Laser oznacza skrót od angielskiej nazwy: Light Amplification by Stimulated Emissfion of Radiation, czyli przekładając to na język polski dosłownie oznacza: wzmacnianie światła przez wymuszoną emisję promieniowania. Innymi słowy jest to generator wytwarzający spójne promieniowanie elektromagnetyczne, w zakresie promieniowania widzialnego, ale także ultrafioletowego i podczerwonego (w przyszłości planowane jest zbudowanie laserów pracujących w zakresie promieniowania rentgenowskiego). Laser w swoim działaniu wykorzystuje wzmocnienie promieniowania za pomocą emisji wymuszonej w ośrodku w którym wytworzono inwersję (odwrócenie) obsadzeń.
Głównymi elementami składowymi lasera są: ośrodek aktywny (czynny), układ pompujący i rezonator. Zadaniem układu pompującego jest wytworzenie w ośrodku czynnym inwersji obsadzeń. Ośrodek ten umieszczony jest w rezonatorze, który to składa się z dwóch przeciwnie do siebie skierowanych, równolegle położonych zwierciadeł, płaskich lub kulistych. Jedno z tych zwierciadeł charakteryzuje bardzo wysoki współczynnik odbicia - praktycznie równy 1, natomiast drugie charakteryzuje się niewielkim współczynnikiem transmisji. W zastosowaniach praktycznych wykorzystuje się zwierciadła dielektryczne, które złożone są z nieparzystej liczby warstw dielektryka, których grubość wynosi λ/4, gdzie λ oznacza długość fali emitowanego promieniowania. Warunkiem działania rezonatora, jest to aby odległość pomiędzy zwierciadłami była równa całkowitej liczbie połówek fali promieniowania, czyli inaczej mówiąc odległość ta powinna umożliwiać powstanie fali stojącej. Fotony który powstały w wyniku emisji spontanicznej, a które poruszały się równolegle do osi rezonatora, odbijają się wielokrotnie od jego zwierciadeł i przy wielokrotnym przejściu przez ośrodek czynny powodują wymuszoną emisję promieniowania przez atomy tego ośrodka. Promieniowanie będzie wzmacniane, jeśli zrekompensuje się zaistniałe straty i wówczas nastąpi generacja promieniowania przez rezonator. Jak wspomnieliśmy jedno ze zwierciadeł charakteryzuje się pewnym współczynnikiem transmisji, a to po to, aby generowane promieniowanie miało swoje ujście z rezonatora. W przypadku działania lasera helowo - neonowego, ośrodkiem czynnym jest mieszanina gazów helu i neonu. Na skutek zderzeń atomów neonu z atomami helu, następuje ich wzbudzenie do wyższych stanów energetycznych, dlatego też w ośrodku czynnym jest cały czas spełniony warunek istnienia inwersji obsadzeń. Gdy atomy neonu zostaną wzbudzone do wyższych stanów energetycznych, po pewnym czasie - zwanym czasem życia poziomu energetycznego, a wynoszącym ok. 10-8 s., dochodzi do przejścia do niższego stanu z jednoczesną emisją fotonów. Emisja ta prowadzi do powstania licznych lawin, których większość zanika po wyjściu z obszaru mieszaniny gazów. Jednak ta część, których kierunek pokrywa się z osią rezonatora wzmacnia generowane promieniowanie, które po przejściu przez zwierciadło o niezerowym współczynniku transmisji wydostaje się na zewnątrz. Proces ten odbywa się oczywiście przez cały czas pracy laser. Zewnętrzne pole elektryczne nieustannie wzbudza atomy helu na wyższe poziomy energetyczne.
Lasery stanowią źródło promieniowania, które znajduje ogromne zastosowanie praktycznie w każdej dziedzinie nauki, a nawet życia codziennego. Te niesamowite praktyczne zastosowania sprawiły, że lasery swego czasu stanowiły główny obiekt badań w setkach laboratoriów na całym świecie. Lata, które upłynęły od momentu skonstruowania pierwszych laserów obfitowały w coraz to znakomitsze wynalazki wykorzystujące światło laserowe. Dzięki prowadzonym badaniom zrozumiano wiele procesów w wyniku, których lasery działają w taki a nie inny sposób, a także odkryto wiele innych, dotąd jeszcze nie znanych. Co więcej, prowadzi się także badania, które mają na celu skonstruowanie laserów, które by emitowały promieniowanie, także w innych niż promieniowanie widzialne zakresach długości fali. Jednak nie wszystkie efekty da się osiągnąć na raz. Im bardziej wąską linię widmową promieniowania chcemy emitować, tym bardziej musimy ograniczyć jego moc. A gdy chcemy, aby impulsy emitowane przez laser były jak najkrótsze, a to z kolei prowadzi do poszerzenia obszaru widmowego.
Lasery rozróżnia się głównie ze względu na to co stanowi ich ośrodek czynny. Pod tym względem wyróżniamy lasery gazowe (He-Ne), ciekłe (lasery barwnikowe), krystaliczne (lasery rubinowe), czy szklane (lasery neodymowe). Ostatnio powstały także lasery wykorzystujące półprzewodniki - lasery półprzewodnikowe. Oprócz tego lasery także można podzielić ze względu na to jakim trybem pracy się charakteryzują. W tym wypadku wyróżniamy lasery ciągłe i impulsowe. Lasery impulsowe generują promieniowanie w postaci krótkich impulsów charakteryzujących się wysoką mocą.
Pompowanie w laserze
Jest to proces wzbudzania atomów, lub jonów stanowiących ośrodek czynny lasera, do wyższych poziomów energetycznych - poziomów metatrwałych. Zasadniczo wyróżnia się dwa rodzaje pompowania: pompowanie optyczne i pompowanie prądowe. W pompowaniu optycznym wykorzystuje się specjalne lampy wyładowcze. Lampy takie wytwarzają błyski światła, emitując w ten sposób energię, która może zostać zużyta na wzbudzenie atomów ośrodka czynnego do wyższych stanów energetycznych. Tego rodzaju pompowanie najczęściej wykorzystuje się w laserach krystalicznych, ciekłych i szklanych. Drugim rodzajem pompowania, jest pompowanie prądowe. W tym wypadku wykorzystuje się zewnętrzne pole elektryczne, pod postacią krótkotrwałych impulsów o wysokiej częstotliwości. Wykorzystuje się je zarówno w laserach gazowych jak i półprzewodnikowych. W laserach gazowych pompowanie prądowe powoduje jonizację gazu - określa się je mianem pompowania jonowego. Natomiast w przypadku laserów półprzewodnikowych pompowanie powoduje wprowadzenie do złącza p - n swobodnych nośników ładunku, lub też bombardowanie złącza wiązka szybkich elektronów.
Lasery gazowe
W przypadków laserów gazowych do wytworzenia inwersji obsadzeń wykorzystuje się wyładowania elektryczne. W tym wypadku bardzo ważną rolę odgrywają atomy, które znajdują się w stanach metatrwałych, bowiem ich energia może być przekazana w wyniku zderzeń atomom ośrodka czynnego lasera. Ten efekt jest właśnie wykorzystywany w laserze He - Ne - helowo - neonowym. W laserze tym głównym składnikiem właściwego ośrodka lasera jest mieszanina helu i neonu. Hel znajduje się w nim pod ciśnieniem cząsteczkowym równym ok. 130 Pa, a natomiast neon ok. 13 Pa. Występowanie wyładować elektrycznych w tej mieszaninie gazów, powoduje że atomy ośrodka przeskakują do różnych stanów energetycznych. Jednak z punktu widzenia akcji laserowej istotne są takie wzbudzenia w których atomy przechodzą do metatrwałego stanu 21S0, który to ma energię 20,61 eV, oraz do innego metatrwałego stanu 23S1, o energii 19,82 eV. A w przypadku pierwszego z tych metatrwałych stanów, jego energia odpowiada energii stanu 3s2 dla neonu, a z kolei druga energii stanu 2s2. Stąd może dojść do bardzo wydajnego wzbudzania, w czasie gdy zderzenia będą zachodzić według reakcji:
He(21 S0)+Ne(11S0) ===> He(11 S0)+Ne(3s2)
He(23S1)+Ne(11S0) ===> He(11S0)Ne(2s2).
W wyniku takiego pompowania dochodzimy do powstania inwersji obsadzeń, takiej, że obsadzenie stanu 3s2 przeważa nad obsadzeniem stanu 3p4 i 2p4, a także stanu 2s2 nad stanem 2p4. Dzięki temu powstają warunki do zaistnienia akcji laserowej.
Głównym elementem budowy takiego lasera jest rura laserowa, która to jest wykonana ze szkła lub kwarcu. Z obu stron jest ona zamknięta nachylonymi pod kątem Brewstera specjalnymi okienkami. Dzięki temu straty na odbicia są minimalizowane. Zwykle długość takiej rury waha się od kilkunastu centymetrów do nawet kilku metrów. Natomiast średnica zawiera się w granicach od kilku do kilkunastu milimetrów. W rurę są wczepione dwie elektrody, do których przykładając napięcie powoduje się powstanie wyładowania elektrycznego we wnętrzu rury. Rezonator jest z obu stron zamknięty przez dwa zwierciadła, płaskie lub sferyczne, które to ustawione są, tak, że ich ogniskowe się pokrywają. Jedno z nich prawie idealnie odbija wiązkę promieniowania, natomiast drugie charakteryzuje się niewielką wartością współczynnika transmisji, dzięki czemu możliwe jest wyprowadzenie wiązki na zewnątrz rezonatora.
Aby wybrać dany rodzaj akcji laserowej wykorzystuje się zwierciadła dialektryczne, które to charakteryzują się doskonałym odbiciem tylko dla wąskiego zakresu długości fali. Inne metody takiego wyboru wykorzystują pryzmat, który to z jednej strony zamyka rurę lasera. Dzięki odpowiedniemu ustawieniu pryzmatu i rezonatora, można wybrać tylko określoną długość fali promieniowania, która powinna do niego wracać. Dzięki temu można uzyskać bardzo silną akcję laserową charakteryzującą się bardzo dobrze określoną długością fali. Jak dotąd zidentyfikowano już ok. 70 przejść pozwalających na wytworzenie akcji laserowej w laserze He - Ne. Pozwalają one na wytworzenie promieniowania o długościach fali z zakresu od 630 nm, do promieniowania podczerwonego. W czasie trwania akcji laserowej cały czas dochodzi do wyładowań elektrycznych, które pozwalają na utrzymywanie ciągłej inwersji obsadzeń. Więc mamy w tym wypadku z laserem pracującym w trybie ciągłym. Moc jaką charakteryzuję się lasery tego typu zawiera się w granicach od kilkunastu mW do setek mW.
Zazwyczaj lasery He - Ne pracują w trybie pracy wielomodowej. Jednak w przypadkach kiedy chodzi o wytworzenie światła wysoce spójnego, stosuje się tryb jednomodowy. Aby tryb ten łatwo uzyskać można dokonać po prostu skrócenia lasera. Różnica pomiędzy kolejnymi modami wynosi 150 GHz. Gdy skrócimy laser do długości 10 cm, to różnica pomiędzy tymi modami wówczas wyniesie 1,5 GHz, a to z kolei oznacza że praktycznie zostanie wzbudzony tylko jeden mod. Jednak wraz ze skróceniem długości ośrodka czynnego lasera, powodujemy spadek jego mocy.
Poza laserami gazowymi, w których to głównym ciałem roboczym jest gaz szlachetny (lub też jak to jest w przypadku lasera He - Ne, mieszanina tych gazów), skonstruowano także lasery wykorzystujące jony. Są to lasery, których głównym ciałem roboczym są jony gazów szlachetnych, takie jak Ar+, które to są bardzo ważne dla zastosowań laserowych. Lasery takie potrafią emitować promieniowanie, które pokrywają obszar widmowy, od długości fali odpowiadających ultrafioletowi, do nawet bliskiej podczerwieni. Dla każdego z gazów szlachetnych, który to składa się z jonów po jednokrotnej jonizacji określono po kilkadziesiąt przejść, które mogą prowadzić do wytworzenia akcji laserowej. Oprócz laserów na jonach gazów szlachetnych, istnieją także lasery na jonach metali ziem alkalicznych (Mg+, Ba+, Ca+, Sr+), a także lasery na jonach z grupy kadmowej (Hg+, Zn+, Cd+). Inną grupę stanowią także bardzo ważne lasery na jonach chlorowców (F+2, Cl+2).
Na koniec wspomnijmy jeszcze o dwóch bardzo ważnych ze względów praktycznych laserach, tzw. laserach molekularnych, a mianowicie laserze azotowym i CO2. Pierwszy z tych laserów, podobnie jak w przypadku laseru He - Ne jest wzbudzany poprzez wyładowania elektryczne. Może emitować promieniowanie zarówno w zakresie ultrafioletu, jak i promieniowania widzialnego. Drugi z nich, czyli laser CO2, może pracować zarówno w trybie ciągłym, jak i impulsowym. Promieniowanie, jakie może on emitować odpowiada zakresowi pośredniej podczerwieni, czyli o długości fali ok. 10 mikrometrów. Oprócz tego charakteryzuje się także, tym że jest w stanie emitować promieniowani o stosunkowo dużej mocy, bowiem przy pracy impulsowej moc ta może osiągać wartość ok. 50 kW. Impulsy takie wówczas trwają ok. 150 ns, a powtarzają się z częstotliwością 400 Hz. W przypadku pracy ciągłej moc tego lasera może wynosić ok. 500 W.
Laser azotowy jest natomiast wykorzystywany do pompowania innego lasera - lasera barwnikowego.
Lasery krystaliczne
W laserach tego typu ośrodek czynny stanowi ciało stałe krystaliczne, które ma postać cylindrycznego pręta. Jego średnica wynosi ok. 1 cm, a długość może dochodzić do kilkunastu cm. Najbardziej rozpowszechnionym takim laserem jest laser rubinowy w przypadku, którego część główną stanowi kryształ szafiru Al2O3, domieszkowany jonami Cr3+. Kryształy, które stanowią osnowę lasera, muszą charakteryzować się doskonałą strukturą. Potrzebne pręty kryształów do tych laserów są specjalnie produkowane. Wycina się je z brył odpowiedniego kryształy w ten sposób, że oś optyczna jest ustawiona pod pewnym określonym kątem do osi takiego walca. Kąt ten jest zazwyczaj wybierany po uprzednim przeprowadzeniu wielu doświadczeń. Ściany takich prętów bardzo dokładnie się szlifuje tak, aby ich boczne powierzchnie wykazywały jak największą gładkość. A często się zdarza tak, że już te powierzchnie pokrywane są odpowiednimi substancjami odbijającymi promieniowanie. Jednak niektóre konstrukcje laserów, takie jak lasery gazowe, nadal wymagają stosowania normalnych zwierciadeł.
Pompowanie w tego typu laserach odbywa się za pomocą lampy wyładowczej, które to wypełnione są ksenonem. Aby jak najlepiej wykorzystać zdolności takich lamp, to nadaje się im kształt śruby, tak, aby można je było nałożyć na cylindryczny rezonator, co przypomina nawinięcie lampy na niego. Dodatkowo stosuje się osłonę wykonaną z chromu, która zapewnia maksymalne odbicie światła z takiej lampy i skierowanie go do rezonatora. Stosuje się także podłużne lampy wyładowcze, których promieniowanie skupia się na pręcie. Jednak mimo tych wszystkich zabiegów, to i tak bardzo niewielka ilość energii (0,1%) takiej lampy zostaje zamieniona na energię światła laserowa. Reszta ulega zamianie na ciepło, a to wprowadza konieczność silnego chłodzenia takich układów.
Lasery barwnikowe
Zaletą dotychczas opisanych laserów było niewątpliwie to, że obejmowały stosunkowy szeroki zakres widmowy. Jednak ich mankamentem jest to, że nie łatwo jest je przestroić w sposób ciągły. To znaczy, laser, który emituje promieniowanie o określonej długości fali nie może być w prosty sposób przestawiony na emitowanie promieniowania o innej długości fali. A tymczasem w spektroskopii bardzo często jest potrzebne, aby w sposób ciągły móc przestrajać laser. Rozwiązanie tego problemu przyniosły dopiero lasery barwnikowe. W laserach tego typu ośrodkiem czynny jest silnie fluoryzujący barwnik, taki jak fluoresceina, czy rodamina.
W takich laserach, aby mogła się odbywać akcja laserowa niezbędne jest umieszczenie kuwety z roztworem w rezonatorze, zastosowanie intensywnego pompowania optycznego, ale także bardzo ważne jest zastosowanie elementu, który to będzie rozszczepiał promieniowanie, wydzielając tą jego część o odpowiedniej długości fali, która będzie podtrzymywać akcję laserową. Elementem tym może być już zwykły pryzmat, ale częściej stosuje się różnego rodzaju siatki dyfrakcyjne, czy nawet interferometr Fabry - Perota. W przypadku tego ostatniego, szerokość widmowa emitowanego promieniowania może wynosić zaledwie kilka MHz. Przestrajania w takim laserze można dokonywać na dwa sposoby:
- przestrajania precyzyjne - w tym wypadku dochodzi do zmiany długości drogi optycznej w interferometrze
- przestrajanie zgrubne - gdzie zmienia się kąt nachylenia siatki.
Zakres długości fali w granicach, jakiego można dokonywać przestrajania wynosi ok. kilkadziesiąt nm. Dzięki wykorzystaniu różnego rodzaju barwników można otrzymać laser pracujący w szerokim zakresie długości fali. Jak już wcześniej wspomnieliśmy przy okazji lasera azotowego, lasery barwnikowe pompuje się właśnie nimi. Ale do tego celu, równie dobrze może posłużyć lampa błyskowa (podobnie jak ma to miejsce w przypadku lasera rubinowego), czy odpowiednio dostrojony laser argonowy.
Lasery półprzewodnikowe
Są to lasery, w których przypadku ośrodek czynny stanowi półprzewodnik, najczęściej stosuje się tutaj arsenek galu. Półprzewodnik taki stanowi złącze p-n, do którego wprowadza się swobodne nośniki ładunku, dziury i elektrony. Nośniki te w obszarze złącza rekombinują wysyłając w ten sposób promieniowanie. Kryształ półprzewodnika z odpowiednio wypolerowanymi ściankami stanowi już rezonator, w którym generowane jest promieniowanie. Lasery półprzewodnikowe charakteryzują się niewielkimi rozmiarami i są również tanie do wyprodukowania. Dodatkowo także można w nich stosunkowo łatwo dokonać modulacji promieniowania, dlatego też obecnie znajdują ogromne zastosowanie w technice.
