LASER RUBINOWY mgr.inż Antoni Boglewski Tytuł mojego referatu nawiązuje do realizacji przez Nikolę Teslę pomysłu lasera za jaki uważa się laser rubinowy. Mając na uwadze, że większość pomysłów, jak i realizacji Tesli została ukryta przed światem przez USA, można domniemać, że taki geniusz jak Tesla. mógł pomyśleć, a nawet zrealizować bardzo dużo rodzajów laserów, jakie dla swoich potrzeb wykorzystało potem na przykład Laboratorium Bella? Ja w moim referacie wykorzystałem powyższe "domniemanie" i zająłem się przebogatym zbiorem laserów. Jest oczywiste. że to stało się na skutek moich wieloletnich prac nad prognozowaniem i szkicowaniem rozwiązań systemów światłowodowych DWDM, w których bogactwo laserów odgrywa przepotężną rolę! Zważywszy powyższe do moich rozważań wykorzystałem prace jednego tylko z najbardziej zaawansowanych i rutynowych zespołów w prace nad aktualnym całokształtem zagadnień laserowych. W zbiorze rozważonych laserów odpowiednie miejsce zajął laser rubinowy! Na kolejnych ośmiu stronach referatu rozwijam między innymi podane niżej zagadnienia: Laser jako źródło światła charakterystyczne właściwościami, trudnymi lub wręcz niemożliwymi do osiągnięcia w innych typach źródełświatła. Zasady działania lasera przez jego części zasadnicze jak: ośrodek czynny, układ pompujący, rezonator optyczny. Warunek progowy akcji laserowej, podstawowe wzory na natężenie światła oraz konieczne wzmocnienie progowe. Rodzaje laserów: gazowe, na ciele stałym, na cieczy, kryptonowy i ksenonowy, neodymowy, barwnikowy. Zarys historii laserów, na świecie, w Europie, w Polsce. Rodzaje zastosowań laserów w Europie w % : spawanie, mikro obróbka, znakowanie, precyzyjne spawanie punktowe, cięcie precyzyjne i drążenie, cięcie, inne. Zastosowania laserów: produkcja półprzewodnikowych układów scalonych, medycyna, stomatologia, dermatologia, poligrafia, znakowanie produktów, cięcie metali, technologia wojskowa, telekomunikacja. Bezpieczeństwo pracy: Polskie Normy. klasa I, klasa IM, klasa 2-I, klasa 2M-I, klasa 3R-I, klasa 3B-I, klasa 4, oznakowanie. Na zkończenie plansza Zastosowania Laserów w Europie
Laser - nazwa utworzona jako akronim od Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation - wzmocnienie światła poprzez wymuszoną emisję promieniowania. Jest to generator światła, wykorzystujący zjawisko emisji wymuszonej. Otrzymywane światło ma charakterystyczne właściwości, trudne lub wręcz niemożliwe do osiągnięcia w innych typach źródełświatła, mianowicie: bardzo małą szerokość linii emisyjnej, co jest równoważne bardzo dużej mocy w wybranym obszarze widma. W laserach łatwo uzyskać wiązkę spolaryzowaną, spójną w czasie i przestrzeni oraz o bardzo małej rozbieżności. W laserach impulsowych można uzyskać bardzo dużą moc w impulsie oraz szybkie narastanie impulsu. Zasada działania Zasadniczymi częściami lasera są: ośrodek czynny, rezonator optyczny, układ pompujący. Układ pompujący dostarcza energii do ośrodka czynnego, w ośrodku czynnym w odpowiednich warunkach zachodzi akcja laserowa, czyli kwantowe wzmacnianie (powielanie) fotonów, a układ optyczny umożliwia wybranie odpowiednich fotonów. Ośrodek czynny Oddziaływanie światła z materią można wyjaśnić za pomocą trzech zjawisk: pochłanianie fotonów (absorpcja), 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 bardzo krótko przechodząc szybko do stanu podstawowego. Niektóre atomy posiadają poziomy energetyczne metatrwałe na których elektron pozostaje znacznie dłużej (kilkaset µs, kilka ms), 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. W układzie tym występują trzy poziomy energii w atomie dlatego jest on zwany trójpoziomowym. Układ trójpoziomowy jest najprostszym w którym można uzyskać inwersję obsadzeń, spotyka się też układy czteropoziomowe. Akcja laserowa rozpoczyna się od emisji spontanicznej lub wprowadzenia fotonu inicjującego z zewnątrz. Ten pierwszy foton wywołuje emisję wymuszoną, lub może być pochłonięty. W układzie bez inwersji obsadzeń przeważa pochłanianie, a w układzie z inwersją obsadzeń emisja wymuszona.
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 (flesza), błysk innego lasera, przepływ prądu (wyładowanie) w gazie, reakcję chemiczną, zderzenia atomów, wstrzelenie wiązki elektronów do substancji. Rezonator optyczny O ile ośrodek czynny traktujemy jako generator fali elektromagnetycznej, to układ optyczny pełni rolę sprzężenia zwrotnego dla wybranych częstotliwości, dzięki czemu laser generuje spójne światło. Układ optyczny, składający się zazwyczaj z dwóch dokładnie wykonanych i odpowiednio ustawionych zwierciadeł (z czego przynajmniej jedno jest częściowo przepuszczalne), stanowi rezonator dla wybranej częstotliwości i określonego kierunku ruchu fali i 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. Dzięki temu laser emituje niemalże równoległą wiązkęświatła o dużej spójności. Warunek progowy akcji laserowej Aby mogła zajść akcja laserowa, wzmocnienie promieniowania w obszarze czynnym musi co najmniej równoważyć straty promieniowania wewnątrz rezonatora (rozpraszanie, straty dyfrakcyjne) oraz emisję części promieniowania na zewnątrz rezonatora (np. przez częściowo przepuszczalne lustro wyjściowe). Rozważmy laser, którego rezonator optyczny ma długość L i jest zakończony dwoma lustrami o współczynnikach odbicia R1 i R2. W trakcie jednego obiegu promieniowania w rezonatorze natężenie światła zmienia się w sposób opisany poniższym wzorem: I = Io exp (2L(g -α L ))R1R2 gdzie: g - wzmocnienie optyczne ośrodka czynnego, α L - straty wewnętrzne - suma wszystkich strat promieniowania wewnątrz rezonatora z wyjątkiem absorpcji (jest już uwzględniona w g), Warunek progowy: I = Io A więc wzmocnienie progowe konieczne do zajścia akcji laserowej wynosi: g th = α L 1 1 ln 2L R 1 R 2
Schemat działania lasera z trójpoziomowym układem poziomów energetycznych Foton przemieszcza elektron z poziomu Ek na poziom wzbudzony En tzw. krótkożyciowy. Następnie elektron przechodzi w wyniku przejścia bezpromienistego na niższy poziom Em metastabilny. Jeżeli energia fotonu wymuszającego wynosi ħω = Em - Ek to zostaje wymuszone wypromieniowanie drugiego fotonu koherentnego a elektron przenosi się na poziom podstawowy. RODZAJE LASERÓW Ośrodek czynny decyduje o najważniejszych parametrach lasera, określa długość emitowanej fali, jej moc, sposób pompowania, możliwe zastosowania lasera. Podział laserów w zależności od ośrodka czynnego W nawiasach podano długości fal emitowanego światła. Lasery gazowe: He-Ne laser helowo-neonowy (543 nm lub 633 nm) Ar laser argonowy (458 nm, 488 nm lub 514,5 nm) laser azotowy (308 nm) laser kryptonowy (jonowy 647nm, 676 nm) laser na dwutlenku węgla (10.6 µm) laser na tlenku węgla Lasery na ciele stałym laser rubinowy (694,3 nm) laser neodymowy na szkle laser neodymowy na YAG-u (Nd:YAG) laser erbowy na YAG-u (Er:YAG) (1645 nm) laser tulowy na YAG-u (Tm:YAG) (2015 nm) laser holmowy na YAG-u (Ho:YAG) (2090 nm) laser tytanowy na szafirze (Ti:szafir) laser na centrach barwnych Lasery na cieczy lasery barwnikowe - ośrodkiem czynnym są barwniki rozpuszczone w nieaktywnym ośrodku przezroczystym, np. rodamina Lasery półprzewodnikowe złączowe (diody laserowe) laser na materiale objętościowym laser na studniach kwantowych laser na kropkach kwantowych bezzłączowe kwantowy laser kaskadowy
PODZIAŁ LASERÓW W ZALEŻNOŚCI OD ZASTOSOWAŃ Specjalne lasery gazowe wytwarzające ultrafiolet o możliwie jak najmniejszej długości fali używane do produkcji półprzewodnikowych układów scalonych: F_2 (157 nm) ArF (193 nm) KrCl (222 nm) XeCl (308 nm) XeF (351 nm) Lasery używane w stomatologii i dermatologii w tym do usuwania tatuaży, znamion oraz włosów: (694 nm) Aleksandrytowy (755 nm) pulsacyjna matryca diodowa (810 nm) Nd:YAG (1064) Ho:YAG (2090 nm) Er:YAG (2940 nm) laser rubinowy Półprzewodnikowe diody laserowe: małej mocy - używane we wskaźnikach laserowych, drukarkach laserowych, CD/DVD dużej mocy - używane w przemyśle do cięcia i spawania, występują o mocach do 10 kw OPIS NIEKTÓRYCH TYPÓW LASERÓW Laser kryptonowy i ksenonowy Wypełnione kryptonem lub ksenonem z domieszką fluoru lub chloru, emitują promieniowanie ultrafioletowe, zastosowania badawcze i do pompowania optycznego laserów barwnikowych. Laser kryptonowy jonowy ma wiele linii w paśmie widzialnym - dwie najintensywniejsze linie to linie 647.1 i 676.4 nm czerwone. Laser neodymowy Laser o konstrukcji typowej dla laserów na ciało stałe w którym ośrodkiem czynnym jest szkło z domieszką neodymu, emitują impulsowo promieniowanie podczerwone o λ=1,06µm, lub po zastosowaniu elementów optyki nieliniowej światło o fali dwukrotnie lub czterokrotnie krótszej, wielka moc impulsów aż do J/impuls, zastosowania głównie badawcze (lasery femtosekundowe). Laser barwnikowy Substancją czynną jest przepływająca, laminarna struga roztworu zawierającego barwnik organiczny, np. rodaminę, pompowane optycznie laserem argonowym, kryptonowym lub neodymowym, charakteryzują się przestrajaną w szerokim zakresie długością emitowanej fali świetlnej, zastosowania badawcze.
ZASTOSOWANIE LASERA [ Poligrafia [Lasery znalazły zastosowanie w nowoczesnej poligrafii: Computer-to-Film CtF czyli w naświetlarkach filmów poligraficznych Computer-to-Plate CtP w naświetlarkach offsetowych form drukowych Computer-to-Press CtPress czyli w naświetlarkach zintegrowanych z maszyną drukarską Computer-to-Print CtPrint czyli w jednym z typów druku cyfrowego, tj. w technologii analogicznej do używanych w cyfrowych kserokopiarkach Znakowanie produktów Lasery znalazły również zastosowanie przy znakowaniu produktów. Używa się ich przy liniach produkcyjnych posiadających bardzo wysokie 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. Nadruki można wykonywać na: etykietach produktów poprzez usuwanie warstwy farby lub odbarwienie etykiety butelkach PET poprzez trwałe naniesienie znaków (proces jw. lub przy zastosowaniu specjalnej technologii spieniającej PET) elementach metalowych oraz innych - popularnie zwanych grawerowaniem Laserowe cięcie metali Cięcie laserowe stanowi nowoczesną metodę obróbki o podobnych parametrach wymiarowych jak klasyczna obróbka mechaniczna. Podstawowa różnica tkwi w stosowanym czynniku tnącym, który w przypadku cięcia laserowego stanowi gorący promień lasera oraz gaz techniczny o dużej czystości. W zależności od stosowanego urządzenia (przede wszystkim jego mocy) cięcie przeprowadza się na trzy sposoby: metodą spalania, stapiania lub sublimacji. Technologia wojskowa "Airborne Laser" zainstalowany na pokładzie specjalnej wersji samolotu Boeing 747-400F. Laser ma potrójne zastosowanie militarne: dalmierz Dalmierze laserowe, stosowane do oceny odległości od celu, wchodzą w skład systemów kierowania ogniem lub systemów rozpoznawczych czołgów i niektórych innych pojazdów bojowych, samolotów i śmigłowców.
Naprowadzanie Jako system naprowadzający, wiązka laserowa działa na zasadzie odbicia od celu. Cel jest opromieniowywany wiązką laserową, która zgodnie z prawami odbicia jest emitowana praktycznie we wszystkich kierunkach (z uwagi na rozpraszanie wiązki na powierzchni). Pocisk rakietowy, artyleryjski lub bomba kierowana, wyposażony w czujnik laserowy, określa źródło odbitej wiązki i za pomocą układów elektroni-cznych naprowadza się na podświetlony cel. broń energetyczna Systemy laserowe są zdolne do uwalniania skoncentrowanej energii w postaci wiązki świetlnej w bar-dzo krótkim przedziale czasu. Powoduje to, iż cała energia jest wyzwalana w poje-dyńczym impulsie, co przy prędkości światła powoduje, iż praktycznie jest niemo-żliwe uniknięcie trafienia z takiej broni. Laser jako broń energetyczna jest najmniej rozpowszechniony - dopiero wprowadzany jedynie w USA na platformach powietrz-nych (Airborne Laser), aczkolwiek jest jednym z ulubionych tematów twórczości science-fiction. Lasery mniejszej mocy stosowane są też do niszczenia układów op-tycznych pojazdów. Prowadzone są prace nad laserami mogącymi oślepiaćżołnierzy. Medycyna Laserów używa się przede wszystkim dla "twardej" obróbki tkanek:cięcia, koagu-lacji, odparowania (fotoablacji oraz ablacji stymulowanej plazmą) obróbki mecha-nicznej (rozrywania, fragmentacji czy kawitacji) Telekomunikacja Lasery umożliwiają uruchamianie na jednej parze włókien światłowodowych tyle pełnych systemów DWDM, ile ich producent ma do dyspozycji odpowiednich do tego laserów. Przykład tego podaje poniższa tablica, gdzie kanał = 64 kb/s. Ilość STM-1 STM-4 STM-16 STM-64 STM-256 laserów 1 Mb/s 155,52 622,08 2488,32 9953,28 39813,1 Kkanałów 2,916 8,064 32,256 129,024 516,096 128 Gb/s 20,1001 80,4004 321,6015 1288,406 5145,62 Kkanałów 258,048 1032,19 4128,77 16616,07 66060,29 256 Gb/s 40,20019 160,8008 643,2031 2572,812 10291,25 Kkanałów 516,096 2064,38 8257,54 33030,14 132120,58 512 Gb/s 80,400 321,602 1286,41 5145,62 20582,50 Gkanałów 1,032192 4,12877 16,5151 66,08029 284,24115 768 Gb/s 120,6006 482,402 1929,61 7718,44 30873,75 Gkanałów 1,548288 6,19315 24,7726 99,09043 386,36173 1024 Gb/s 160,8008 643,203 2572,81 10291,25 41165,00 Gkanałów 2,064384 8,25754 33,0301 132,1206 528,4823
BEZPIECZEŃSTWO PRACY] Nalepka, stosowana także przy bezpiecznych laserach Ponieważ promieniowanie laserowe o tej samej mocy lecz o różnych długościach fal może wywołać różne skutki, podczas oddziaływania z tkanką biologiczną, lasery podzielono na klasy. Zasady bezpiecznej pracy z urządzeniami laserowymi podano w Polskiej Normie PN-EN 60825-1:2005 (Bezpieczeństwo urządzeń laserowych -- Część 1: Klasyfikacja sprzętu, wymagania i przewodnik użytkownika). Nowy podział na siedem klas (1, 1M, 2, 2M, 3R, 3B, 4): 1 - Lasery które są bezpieczne w racjonalnych warunkach pracy 1M - Lasery emitujące promieniowanie w zakresie długości fal do 302,5 nm do 4000 nm, które są bezpieczne w racjonalnych warunkach pracy, ale mogą być niebezpieczne podczas patrzenia w wiązkę przez przyrządy optyczne. 2 - Lasery emitujące promieniowanie widzialne w przedziale długości fal od 400 do 700 nm. Ochrona oka jest zapewniona w sposób naturalny przez instynktowne reakcje obronne 2M - Lasery emitujące promieniowanie widzialne w przedziale długości fal od 400 do 700 nm. Ochrona oka jest zapewniona w sposób naturalny przez instynktowne reakcje obronne, ale mogą być niebezpieczne podczas patrzenia w wiązkę przez przyrządy optyczne 3R - Lasery emitujące promieniowanie w zakresie długości fal do 302,5 nm do 10^6 nm, dla których bezpośrednie patrzenie w wiązkę jest potencjalnie niebezpieczne. 3B - Lasery, które są niebezpieczne podczas bezpośredniej ekspozycji promieniowania. Patrzenie na odbicia rozproszone jest zwykle bezpieczne. 4 - Lasery, które wytwarzają niebezpieczne odbicia rozproszone. Mogą one powodować uszkodzenie skóry oraz stwarzają zagrożenie pożarem. Podczas obsługi laserów klasy 4 należy zachować szczególną ostrożność. Jednym z najważniejszych elementów oznakowania urządzeń laserowych są etykiety informujące o klasie lasera. Tekst na tych etykietach powinien być napisany czarnymi literami na żółtym tle.