Jak to działa - Laser, Elektronika, Ciekawe artykuły
[ Pobierz całość w formacie 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.
1
LASER
2
3
Marek Utkin
4
ŒWIAT£O LASEROWE
5
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
24
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:
1
2
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
3
4
6
5
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.
6
25
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-
go
zależna
od lasera
pompujące-
go
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
26
Laser CO
2
(pod-
czerwień, mikrofa-
le)
10600
ciągła lub impulso-
wa
(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
1
Lasery, ktìre są bezpieczne w typowych warunkach pracy
1M
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.
2
Lasery emitujące promieniowanie widzialne w przedziale
długości fal od 700nm. Ochrona oka jest zapewniona
w sposìb naturalny przez instynktowne reakcje obronne.
2M
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.
3R
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.
3B
Lasery, ktìre są niebezpieczne podczas bezpośredniej
ekspozycji promieniowania. Patrzenie na odbicia rozpro-
szone jest zwykle bezpieczne.
4
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.
27
[ Pobierz całość w formacie PDF ]