Lasery budowa, rodzaje, zastosowanie. Materiały dydaktyczne dla kierunku Technik Optyk (W12) Kwalifikacyjnego kursu zawodowego.

Transkrypt

1 Lasery budowa, rodzaje, zastosowanie Materiały dydaktyczne dla kierunku Technik Optyk (W12) Kwalifikacyjnego kursu zawodowego.

2 Budowa i zasada działania lasera Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation - wzmocnienie światła poprzez wymuszoną emisję promieniowania) to kwantowy generator monochromatycznej, spójnej (koherentnej) i spolaryzowanej wiązki światła. Obecnie istnieją lasery zdolne do emisji światła z zakresu widma od nadfioletu do dalekiej podczerwieni. Mechanizm generowania światła przez lasery opiera się na zjawisku wymuszonej emisji promieniowania w ośrodku po odwróceniu (inwersji) obsadzeń. Zasadniczymi elementami lasera są: ośrodek czynny, rezonator optyczny, układ pompujący.

3 Ośrodek czynny: Oddziaływanie światła z materią można wyjaśnić za pomocą trzech zjawisk: pochłanianie fotonów (absorbcja), emisji spontanicznej oraz emisji wymuszonej fotonu. Foton wyemitowany w wyniku emisji wymuszonej jest spójny (ma taką samą częstotliwość, polaryzację) z fotonem wywołującym emisję. Foton wzbudzający musi mieć odpowiednią energię równą energii wzbudzenia ośrodka. Atomy w stanie podstawowym pochłaniają fotony wzbudzające (także te wyemitowane). Aby laser działał proces emisji wymuszonej musi przeważyć nad pochłanianiem występuje to gdy w ośrodku jest więcej atomów w stanie wzbudzonym niż w stanie podstawowym (inwersja obsadzeń poziomów energetycznych). Uzyskanie takiego nienaturalnego stanu, w którym poziomy o wyższej energii są częściej obsadzone niż poziomy o niższej energii, utrudnia także zjawisko emisji spontanicznej powodujące, że atomy w stanie wzbudzonym pozostają

4 bardzo krótko przechodząc szybko do stanu podstawowego. Niektóre atomy posiadają poziomy energetyczne metatrwałe na których elektron pozostaje znacznie dłużej, ale w takiej sytuacji przejście ze stanu podstawowego do wzbudzonego jest też utrudnione, co pokonuje się przez wzbudzanie atomów do poziomów o energii niewiele większej od poziomu metatrwałego Atomy w przejściach bezpromienistych przechodzą do stanu metatrwałego. Akcja laserowa rozpoczyna się od emisji spontanicznej lub wprowadzenia fotonu inicjującego z zewnątrz.

5 Układ pompujący: Zadaniem układu jest przeniesienie jak największej liczby elektronów w substancji czynnej do stanu wzbudzonego. Układ musi być wydajny tak by doszło do inwersji obsadzeń. Pompowanie lasera odbywa się poprzez błysk lampy błyskowej (flasha), błysk innego lasera, przepływ prądu w gazie, reakcję chemiczną, zderzenia atomów, wstrzelenie wiązki elektronów do substancji. Układ optyczny: Jeżeli ośrodek czynny traktujemy jako generator fali elektromagnetycznej, to układ optyczny pełni rolę sprzężenia zwrotnego dla wybranych częstotliwości, dzięki czemu laser generuje światło tylko o jednej częstotliwości. Układ optyczny składający się zazwyczaj z dwóch zwierciadeł z czego przynajmniej jedno jest

6 częściowo przepuszczalne, dokładnie wykonane i odpowiednio ustawione zwierciadła stanowią rezonator dla wybranej częstotliwości fali i określonego kierunku ruchu, tylko te fotony dla których układ optyczny jest rezonatorem wielokrotnie przebiegają przez ośrodek czynny wywołując emisję kolejnych fotonów spójnych z nimi, pozostałe fotony zanikają w ośrodku czynnym lub układzie optycznym. Rezonator optyczny (laser CO 2 )

7

8

9 Ogólna charakterystyka światła laserowego Światło emitowane przez laser jest falą elektromagnetyczną o ściśle określonych właściwościach, które odróżniają je od naturalnych źródeł takich jak żarówka, płomień czy słońce. 1. Jest monochromatyczne, tzn. że posiada tylko jedną długość fali (kolor), naturalne źródła światła promieniują w szerokim spektrum od podczerwieni do ultrafioletu. 2. Jest koherentne, tzn. że fale świetlne emitowane przez laser posiadają tą samą fazę, natomiast naturalne źródła światła emitują fale o różnych fazach. 3. Jest skolimowane, tzn. że wiązka światła laserowego ma niewielką rozbieżność i łatwo można utrzymać niewielką średnicę wiązki na dużych dystansach.

10 Rodzaje laserów Laser rubinowy Rubin jest to kryształ tlenku glinu (AL 2 O 3 ), w którym niektóre atomy glinu są zastąpione atomami chromu. Atomy chromu nadają rubinowi charakterystyczną czerwoną barwę ponieważ absorbują one żółtozieloną część widma. Rolę aktywną a laserze rubinowym spełniają tylko jony chromu. Monokryształ sztucznego rubinu szlifowany jest do postaci cylindra o średnicy 5 mm i długości 5 do 10 cm, którego podstawy są polerowane płasko, równolegle do siebie. Jedna z tych powierzchni jest pokryta warstwą odbijającą o blisko stuprocentowym współczynniku odbicia, druga ma odbicie około 50%. Tak przygotowany kryształ umieszczony jest w lampie błyskowej.

11 Ksenonowa lampa błyskowa powoduje wzbudzenie elektronów z poziomu E 1 w stan E 2, który tworzy pasmo energetyczne o sporej szerokości dlatego łatwo fotony z kość szerokiego przedziału mogą wzbudzać elektrony. Średni czas przebywania na poziomie E 2 jest krótki i wynosi jedynie 0,05ms. Elektrony wracają więc do stanów niższych. Wiele z nich przechodzi bezpromieniście (energia zostaje przekazana sieci krystalicznej i dlatego taki laser musi być chłodzony) na poziom E 3. Średni czas życia na poziomie E 3 jest dość długi wynosi około 3ms i dlatego nazywamy go metastabilnym. Oświetlenie więc rubinu światłem białym powoduje masowe

12 przechodzenie elektronów do stanu E 3. Proces taki nazywamy pompowaniem optycznym. Następuje inwersja obsadzeń. Aby uzyskać silną emisję wymuszoną, konieczne jest utworzenie optycznej komory rezonansowej. Taką komorę tworzy sam kryształ rubinu w postaci pręta, którego powierzchnie czołowe są wypolerowane i pokryte powłokami odbijającymi. Wystarczy wtedy pojawienie się w pręcie jednego tylko fotonu o częstotliwości rezonansowej, poruszającego się równolegle do osi pręta, aby rozpoczął się proces narastania emisji wymuszonej. Foton ten wymusza bowiem emisję w atomach położonych wzdłuż jego drogi, a powstała przy tym wiązka fotonów odbijając się wiele razy od przeciwległych powierzchni lustrzanych oddziałuje z nowymi wzbudzonymi atomami i wyzwala coraz więcej fotonów. Prowadzi to do lawinowego wzrostu

13 natężenia promieniowania laserowego. Światło wysyłane przez laser rubinowy ma kolor czerwony, odpowiadający długości fali A = 694,3 nm. Laser rubinowy pracuje impulsowo. Obecnie częściej buduje się lasery oparte na innych materiałach. Przykładem jest laser neodymowy gdzie szkło, kryształy fluorku wapnia lub inne materiały domieszkowane są neodymem. W pracy istotne są cztery poziomy energetyczne. Akcja laserowa zachodzi wtedy między poziomami E3 i E4 i uzyskanie odwrócenia obsadzeń jest znacznie łatwiejsze, a chłodzenie ośrodka czynnego ciekłym azotem pozwala na uzyskanie pracy ciągłej. Laser neodymowy na podłożu YAG (granat itrowo-glinowy) pozwala na

14 uzyskanie w impulsie dużych mocy. W podobny sposób jak laser neodymowy działają lasery, w których w różnych osnowach krystalicznych centami są jony metali ziem rzadkich. Laser półprzewodnikowy Lasery półprzewodnikowe omówiono w materiałach dotyczących półprzewodnikowych elementów optoelektronicznych.

15 Laser gazowy Odwrócenie obsadzeń poziomów jako przygotowanie do akcji laserowej w gazach może być uzyskane przez wyładowanie elektryczne. Ogromne znaczenie mają wówczas atomy w stanach metatrwałych, ich energia może być przekazana w zderzeniach atomom lub cząsteczkom właściwego ośrodka laserującego. Tak jest właśnie w laserze helowoneonowym (He-Ne), w którym ciałem roboczym jest mieszanina helu i neonu o ciśnieniu cząstkowym helu około 130 Pa i neonu ok. 13 Pa. Wyładowanie elektryczne prowadzone w tej mieszaninie wzbudza atomy helu i neonu do różnych stanów. Najważniejsze jednak dla uzyskania akcji laserowych jest wzbudzenie atomów helu do dwóch stanów metatrwałych.

16 Budowę lasera He-Ne przedstawia schematycznie rysunek powyżej. Rura laserowa (szklana lub kwarcowa) zamknięta jest doskonale płaskorównoległymi okienkami nachylonymi do osi rury pod kątem Brewstera (w celu minimalizacji strat przy odbiciu); jej typowe wymiary: długość - kilkanaście cm do kilku m, średnica wewnętrzna - kilka do kilkunastu mm. Do rury wlutowane są elektrody, do których przykłada się napięcie powodujące wylądowanie. Rezonator tworzą zewnętrzne zwierciadła

17 (płaskie lub sferyczne w ustawieniu współogniskowym), z których jedno ma pewną, niewielką przepuszczalność, co umożliwia wyprowadzenie wiązki laserowej na zewnątrz. W czasie trwania akcji laserowej wyładowanie stale podtrzymuje różnicę obsadzeń, otrzymuje się zatem o akcję laserową o działaniu ciągłym. Innymi laserami gazowymi są laser argonowy i laser, którego czynnikiem roboczym jest dwutlenek węgla.

18 Literatura: Strona www: Strona www: Strona www: