Laser.pdf

jak to dział a

Lasery są obecnie wszędzie nie tylko w fil-

mach SF, gdzie strzelają z nich krążowniki

kosmiczne, lecz także w większości domìw

w odtwarzaczach CD i DVD, w medycynie,

wojsku, fabrykach, miernictwie i na placach

budowy w poziomicach laserowych.

Pierwszy laser (rubinowy) zbudował w 1960 r.

Theodore Maiman, a sama nazwa jest skrì-

tem od: Light Amplification by Stimulated

Emission of Radiation, czyli wzmocnienie

światła przez wymuszoną emisję promienio-

wania, ktìra dokładnie określa, co laser robi.

Lasery są obecnie tak powszechne i niezbęd-

ne, gdyż ich światło ma bardzo szczegìlne

właściwości: jest kierunkowe, doskonale

spìjne i monochromatyczne.

Jest spójne , czyli „zorganizowane” - ka¿dy foton po-

rusza siê synchronicznie z innymi. Oznacza to, ¿e

wszystkie fotony maj¹ pocz¹tek fali zaczynaj¹cy siê

w tym samym miejscu (i gdy uderzaj¹ w przeszkodê,

robi¹ to tak¿e razem).

Jest kierunkowe i ma bardzo zwarty promieñ, jest

bardzo mocne i skoncentrowane. Dla porównania la-

tarka wypromieniowuje œwiat³o w wielu kierunkach

i jest ono bardzo s³abe; zmieszane ze œwiat³a o ró¿-

nych d³ugoœciach fali.

INWERSJA OBSADZEÑ

I EMISJA WYMUSZONA

Choæ istnieje wiele typów laserów, dzia³aj¹ na

tej samej zasadzie. W laserze œrodowisko wzmacniaj¹-

ce jest „pompowane” optycznie (b³yskami) lub elek-

trycznie (wy³adowaniami), aby atomy przesz³y ze stanu

podstawowego w stan wzbudzenia . Dziêki temu

w oœrodku wzmacniaj¹cym (czyli substancji laseruj¹-

cej) tworzy siê ogromna iloœæ atomów w stanie wzbu-

dzenia (z elektronami o wy¿szym poziomie energii). To

zwiêksza stopieñ inwersji (odwrócenia) obsadzeñ, czyli

liczba atomów w stanie wzbudzonym zaczyna prze-

wy¿szaæ iloœæ atomów w stanie podstawowym.

W atomie wzbudzonym elektrony przenosz¹ siê

z orbit ni¿szych na orbity o wy¿szym poziomie energe-

tycznym, dalej od j¹dra. Gdy elektron przemieœci siê na

orbitê o wy¿szym poziomie energetycznym, bêdzie mia³

tendencjê do powrotu (bêdzie „chcia³” powróciæ) do

stanu podstawowego . Gdy to zrobi, wypromieniuje

nadmiar energii w postaci cz¹steczki œwiat³a, fotonu .

Foton ma okreœlon¹ d³ugoœæ fali (czêstotliwoœæ, kolor),

zale¿n¹ od poziomu energetycznego, na jakim znajdo-

wa³ siê elektron, który go wyemitowa³ .

Jeœli wzbudzony foton napotka inny atom,

w którym bêdzie elektron w takim samym stanie, mo¿e

wyst¹piæ emisja wymuszona . Pierwszy foton nie

zostanie poch³oniêty, a mo¿e wymusiæ (indukowaæ)

przyspieszenie przejœcia atomu ze stanu wzbudzonego

do podstawowego i foton wyemitowany z drugiego

atomu zostanie wprawiony w drgania o takiej samej

czêstotliwoœci i w takim samym kierunku jak foton ude-

rzaj¹cy. Z atomu wydobêd¹ siê w tym samym kierunku

dwa spójne, zgodne w fazie fotony o tej samej energii,

a wiêc i czêstotliwoœci. Te fotony natrafiaj¹ na kolejne

podobne sobie fotony,

co spowoduje lawino-

wy wzrost iloœci foto-

nów o takich samych

w³asnoœciach.

LASER

Marek Utkin

ŒWIAT£O LASEROWE

Œwiat³o laserowe ró¿ni siê bardzo od œwiat³a nor-

malnego:

Jest monochromatyczne , co oznacza, ¿e sk³ada siê ze

œwiat³a o jednej, okreœlonej d³ugoœci fali (jednym kolo-

rze). D³ugoœæ fali œwiat³a jest okreœlona przez kwant

energii wyzwalanej, gdy elektron przeskakuje na ni¿-

sz¹ orbitê, trac¹c czêœæ energii zamienionej na œwiat³o.

REZONATOR

Aby nast¹pi³a

akcja laserowa, oœro-

dek wzmacniaj¹cy mu-

si zostaæ umieszczony

w rezonatorze. Wów-

LASER RUBINOWY

A imię jego 44! Wł a ś nie 44 lata temu powstał y dwa odkrycia, ktìre zmie-

nił y ś wiat technologia planarna produkcji ukł adìw scalonych i laser

LASER TRÓJSTOPNIOWY

TYPY LASERÓW

Oœrodek wzmacnia-

j¹cy lasera mo¿e byæ cia-

³em sta³ym, gazem, ciecz¹

lub pó³przewodnikiem.

Lasery, wed³ug zastoso-

wanego materia³u, dziel¹

siê na:

Lasery sta³e - maj¹ ma-

teria³ wzmacniaj¹cy z cia³

sta³ych, takich jak rubin

lub granat neodymowo-it-

rowo-glinowy (lasery

Yag). Lasery Nd-Yag emi-

tuj¹ œwiat³o podczerwo-

ne. Rubin jest to kryszta³

tlenku glinu (Al 2 O 3 ),

w którym niektóre atomy

glinu s¹ zast¹pione ato-

mami chromu (aktywnymi

w pracy lasera), absorbu-

j¹cymi ¿ó³to-zielon¹ czêœæ

widma i nadaj¹cymi rubi-

nowi charakterystyczn¹

czerwon¹ barwê. Mono-

kryszta³ sztucznego rubi-

nu jest jednoczeœnie oœ-

rodkiem wzmacniaj¹cym

i rezonatorem i ma kszta³t

prêta. Umieszczony jest

w ksenonowej lampie

b³yskowej du¿ej mocy.

W prêcie rubinu wystar-

czy pojawienie siê jedne-

go tylko fotonu o czêstot-

liwoœci rezonansowej, po-

ruszaj¹cego siê równoleg-

le do osi prêta, aby rozpo-

cz¹³ siê proces narastania

emisji wymuszonej. Laser

neodymowy pozwala na

uzyskanie w impulsie du-

¿ych mocy. W podobny

sposób jak laser neody-

mowy dzia³aj¹ lasery,

w których w ró¿nych os-

nowach krystalicznych wystêpuj¹ jony metali ziem

rzadkich.

Lasery gazowe emituj¹ w zakresie œwiat³a widzial-

nego (najpowszechniejszymi laserami gazowymi s¹

helowe i helowo-neonowe, He-Ne), istniej¹ te¿ lasery

argonowe. Lasery CO 2 emituj¹ energiê w dalekiej

podczerwieni i s¹ stosowane do ciêcia twardych ma-

teria³ów. Laser gazowy pracuje dziêki wy³adowaniu

elektrycznemu w gazach o niskim ciœnieniu, podob-

nie jak ma to miejsce w œwietlówce. Atomy w sta-

nach metatrwa³ych przekazuj¹ energiê atomom lub

cz¹steczkom w³aœciwego oœrodka laseruj¹cego.

Lasery ekscymerowe (nazwa jest skrótem od excited

(wzbudzony) i dimers, pseudomoleku³y) zawieraj¹

czas promieniowanie wprowadzone wzd³u¿ osi rezona-

tora odbija siê wielokrotnie od zwierciad³a umieszczo-

nego na jednym koñcu rezonatora i od pó³przezroczys-

tego zwierciad³a na drugim koñcu . Pomiêdzy zwier-

ciad³ami nastêpuje powielanie fotonów wskutek emisji

wymuszonej. Po osi¹gniêciu odpowiedniej energii pro-

mieniowanie wychodzi z rezonatora przez pó³przezro-

czyste zwierciad³o w postaci spójnej, monochromatycz-

nej, doskonale równoleg³ej wi¹zki œwiat³a o du¿ej mo-

cy. Jest ona doskonale równoleg³a, bowiem fale, które

nie s¹ prostopad³e do zwierciade³, uciekaj¹ bez wzmoc-

nienia na boki oœrodka drgaj¹cego. Œwiat³o, które siê

w koñcu wydostaje, jest œwiat³em laserowym.

jak to dział a

LASER GAZOWY

gazy reaktywne, takie jak chlor i fluor, mieszane z ga-

zami szlachetnymi, jak argon, krypton lub ksenon.

Gdy zostaj¹ wzbudzone elektrycznie, wytwarzana

jest pseudomoleku³a (dimer). W trakcie akcji lasero-

wej, dimer wytwarza œwiat³o w zakresie ultrafioletu.

Lasery barwnikowe jako oœrodek wzmacniaj¹cy wy-

korzystuj¹ z³o¿one barwniki organiczne, jak rodami-

na 6G, w roztworach p³ynnych lub zawiesinach. S¹

one przestrajane w szerokim zakresie d³ugoœci fal.

Lasery pó³przewodnikowe , niekiedy zwane diodami

laserowymi, nie s¹ laserami sta³ymi i dzia³aj¹ podob-

nie jak diody œwiec¹ce LED. Do ich budowy stosuje

siê arsenek galu lub azotek galu. Zwierciad³ami lase-

ra pó³przewodnikowego mog¹ byæ same krawêdzie

kryszta³u. Te urz¹dzenia elektroniczne s¹ niewielkie

i maj¹ zazwyczaj nisk¹ moc. S¹ instalowane w np.

drukarkach laserowych i odtwarzaczach CD.

Porównanie podstawowych typów laserów

Typ lasera

Długość

fali [nm]

Rodzaj pracy,

długość impulsu

Energia [J]

Moc [W]

Zastosowanie

Rubinowy (CrAlO 3

/ Al2O 3 )(czerwony)

694,3

impulsowa

(5-100 ns)

1-10 2

10 3 -10 9

technologiczne spawanie, topienie,

wiercenie, dentystyka, biologia

Neodymowy (pod-

czerwień)

1060

ciągła lub impulso-

wa (15 ns)

10 1 - 10 2

10-10 3

telekomunikacja, laserowe układy

śledzące, kontrolowane reakcje ją-

drowe, cięcie twardych metali

Laser pìłprzewod-

nikowy GaAs

800-900

ciągła lub impulso-

wa (10 2 ns)

10 5 - 10 3

10 3 -10

telekomunikacja

Laser barwnikowy

(Rodamina 6G)

przestraja-

ny w za-

kresie

200-800

zależna od lasera

pompującego

zależna

od lasera

pompujące-

zależna

od lasera

pompujące-

spektroskopia, rozdzielanie izotopìw,

biologia

Laser gazowy

He-Ne (czerwony)

632,8

ciągła

10 3 -10 1

metrologia, interferometria, hologra-

fia, geodezja

Laser argonowo-

jonowy (niebieski,

zielony)

488-514,5

ciągła lub impulso-

wa (10 3 ns)

1-10 3

chirurgia, spektroskopia

Laser azotowy

337,1

impulsowa (10 ns)

0,01

10 6

spektroskopia, reakcje fotochemiczne

Laser CO 2 (pod-

czerwień, mikrofa-

le)

10600

ciągła lub impulso-

(10 2 -5x10 4 ns)

1-10 3

10-10 4

laserowe układy śledzące, chirurgia,

dentystyka, obrìbka materiałìw, cięcie

i spawanie metali, kontrolowane reak-

cje jądrowe, rozdzielanie izotopìw

KLASYFIKACJA LASERÓW:

Œwiat³o podczerwone emituj¹ lasery:

a) sta³e

b) He-Ne

c) Nd-Yag

Lasery dziel¹ siê na

cztery podstawowe grupy

(klasy), zale¿nie od mo¿li-

woœci powodowania

uszkodzeñ biologicz-

nych:

Klasa

Podział

Lasery, ktìre są bezpieczne w typowych warunkach pracy

Lasery emitujące promieniowanie w zakresie długości fal

od 302,5 nm do 4000 nm, ktìre są bezpieczne w racjo-

nalnych warunkach pracy, ale mogą być niebezpieczne

podczas patrzenia w wiązkę przez przyrządy optyczne

(np. skanery kodu kreskowego). Max. 4,0 mW.

Skrócona historia laserów:

1960 – Wynalezienie lasera rubinowego, T. Mai-

man.

1962 – Wynalezienie lasera pó³przewodnikowe-

go (dioda laserowa) dzia³aj¹cego impul-

sowo (aby dzia³aæ, laser musi byæ zanu-

rzony w ciek³ym azocie).

1960 – Nagrodê Nobla za fundamentalne bada-

nia w dziedzinie elektroniki kwantowej,

które doprowadzi³y do wynalezienia ma-

sera, otrzymali N. G. Basow, A. M. Pro-

chorow i Ch. H. Townes

1972 – STL uzyskuj¹ 1 Gbit/s poprzez modulacjê

diody laserowej.

1973 – Bell Labs konstruuj¹ diodê laserow¹ o ¿y-

wotnoœci 1000 godzin.

1975 – Pierwsza komercyjna dioda laserowa.

Pracuje w temperaturze pokojowej.

1976 – Bell Labs wytwarzaj¹ diodê laserow¹

o ¿ywotnoœci 100 000 godzin (ponad

11 lat); dioda pracuje w temperaturze po-

kojowej.

1977 – General Telephone & Electronics przesy³a

pierwsze rozmowy telefoniczne przez

w³ókno œwiat³owodowe. Uzyskuje

6 Mbit/s.

Lasery emitujące promieniowanie widzialne w przedziale

długości fal od 700nm. Ochrona oka jest zapewniona

w sposìb naturalny przez instynktowne reakcje obronne.

Lasery emitujące promieniowanie widzialne w przedziale

długości fal od 700nm. Ochrona oka jest zapewniona

w sposìb naturalny przez instynktowne reakcje obronne,

ale mogą być niebezpieczne podczas patrzenia w wiązkę

przez przyrządy optyczne.

Lasery emitujące promieniowanie w zakresie długości fal

od 302,5 nm do 106 nm, patrzenie bezpośrednie w wiąz-

kę jest potencjalnie niebezpieczne (większość wskaźni-

kìw do tablicy). Praca ciągła: 1 5 mW.

Lasery, ktìre są niebezpieczne podczas bezpośredniej

ekspozycji promieniowania. Patrzenie na odbicia rozpro-

szone jest zwykle bezpieczne.

Lasery, ktìre wytwarzają niebezpieczne odbicia rozpro-

szone. Mogą one powodować uszkodzenie skìry oraz

stwarzają zagrożenie pożarem. Podczas obsługi laserìw

klasy 4 należy zachować szczegìlną ostrożność. Praca

ciągła: 500 mW, pulsacyjna: 10 J/cm 2 lub granica odbicia

rozproszonego.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: