Lasery

Laser jest wzmacniaczem promieniowania świetlnego, który działa na zasadzie wymuszonej emisji. Jego nazwa pochodzi od skrótu angielskiego - 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.

Pierwsze 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.
Budowa

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.
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. Odwrócenie obsadzeń uzyskuje się za pomocą oświetlenia światłem ,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.

Rodzaje laserów:
Lasery gazowe:
- laser helowo-neonowy
- laser argonowy
- laser azotowy
- laser kryptonowy
- laser na dwutlenku węgla
- laser na tlenku węgla

Lasery na ciele stałym :
- laser rubinowy
- laser neodymowy na szkle
- laser neodymowy
- laser erbowy
- laser tulowy
- laser holmowy
- laser tytanowy na szafirze
- laser na centrach barwnych

Lasery na cieczy :

-lasery barwnikowe - ośrodkiem czynnym są barwniki rozpuszczone w nieaktywnym ośrodku przezroczystym np. rodamina

Lasery półprzewodnikowe :
a) złączowe :
- laser na materiale objętościowym
- laser na studniach kwantowych
- laser na kropkach kwantowych
b) bezzłączowe :
- kwantowy laser kaskadowy

Pierwszy laser rubinowy zademonstrował z 1960r. amerykański badacz Theodor H. Maiman.
Tu energia jest przekazywana bezpośrednio atomom umieszczonym w węzłach sieci krystalicznej rubinu. Powoduje to nagrzewanie się kryształu. Jest to światło czerwone, a laser rubinowy przetwarza energię promieniowania rozproszonego lampy (pompy optycznej) w promieniowanie spójne. Za pomocą lasera rubinowego można osiągnąć moc w impulsie rzędu 109 W.
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.
Laser szklany jest jedynym z najbardziej wydajnych laserów , może pracować w sposób ciągły i impulsowy. Ze względu na dużą moc promieniowania laserów szklanych wykorzystuje się je między innymi do spawania, obróbki materiałów , inicjowania kontrolowanej syntezy termojądrowej itp.
Lasery gazowe jako ośrodek aktywny wykorzystują gaz umieszczony w wąskiej długiej rurze. Do wzbudzenia atomów gazu używa się nie światła, lecz wyładowań elektrycznych. Rura szklana nosi nazwę rury wyładowczej. Na końcach rury , której długość może wynosić od kilkudziesięciu centymetrów do kilku metrów, zatopione są ażurowe elektrody, do których doprowadza się stałe napięcie elektryczne. W laserach gazowych większej mocy napięcie to wynosi 10kV. Wymusza ono przepływ prądu , którego wartość może dochodzić do 100 mA. Po obu stronach rury wyładowczej zamocowane są zwierciadła. Jedno ze zwierciadeł jest całkowicie odbijające, a drugie półprzeźroczyste. Lasery gazowe znajdują zastosowanie w miernictwie i wielu innych dziedzinach techniki, w których nie jest wymagana duża moc wiązki.
Lasery półprzewodnikowe wykonywane są z odpowiednio przygotowanego monokryształu arsenku galu. Sprawność laserów półprzewodnikowych jest bardzo duża, dochodzi do 50%, a nawet i 100% (sprawność laserów innych typów jest o rząd wielkości mniejsza).
Lasery początkowo nie spełniły pokładanej w nich nadziei. Z laserami wiązano możliwości dokładnej obróbki materiałów, wykonywania otworów w twardych przedmiotach, cięcia arkuszy blach itp.

Zastosowanie

Dziś lasery stosuje się do cięcia blach, cięcia materiałów o małej przewodności cieplnej (np. metale takie jak miedź czy aluminium), wywiercania (a raczej wypalania) otworów, kontrolowanego kruszenia i rozłupywania różnych materiałów. Laserów o dużej mocy można by używać jako broni do bezpośredniego rażenia przeciwnika . Są one jednak o wiele bardziej efektywne nie jako broń w ścisłym tego słowa znaczeniu , a jako urządzenia odszukujące i oznaczające cele, niszczone następnie przez rakiety naprowadzane wiązką świetlną. Znajdujące się na polu walki, obiekty przeciwnika oświetlane są wiązką promieni laserowych. Następnie wystrzeliwuje się rakiety, których detektory rejestrują promienie laserowe odbite od celów. Rakiety podążają za światłem i z wielką precyzją uderzają w cel.
Wraz z upowszechnieniem laserów w technice zwiększa się liczba zastosowań tych urządzeń w innych dziedzinach, w tym również w medycynie. Jednym ze schorzeń jest odklejanie się siatkówki od dna oka. Wiązkę laserową można użyć do jej sklejenia, i tu laser okazuje się niezastąpiony. Laser okazuje się także pomocny w walce z rakiem. W tym przypadku również wykorzystuje się dużą gęstość mocy i małe rozmiary wiązki promieniowania laserowego. Można nakierować ją na chore komórki i zniszczyć je, nie naruszając przy tym zdrowych tkanek.
W chirurgii promieni laserowych używa się do przecinania tkanek. Normalne narzędzie chirurgiczne, jak skalpel czy lancet, trzeba często sterylizować, poza tym szybko się tępią i stają się bezużyteczne. Niedogodności tych pozbawione są promienie lasera. Poza tym przecinane laserem naczynia krwionośne zasklepiają się w skutek wysokiej temperatury, co redukuje krwawienie. Lasery w medycynie są używane także do innych celów, na przykład do zapobiegania krwawieniu z wrzodów żołądka.
Lasery są wykorzystywane do określenia autentyczności obrazów. Analizuje się w tym celu ilość i grubość spodnich warstw farby w świetle laserowym.
Analogicznie do generowanych w nadajnikach fal radiowych, fale świetlne emitowane przez laser mogą być użyte do przesyłania sygnałów radiowych bądź telewizyjnych. Sygnały świetlne przesyłane są wtedy poprzez światłowody. Systemy łączności laserowej są rozbudowane ze względu na bardzo dużą ilość informacji, które można przesłać za ich pośrednictwem. Okazuje się, że za pomocą jednej wiązki świetlnej można przekazywać 10 milionów rozmów telefonicznych lub 1 milion programów telewizyjnych jednocześnie, bez ich wzajemnego nakładania się na siebie.

Lasery znajdują także zastosowanie w bardzo wielu dziedzinach, pozornie nie związanych z elektrotechniką, a każdy nowy dzień przynosi dalsze informacje na ten temat. Wymienię tutaj przykłady ciekawszych zastosowań tych niezwykłych źródeł promieniowania elektromagnetyczne. Otóż wykorzystuje się właściwości promieniowania spójnego stosuje się jeszcze lasery do:

- wywoływania różnorodnych reakcji chemicznych,
- kontroli zanieczyszczeń atmosfery,
- pomiarów prędkości przepływów cieczy,
- automatycznego sterowania i kontroli,
- miejscowego domieszkowania półprzewodników,
- obróbki materiałów ceramicznych i szklistych,
- przeprowadzania kontrolowanych reakcji termojądrowych,
- rozdzielania izotopów,
- zapisywania lub odczytywania stanu elektrooptycznych komórek pamięciowych,
- pomiarów wielkości elektrycznych .