Laser
Z Wikipedii
Laser - nazwa utworzona jako akronim od 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. W laserach łatwo uzyskać wiazkę spolaryzowaną, spójną w czasie i przestrzeni oraz o bardzo małej rozbieżności. W laserach impulsowych można uzyskać bardzo dużą moc w impulsie oraz szybkie narastanie impulsu.
Spis treści |
[edytuj] Zasada działania
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.
[edytuj] Ośrodek czynny
Oddziaływanie światła z materią można wyjaśnić za pomocą trzech zjawisk: pochłanianie fotonów (absorpcja), emisji spontanicznej oraz emisji wymuszonej fotonu. Foton wyemitowany w wyniku emisji wymuszonej jest spójny (ma taką samą częstotliwość, polaryzację) z fotonem wywołującym emisję. Foton wzbudzający musi mieć odpowiednią energię równą energii wzbudzenia ośrodka. Atomy w stanie podstawowym pochłaniają fotony wzbudzające (także te wyemitowane). Aby laser działał proces emisji wymuszonej musi przeważyć nad pochłanianiem. Występuje to, gdy w ośrodku jest więcej atomów w stanie wzbudzonym niż w stanie podstawowym (inwersja obsadzeń poziomów energetycznych). Uzyskanie takiego nienaturalnego stanu, w którym poziomy o wyższej energii są częściej obsadzone niż poziomy o niższej energii, utrudnia także zjawisko emisji spontanicznej powodujące, że atomy w stanie wzbudzonym pozostają bardzo krótko przechodząc szybko do stanu podstawowego. Niektóre atomy posiadają poziomy energetyczne metatrwałe na których elektron pozostaje znacznie dłużej (kilkaset μs, kilka ms), ale w takiej sytuacji przejście ze stanu podstawowego do wzbudzonego jest też utrudnione, co pokonuje się przez wzbudzanie atomów do poziomów o energii niewiele większej od poziomu metatrwałego. Atomy w przejściach bezpromienistych przechodzą do stanu metatrwałego. W układzie tym występują trzy poziomy energii w atomie dlatego jest on zwany trójpoziomowym. Układ trójpoziomowy jest najprostszym w którym można uzyskać inwersję obsadzeń, spotyka się też układy czteropoziomowe.
Akcja laserowa rozpoczyna się od emisji spontanicznej lub wprowadzenia fotonu inicjującego z zewnątrz. Ten pierwszy foton wywołuje emisję wymuszoną, lub może być pochłonięty. W układzie bez inwersji obsadzeń przeważa pochłanianie, a w układzie z inwersją obsadzeń emisja wymuszona.
[edytuj] Układ pompujący
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.
[edytuj] Układ optyczny
O ile ośrodek czynny traktujemy jako generator fali elektromagnetycznej, to układ optyczny pełni rolę sprzężenia zwrotnego dla wybranych częstotliwości, dzięki czemu laser generuje światło tylko o jednej częstotliwości ( z niewielkimi odchyleniami). Układ optyczny, składający się zazwyczaj z dwóch dokładnie wykonanych i odpowiednio ustawionych zwierciadeł (z czego przynajmniej jedno jest częściowo przepuszczalne) stanowi rezonator dla wybranej częstotliwości i określonego kierunku ruchu fali i tylko te fotony, dla których układ optyczny jest rezonatorem, wielokrotnie przebiegają przez ośrodek czynny wywołując emisję kolejnych fotonów spójnych z nimi. Pozostałe fotony zanikają w ośrodku czynnym lub układzie optycznym. Dzięki czemu laser emituje niemalże równoległą wiązkę światła o dużej spójności.
[edytuj] Rodzaje laserów
Ośrodek czynny decyduje o najważniejszych parametrach lasera, określa długość emitowanej fali, jej moc, sposób pompowania, możliwe zastosowania lasera
[edytuj] Podział laserów w zależności od ośrodka czynnego
W nawiasach podano długości fal emitowanego światła.
- Lasery gazowe:
- He-Ne helowo-neonowy (543 nm lub 633 nm)
- Ar argonowy (jonowy) (458 nm, 488 nm lub 514,5 nm)
- azotowy (impulsowy - 308 nm)
- kryptonowy (jonowy 647nm, 676 nm)
- na dwutlenku węgla (10.6 μm)
- na tlenku węgla
- Lasery na ciele stałym
- Lasery na cieczy
- barwnikowe - ośrodkiem czynnym są barwniki rozpuszczone w nieaktywnym ośrodku przezroczystym np. rodamina
- Lasery półprzewodnikowe
- złączowe
- na materiale objętościowym
- na studniach kwantowych
- na kropkach kwantowych
- bezzłączowe
- kwantowy laser kaskadowy
- złączowe
[edytuj] Podział laserów 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:
- 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
[edytuj] Opis niektórych typów laserów
[edytuj] Laser rubinowy
Bardzo prosta konstrukcja, typowa dla laserów w których ośrodkiem czynnym jest ciało stałe. Substancją czynną jest kryształ korundu z domieszką jonów chromu (rubid) ukształtowany w walec, powierzchnie czołowe walca dokładnie oszlifowane, przepuszczają światło do luster lub pokryte warstwą odbijającą stanowią lusta. Pompowany jest optycznie lampą ksenonową przez boczne powierzchnie. Pracuje impulsowo, emituje światło czerwone o długości fali λ = 694,3 nm, znaczenie głównie historyczne.
[edytuj] 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).
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.
[edytuj] Laser helowo-neonowy
Wypełnione mieszaniną helu i neonu pod niskim ciśnieniem, pompowane elektrycznie. Następnie atomy helu zderzają się z atomami neonu (powodując, że atomy neonu przechodzą w stan wzbudzony), by te poprzez emisje wymuszoną emitowały światło czerwone λ = 632,8 nm. Ściślej, atomy neonu emitują dwie długości fal, z czego druga długość odpowiada świeceniu czerwonemu lampy neonowej.
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. Popularne w dydaktyce fizyki w latach 80 i 90.
[edytuj] 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.
[edytuj] 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 kryptonowy jonowy ma wiele linii w paśmie widzialnym - dwie najintensywniejsze linie to linie 647.1 i 676.4 nm czerwone.
[edytuj] Laser neodymowy
Laser o konstrukcji typowej dla laserów na ciało stałe w którym ośrodkiem czynnym jest szkło z domieszką neodymu, emitują impulsowo promieniowanie podczerwone o λ=1,06µm, lub po zastosowaniu elementów optyki nieliniowej światło o fali dwukrotnie lub czterokrotnie krótszej, wielka moc impulsów aż do J/impuls, zastosowania głównie badawcze.
[edytuj] 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.
[edytuj] 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.
[edytuj] Krótka historia laserów
- Często podaje się datę 1954 skonstruowania masera, pierwszego wzmacniacza kwantowego.
- Pierwszy laser (rubinowy) zbudował w 1960 roku Theodore Maiman, ośrodkiem czynnym był kryształ korundu domieszkowany chromem - rubin.
- W roku następnym Snitzer uruchomił laser na bazie szkła neodymowego, a w roku 1964 Gaisik i Karkos skonstruowali laser na bazie granatu itrowo-glinowego domieszkowanego neodymem.
- W tym samym roku zbudowany został pierwszy laser półprzewodnikowy z pompowaniem diodowym.
- W latach 1967-69 Bagdasarow i Kamiński zbudowali laser na bazie kryształu perowskitu itrowo-glinowego domieszkowanego neodymem, a Homer, Linz i Gabbe wykorzystali fluorek litowo-itrowy (YLF).
- Kilka lat później (w 1979 roku) skonstruowano laser z przestrajaniem częstotliwości na krysztale aleksandrytu, a w roku 1982 Moulton zaprezentował laser na bazie tikoru.
[edytuj] Schemat działania lasera z trójpoziomowym układem poziomów energetycznych
Foton przemieszcza elektron na poziom wzbudzony En – tzw. krótkożyciowy. Następnie elektron przechodzi w wyniku przejścia bezpromienistego na niższy poziom Em metastabilny. Jeżeli energia fotonu wymuszającego wynosi h∋ = En - Em to zostaje wymuszone wypromieniowanie drugiego fotonu koherentnego a elektron przenosi się na poziom podstawowy.
[edytuj] Bezpieczeństwo pracy
Ponieważ promieniowanie laserowe o tej samej mocy lecz o różnych długościach fal może wywołać różne skutki, podczas oddziaływania z tkanką biologiczną, lasery podzielono na klasy. Zasady bezpiecznej pracy z urządzeniami laserowymi podano w Polskiej Normie PN-EN 60825-1:2000. Nowy podział na siedem klas (1, 1M, 2, 2M, 3R, 3B, 4):
- 1 - Lasery które są bezpieczne w racjonalnych warunkach pracy
- 1M - Lasery emitujące promieniowanie w zakresie długości fal do 302,5 nm do 4000 nm, które są bezpieczne w racjonalnych warunkach pracy, ale mogą być niebezpieczne podczas patrzenia w wiązkę przez przyrządy optyczne.
- 2 - Lasery emitujące promieniowanie widzialne w przedziale długości fal od 700. Ochrona oka jest zapewniona w sposób naturalny przez instynktowne reakcje obronne
- 2M - Lasery emitujące promieniowanie widzialne w przedziale długości fal od 700. Ochrona oka jest zapewniona w sposób naturalny przez instynktowne reakcje obronne, ale mogą być niebezpieczne podczas patrzenia w wiązkę przez przyrządy optyczne
- 3R - Lasery emitujące promieniowanie w zakresie długości fal do 302,5 nm do 10^6 nm, dla których bezpośrednie patrzenie w wiązkę jest potencjalnie niebezpieczne.
- 3B - Lasery, które są niebezpieczne podczas bezpośredniej ekspozycji promieniowania. Patrzenie na odbicia rozproszone jest zwykle bezpieczne.
- 4 - Lasery, które wytwarzają niebezpieczne odbicia rozproszone. Mogą one powodować uszkodzenie skóry oraz stwarzają zagrożenie pożarem. Podczas obsługi laserów klasy 4 należy zachować szczególną ostrożność.
Jednym z najważniejszych elementów oznakowania urządzeń laserowych są etykiety informujące o klasie lasera. Tekst na tych etykietach powinien być napisany czarnymi literami na żółtym tle.
[edytuj] Zastosowanie lasera
[edytuj] Poligrafia
Lasery znalazły zastosowanie w nowoczesnej poligrafii:
- Computer-to-Film CtF czyli w naświetlarkach filmów poligraficznych
- Computer-to-Plate CtP w naświetlarkach offsetowych form drukowych
- Computer-to-Press CtPress czyli w naświetlarkach zintegrowanych z maszyną drukarską
- Computer-to-Print CtPrint czyli w jednym z typów druku cyfrowego, tj. w technologii analogicznej do używanych w cyfrowych kserokopiarkach
[edytuj] Znakowanie produktów
Lasery znalazły również zastosowanie przy znakowaniu produktów. Używa się ich przy liniach produkcyjnych posiadających bardzo wysokie wydajności oraz gdy chcemy uzyskać ładny i estetyczny nadruk.
Nadruki można wykonywać na:
- etykietach produktów poprzez usuwanie warstwy farby
- butelkach PET poprzez trwałe naniesienie znaków
- elementach metalowych oraz innych
[edytuj] Laserowe cięcie metali
Cięcie laserowe stanowi nowoczesną metodę obróbki o podobnych parametrach wymiarowych jak klasyczna obróbka mechaniczna. Podstawowa różnica tkwi w stosowanym czynniku tnącym, który w przypadku cięcia laserowego stanowi gorący promień lasera oraz gaz techniczny o dużej czystości. W zależności od stosowanego urządzenia (przede wszystkim jego mocy) cięcie przeprowadza się na trzy sposoby: metodą spalania, stapiania lub sublimacji.
[edytuj] Technologia wojskowa
Laser ma dwojakie zastosowanie:
- naprowadzanie
Jako system naprowadzający, wiązka laserowa działa na zasadzie odbicia od celu. Cel jest opromieniowywany wiązką laserową, która zgodnie z prawami odbicia jest emitowana praktycznie we wszystkich kierunkach (z uwagi na rozpraszanie wiązki na powierzchni). Pocisk wyposażony w czujnik laserowy określa źródło odbitej wiązki.
- broń energetyczna
Systemy laserowe są zdolne do uwalniania skoncentrowanej energii w postaci wiązki świetlnej w bardzo krótkiej jednostce czasu. Powoduje to, iż cała energia jest wyzwalana w pojedynczym impulsie, co przy prędkości światła powoduje iż teoretycznie jest niemożliwe uniknięcie trafienia z takiej broni.
