowaną w napotkanych atomach wzbudzonych, a powstały przy tym promień, odbijając się bardzo wiele razy od przeciwległych zwierciadeł, oddziałuje z nowymi atomami wzbudzonymi, wymuszając coraz więcej aktów emisyjnych i wyzwalając w rezultacie wiązkę światła laserowego.


Laser składa się z trzech zasadniczych elementów, którymi są:
1) Ośrodek aktywny, czyli zespół atomów, jonów czy cząsteczek. W tym ośrodku dochodzi do Emisji
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 liczbą całkowitą, λ jest długością fali światła laserowego) umożliwiającej powstanie w nim fal stojących. Częstości tych fal są częstościami modów(drgania o określonej częstości) podłużnych lasera. Liczba modów zależy od szerokości dopplerowskiej linii widmowej, dla której zachodzi przejście laserowe w ośrodku aktywnym. Odległość w skali częstości między sąsiednimi modami wynosi , gdzie c jest prędkością światła w próżni. Zatem wzmocnieniu mogą ulec tylko te mody, które mieszczą się w profilu linii emisyjnej – jest ich tyle, ile wynika z podzielenia / .
3) Układ pompujący, czyli układ, który wytwarza inwersję obsadzeń między stanami zaangażowanymi w przejście laserowe. Inwersja obsadzeń tych stanów jest warunkiem koniecznym do uzyskania wzmocnienia promieniowania.

Zasada Działania na podstawie budowy 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(133,3224 Pa) . Proporcje helu do neonu wynoszą 10:1. Rura z dwóch stron jest zakończona tak zwanymi okienkami Brewstera (rys.2). Są to szklane okienka nachylone pod kątem Brewstera do osi rury, co pozwala zminimalizować straty światła wskutek odbicia, a ponadto opuszczająca laser wiązka światła jest spolaryzowana liniowo.
Emitowane z katody elektrony są przyspieszane na drodze do anody przez różnicę potencjałów(Napięcie), jaka panuje między tymi elektrodami. W niesprężystych zderzeniach z atomami elektrony oddają im taką część swojej energii kinetycznej, która jest wystarczająca, by wzbudzić atomy do wyższych stanów energetycznych. W ten sposób atomy helu zostają wzbudzone do stanów metatrwałych 23S i 21S, 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, więc zderzenia atomów helu z atomami neonu są bardzo prawdopodobne. Są to zderzenia niesprężyste, w których atomy helu przekazują swoją energię 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 odbijająca 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.





Rys. 3 Uproszczony schemat poziomów energetycznych atomów helu i neonu
















Żródła:

http://oen.dydaktyka.agh.edu.pl/
http://www.igf.fuw.edu.pl/igf/
http://www.wikipedia.pl
Fizyka – Marta Skorko