Lasery i ich zastosowanie

Bogusz Ewelina

Andrukiewicz Małgorzata

Zarządzanie grupa I

Rok 1960 stał się rokiem przełomowym w elektronice kwantowej, optyce nieliniowej oraz dziedziny związanej z mikrofalami. Właśnie, bowiem w tym roku młody badacz T.H. Maniman zbudował, korzystając z pracy Alberta Einsteina, pierwszy laser w kształcie rubinu o barwie czerwonej.  To spowodowało dynamiczny wzrost liczby konstruowanych laserów, które zachwycały swym pięknem nie tylko naukowców, lecz także zwykłych ludzi, działo się tak gdyż wiązki światła wielu laserów są widoczne i emitują ogromną paletę barw i struktur. W widoczny sposób lasery zastąpiły masery, w których wytwarzanie fal elektromagnetycznych powodowało wiele problemów, gdy długość fali zmniejszała się do rzędu milimetrów. Tych trudności nie powodują lasery, które pełnią ogromną rolę w dzisiejszym świecie.

Czym są tak właściwie są lasery?  Nazwa jego pochodzi od pierwszych liter słów, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, co w przetłumaczeniu oznacza wzmocnienie światła przez stymulowaną (wymuszoną) emisję promieniowania. Promieniowanie lasera ma charakterystyczne właściwości, trudne lub wręcz niemożliwe do osiągnięcia w innych typach źródeł promieniowania. Jest spójne w czasie i przestrzeni, zazwyczaj spolaryzowane i ma postać wiązki o bardzo małej rozbieżności. W laserze łatwo jest otrzymać promieniowanie o bardzo małej szerokości linii emisyjnej, co jest równoważne bardzo dużej mocy w wybranym, wąskim obszarze widma.

W jaki sposób działają lasery?Podstawą działania jest proces elektroniki kwantowej jest proces emisji wymuszonej, do której należy stworzyć odpowiednie warunki, aby zmocnienie to przewyższyło straty występujące w danym układzie dzięki umieszczeniu substancji czystej w rezonatorze optycznym. Warunkiem wstępnym zaistnienia akcji laserowej jest inwersja obsadzeń poziomów energetycznych. Typowo uzyskuje się ją w układzie trzech, np. kryształ rubinu, zawierający jony chromu, (lub czterech, np. jony neodymu w szkle lub kryształach, a także molekuły CO i CO2) poziomów ośrodków aktywizacji energetycznych. To jeszcze nie wszystko, zapewnić istnienie frontów wymuszających po to, aby wymusić wystąpienie zjawiska emisji wymuszonej. Taka role spełniają niektóre fotony, emitowane spontanicznie, w układzie atomów, cząsteczek czy jonów, powstaje samorzutnie bez jakiegokolwiek oddziaływania z zewnątrz. Fotony wymuszają w praktyce zawracanie są ponownie do ośrodka aktywnego za pomocą ( w najprostszym przypadku) dwóch zwróconych ku sobie zwierciadeł usytuowanych po przeciwnych stronach ośrodka. Stanowią one tzw. rezonator laserowy, który wprowadza dodatnie optyczne sprężenie zwrotne dla światła o wybranym kierunku i określonej długości fali. Spośród wszystkich możliwych kierunków świecenia i wszystkich dostępnych dla ośrodka długości fal, jedynie światło o parametrach ustalonych przez rezonator będzie wzmacniane na tyle mocno, by doprowadzić do akcji laserowej.

Sprzężenie zwrotne polega na możliwości wielokrotnego przepływu fotonów przez ośrodek, połączonego z ich kaskadowym powielaniem wskutek emisji wymuszonej, dzięki czemu laser generuje spójne światło. Układ optyczny rezonatora składa się zazwyczaj z dwóch dokładnie wykonanych i odpowiednio ustawionych zwierciadeł. Dla określonego kierunku możliwe jest wielokrotne odbicie pomiędzy zwierciadłami, i tylko fotony o takim kierunku, mogą wielokrotnie przebiegać przez ośrodek czynny, powodując akcję laserową. Jeśli rezonator ma postać dwóch równoległych zwierciadeł płaskich, to emitowane światło może leżeć w dość szerokim przedziale częstotliwości, zależnym od charakterystyki ośrodka. Aby dodatkowo określić tę częstotliwość z dużą precyzją, stosuje się dodatkowe elementy układu optycznego, ograniczające możliwość wielokrotnego odbicia fal o długościach innych, niż zadana. Mogą to być na przykład siatki dyfrakcyjne pełniące rolę selektywnego zwierciadła tylko dla określonej długości fali, a także dodatkowe lustra tworzące filtry interferencyjne. W zależności od szczegółów technicznych budowy rezonatora, możliwe jest uzyskanie światła laserowego o bardzo różnych własnościach, takich jak kątowa rozbieżność wiązki, określony stopień jej spójności przestrzennej i czasowej, określony profil spektralny linii, czy wreszcie określony rozkład gęstości mocy w poprzecznym przekroju wiązki (tzw. mody poprzeczne).

Aby emitowane światło laserowe mogło wydostać się poza rezonator (na zewnątrz lasera), przynajmniej jedno z luster powinno być częściowo przepuszczalne. W laserach impulsowych stosuje się często modulację czasową przepuszczalności luster, dzięki czemu cała energia wiązki zostaje uwolniona w chwili "otwarcia" lustra.

Jakie są rodzaje laserów? W obecnym świecie istnieje już ogromna ilość laserów, lecz nie ma lasera uniwersalnego, dlatego użytkownik musi bardzo starannie wybrać laser do swoich potrzeb, ponieważ każdy laser emituje światło o swoistej dla siebie długości fali i mocy. Według właśnie tych cech można dokonać podziału laserów. Wyróżniamy wiele ich modeli i nie jest możliwe umówienie każdego z nich.

Możemy je jednak w jakiś sposób podzielić na pewne grupy.

Jedna z grup stanowią lasery gazowe, które przez wiele lat były najbardziej rozprzestrzenionym typem lasera dzielą się na lasery gazowe atomowe na parach metali (np. miedzi), jonowe(argonowe) i molekularne(np. na dwutlenku węgla, ekscymerowe) i inne. Najbardziej znanym wśród laserów gazowych są lasery helowo-neonowe emitują światło czerwone i zielone, znalazły zastosowanie w wielu dziedzinach nauki i techniki, m.in. holografii, geodezji, do justowania, wzorcach częstotliwości i czasu. Lasery wypełnione dwutlenkiem węgla z dodatkiem azotu i helu, emitują impulsowo lub ciągle światło podczerwone charakteryzują się w dużą mocą, stosuje się je w badaniach fizycznych, obróbce materiałów, medycynie, wojsku, telekomunikacji i innych dziedzinach nauki i techniki. Mniej popularne lasery argonowe stosowane są zaś w medycynie, spektroskopii, do pompowania laserów barwnikowych, w holografii itp.

Inną grupą są lasery na ciele stałym, do której należą, np. lasery rubinowe, kryształu granatu itrowo-glinowego (YAG) z dodatkiem neodymu i szkło domieszkowane neodymem. Charakteryzują się one szeroką linią generacji i pracują impulsową emitującą światło czerwone. Poprzez te cechy znalazły one zastosowanie w badaniach podstawowych, przemyśle, medycynie, homolog rafii, łączności, wojsku i w wielu innych dziedzinach.

Kolejnym rodzajem są lasery cieczowe, do których zaliczamy lasery chylatowelasery neodymowe oraz najbardziej znany laser barwnikowy, który jest laserem ciągłego lub impulsowego działania, którego ośrodkiem aktywnym jest roztwór barwnika organicznego w stanie ciekłym, stałym lub w postaci pary wodnej. Jego charakterystyczną cechą jest możliwość płynnego przestrajania długości fali zarówno w laserach o działaniu ciągły, jak i impulsowych. Dzięki własnościom emitowanego światła, laser ten znalazł on zastosowanie w fotochemii, spektroskopii, diagnostyce oraz w badaniach naukowych.

Gdzie i w jakich dziedzinach życia możemy występują lasery? Bardzo ciężko byłoby wymienić wszystkie dziedziny gdzie widoczne jest zastosowanie laserów, bowiem zastosowanie laserów wyparło wielki wpływ na wiele dziedzin techniki i nauki, np.:

  •   technologię materiałów (precyzyjne cięcie, spawanie i wiercenie trudno topliwych materiałów, wyważanie dynamiczne zautomatyzowane cięcie papieru, tkanin, tworzyw sztucznych itp.);
  •   technikę wojskową (pomiar odległości, sterowanie bombami i pociskami, oświetlanie, specjalne metody rozpoznania i fotografowania);
  •   medycynę i biologię (mikrochirurgiczne zabiegi okulistyczne, bezkrwawe zabiegi chirurgiczne, zapobieganie próchnicy, usuwanie naczyniaków, zabiegi kosmetyczne);
  •   sterowanie pracą maszyn roboczych, wytyczanie torów wodnych w portach, chodników w kopalniach, precyzyjne pozycjonowanie złożonych konstrukcji;
  •   precyzyjne pomiary długości, odległości, pułapu chmur, stopnia zanieczyszczeń atmosfery, szybkości przepływu itp.;
  •   zapisywanie i odtwarzanie dźwięków i obrazów;
  •   holografię;
  •   telekomunikację optyczną (wielokanałowa łączność światłowodowa między dużymi centrami obliczeniowymi).
  •   technologię chemiczną (selektywna kataliza reakcji chemicznych);
  •   telekomunikację (nadajniki laserowe przy transmisji światłowodowej; odczyt i zapis informacji na płytach kompaktowych);
  •   nowoczesnej poligrafii (w naświetlarkach filmów poligraficznych, naświetlarkach offsetowych form drukowych, naświetlarkach zintegrowanych z maszyną drukarską, w jednym z typów druku cyfrowego);
  •   znakowaniu produktów (Używa się ich przy liniach produkcyjnych posiadających bardzo wysokiej wydajności (np. 70 000 prod./h) oraz gdy chcemy uzyskać trwały i estetyczny nadruk. Podstawowym założeniem stosowania lasera do znakowania jest jego trwałość oraz nieusuwalność znaku. Aby 'zniszczyć’, np. datę przydatności do produkcji na towarze spożywczym wykonaną laserem, należałoby zniszczyć także opakowanie lub usunąć etykietę.).

Lasery barwnikowe

Urządzenia tego typu są unikalnymi członkami rodziny laserów w tym sensie, że są to jedyne dotychczas znane lasery, które pozwalają płynnie regulować długość fali ich promieniowania w dość szerokich granicach. Barwniki są dość złożonymi barwnikami społecznymi, które w odpowiednim środowisku ( głównie we właściwych roztworach ciekłych i gazowych oraz z zestalonym i ośrodkiem aktywnym ) oznaczają się tym, że pochłaniają światło w szerokim zakresie długości fal.

Większość barwników w roztworach wykazują charakter jonowy istotny wpływ na własności barwnika mają rodniki takie jak:

CH3,C2H5, które w głównej mierze decydują o własnościach pochłaniających substancji.

 

Obraz przedstawia miniaturowy laser barwnikowy.

Substancją czynną jest przepływająca laminarna, struga roztworu zawierającego barwnik organiczny, np. rodaminę, pompowane optycznie laserem argonowym, kryptonowym lub neodymowym.

Pełne własności optyczne barwnika ujawniają się dopiero w roztworach ciekłych i stałych. Jeżeli barwnik ma postać krystaliczną to jego własności absorpcyjne są bardzo słabe lub w ogóle zanikają. Czas życia cząsteczki barwnika w stanie wzbudzonym jest rzędu 10-9 s. Dodatkowo świecenie długoczasowe pojawia się w roztworach stałych. Wiązka światła lasera barwnikowego jest najczęściej spolaryzowana jeżeli do pompowania optycznego wykorzystujemy spolaryzowane światło. Rozbieżność tej wiązki wynosi kilka miliardianów, a zależy to od geometrii, rezonatora optycznego. Rozbieżność ta maleje do ułamków miliardiana, gdy jedno z luster obecnych wewnątrz lasera jest zastąpione siatką dyfrakcyjną. Częstotliwość błysków zależy od wydajności układu, który zapewnie przepływ roztworu barwnika. Zwykłe błyski lasera barwnikowego powtarzają się co kilka sekund.

Wzmacniacze barwnikowe, pompowane optycznie synchronicznie z układem generacyjnym, np.: przez stosowny podział wiązki pompującej, odgrywają ważną rolę w technice laserowej.

Lasery barwnikowe działają w reżimie impulsowym, a narzędziem zasilającym jest z reguły inny laser impulsowy. Moc wiązki lasera barwnikowego osiąga nawet do 2 MW. Niestety laser barwnikowy charakteryzuje się bardzo niskim stopniem monochromatyczności, bo co najwyżej 0,001 nm.

Do najpowszechniejszych barwników używanych w tego typu laserze należą określone rodaminy oraz pochodne kumaryny. Zestaw barwników laserowych jest bardzo bogaty a to pozwala uzyskać promieniowanie o różnej długości fal.

Lasery półprzewodnikowe

Laser półprzewodnikowy – nazywany również laserem diodowym lub diodą laserową - laser, którego obszarem czynnym jest półprzewodnik. Najczęściej laser półprzewodnikowy ma postać złącza p-n w którym obszar czynny jest pompowany przez przepływający przez złącze prąd elektryczny. Są to najbardziej perspektywiczne lasery z punktu widzenia ich zastosowań w fotonice ze względu na małe wymiary, dość wysokie moce, łatwość modulacji prądem sterującym o wysokiej częstotliwości (rzędu gigaherców) i możliwość uzyskania promieniowania od pasma bliskiej podczerwieni (diody laserowe dla telekomunikacji światłowodowej) do skraju fioletowego pasma widzialnego.

Pierwsze lasery półprzewodnikowe wykonano z arsenku galu (GaAs). Pracowały one w systemie impulsowym generując promieniowanie podczerwone. Ze względu na przepływ silnego prądu podczas pracy wymagały silnego chłodzenia. Laser ulepszano stosując coraz to nowe materiały półprzewodnikowe. Znacznie rozszerzano zakres długości fal (od średniej podczerwieni aż do bliskiego nadfioletu).

Lasery półprzewodnikowe oprócz swoich niebagatelnie małych rozmiarów,  szereg innych zalet. Cechuje je bardzo duża wydajność, nieporównywalnie większa niż laserów innych typów. Zaletą jest również bardzo proste sterowanie nimi, bo za pomocą sterowania natężeniem prądu który w nich płynie możemy kontrolować i  dowolnie zmieniać natężenie ich promieniowania. Są bardzo proste budowie i dzięki temu można je produkować w sposób masowy, co niesie za sobą fakt, ze cena ich wytworzenia nie jest wygórowana.

  laser półprzewodnikowy

Rodzaje laserów półprzewodnikowych:

  •   Laser o emisji krawędziowej
  •   Laser o emisji powierzchniowej
  •   Niebieski laser
  •   Laser UV

Lasery półprzewodnikowe są źródłami promieniowania spójnego, w których funkcję ośrodka czynnego pełni półprzewodnik. Można je podzielić na dwie grupy:

1. półprzewodnikowe lasery złączowe ( diodowe)

2. półprzewodnikowe lasery bezzłączowe- wykonane z jednorodnego materiału.

Dioda elektroluminescencyjna daje szerokie widmo emisji, głównie zależne od intensywności z jaką są wstrzykiwane nośniki, czyli inaczej mówiąc od natężenia prądu jaki przez nią płynie. Rekombinacji elektronów i dziur towarzyszy emisja fotonów, jak już wcześniej było powiedziane, ale ta emisja jest emisją spontaniczną, wielokierunkową, przez co większość fotonów szybko opuszcza obszar czynny, lecz niektóre z nich zderzają się ze wzbudzonymi elektronami powodując przejście emisyjne wymuszone. W pewnych warunkach może nastąpić sytuacja kiedy wytwarzane fotony wymuszą emisję fotonów liczniejszych niż te które będą pochłaniane, w takiej sytuacji nastąpi wzmocnienie promieniowania. Aby akcja laserowa nastąpiła musi występować jeszcze urządzenie, które będzie wypromieniowane fotony scalało w jedną spójną wiązkę zwaną promieniem laserowym, to urządzenie nosi nazwę rezonatora optycznego. W celu stworzenia rezonatora optycznego należy ukształtować złącze diody możliwie płaskie, a z obu jego przeciwległych stron umieścić prostopadłe do płaszczyzny złącza i równoległe do siebie powierzchnie odbijające. Jedno ze zwierciadeł musi być częściowo przepuszczalne, zwierciadło takie nazywane jest promiennikiem światła laserowego. Aby zapobiec możliwości wzbudzenia się akcji laserowej w kierunku poprzecznym, boczne powierzchnie rezonatora powinny być matowe i nieznacznie odchylone od wzajemnej równoległości. W celu osiągnięcia akcji laserowej przez diodę luminescencyjną musi płynąć odpowiednio duży prąd, prąd progowy. Jeśli natężenie prądu jest mniejsze, rekombinacja elektronów i dziur nie powoduje akcji laserowej, a dioda emituje światło niespójne.

WNIOSKI

Od czasu wynalezienia w roku 1960, lasery umożliwiły rozwiązanie tysięcy różnych problemów w nauce, przemyśle i w naszym codziennym życiu. Posumują można, więc stwierdzić, że lasery wywarły wielki wpływ na rozwój gospodarki i w dzisiejszym świecie życie bez ich pomocy byłoby naprawdę trudne, a czasem już nawet niewyobrażalne.

Bibliografia:

1.  Dubik Adam, Zastosowanie laserów, Warszawa 1991

2.  Kaczmarek Franciszek, Wstęp do fizyki laserów, Warszawa 1986

3.  Klejman Herman, Lasery, Warszawa 1974

4.  Płochocki Zbigniew, Co to jest laser, Warszawa 1984

5.  http://pl.wikipedia.org/wiki/Laser