Co to jest Laser

Co to znaczy LASER: Jeśli atom przechodzi ze stanu wzbudzonego o energii E2 do stanu o niższej energii E1, to różnica energii E zostanie wyemitowana w formie fotonu, którego częstotliwość ustala wzór: Jeśli elektrony w układzie atomów zajmują w większości najniższe poziomy energetyczne ( rozkład Boltzmanna), to padające fotony o energii ΔE = hv zostają pochłonięte, elektrony przechodzą na wyższe poziomy energetyczne, a w dalszym ciągu, wracając na poziomy stacjonarne, emitują fotony w sposób zupełnie nieskorelowany. Taką emisję nazywa się spontaniczną emisją światła. Jeżeli przed naświetleniem fotonami o energii ΔE nastąpi tak zwany inwersja obsadzeń, polegająca na przeniesieniu elektronów na wyższy poziom energetyczny (liczba N2elektronów obsadzających wyższy poziom energetyczny o energii E2większa od liczby elektronów N1 obsadzających poziom niższy o energii E1), wtedy foton o częstotliwości spowoduje natychmiastowy powrót elektronów na niższy poziom energetyczny i wyemitowanie fotonów biegnących w tym samym kierunku co foton naświetlający i spójnych z tym fotonem. Taką emisję światła nazywa się emisją wymuszoną albo stymulowaną. Dzięki emisji wymuszonej obserwuje się wzmocnienie światła. Wymuszona emisja promieniowania elektromagnetycznego jest fundamentem konstrukcji urządzeń wzmacniających i wytwarzających spójne wiązki promieniowania elektromagnetycznego. W razie mikrofal urządzenie takie nazywa się maserem (Microwave Amplification aby Stimulated Emission of Radiation), a w razie światła - laserem (Light Ampliffication aby Stimulated Emission of Radiation). By uzyskać akcję laserową, należy dokonać inwersji obsadzeń poziomów energetycznych, to oznacza wywołać, by przewarzająca część atomów znalazła się w stanie wzbudzonym. Mechanizm taki nazywa się pompowaniem. Działanie l. zbudowanego na ciele stałym można pokazać na przykładzie l. rubinowego skonstruowanego w 1960 r. poprzez T. H. Maimana. - LASER RUBINOWY. - Głównym jego elementem jest monokryształ syntetycznego różowego rubinu - tlenku glinu Al2O3, domieszkowanego jonami chromu w formie tlenku Cr2O3 w ilości 0,05% (wagowo). Jony chromu, zajmując miejsca jonów glinu w Al2O3, tworzą energetyczne poziomy domieszkowe. Światło ksenonowej lampy błyskowej skutkuje przeniesienie elektronów do szerokich, wysoko położonych pasm energetycznych o krótkim czasie życia. Mechanizm ten nazywa się pompowaniem optycznym. W dalszym ciągu elektrony przechodzą bezpromieniście na metatrwały poziom 2E, charakteryzujący się długim czasem życia. Z tego poziomu odbywają się spontaniczne przejścia elektronów na poziom fundamentalny z wypromieniowaniem fotonów h 12, odpowiadających czerwonej fluorescencji rubinu. Przy intensywnym pompowaniu optycznym liczba jonów N2, znajdujących się w stanie wzbudzonym 2E przewyższa liczbę N1jonów znajdujących się w stanie fundamentalnym. Wtedy jakikolwiek foton h 12 zapoczątkuje emisję wymuszoną. Jeżeli emitowane światło zmusić do wielokrotnej wędrówki tam i z powrotem wewnątrz komory rezonansowej, rubin będzie emitował monochromatyczne światło o częstotliwości Komorę rezonansową tworzą dwa zwierciadła, uzyskane poprzez naniesienie cienkiej warstwy metalicznej na precyzyjnie wypolerowane, równolegle do siebie płaskie końce pręta rubinowego. W pręcie powstaje stojąca fala świetlna. Część energii tej fali jest wyprowadzana na zewnątrz poprzez otworek w jednym ze zwierciadeł albo poprzez zwierciadło, które wykonuje się jako półprzepuszczalne. Światło emitowane poprzez l.r. staje się bardziej monochromatyczne, gdy powiększa się energia pompowania. - LASER GAZOWY. - L. działający w sposób ciągły zbudowali w r. 1961 Javan, Bennet i Herriot. Użyli oni mieszaniny helu i neonu pod niskim ciśnieniem, wzbudzając atomy neonu wyładowaniem elektrycznym. Wzbudzenie następuje w trakcie zderzenia atomów helu, znajdujących się w stanie metatrwałym, z atomami neonu. L. helowo neonowy emituje w sposób ciągły wiązkę wysoce spójnego światła poprzez dowolnie długi czas. Światło to wykazuje wyjątkowo niezłą monochromatyczność. Szerokość linii widmowej jest mniejsza od 10-7 nm. L. He - Ne może emitować światło czerwone o długości faliλ = 632,8 nm albo podczerwień (λ = 1150 nm). Stosując mieszaniny innych gazów szlachetnych albo gazów szlachetnych z parami metali, można konstruować l.g. emitujące światło o różnych długościach fal. - LASERY JONOWE - promieniują w nadfiolecie i w widzialnym zakresie widma. W najwyższym stopniu znany l. argonowy emituje światło o długościach fal 448,0 i 514,5 nm. L. te mogą pracować zarówno w sposób ciągły, jak i impulsowy. - LASER PÓŁPRZEWODNIKOWY - wykorzystuje zdarzenie promienistej rekombinacji elektronów i dziur w półprzewodniku przy pomocy złącza p-n. Pompowanie następuje tutaj poprzez wstrzykiwanie do obszaru złącza elektronów w złączu spolaryzowanym w kierunku przewodzenia. Zjawiska zachodzące wtedy w złączu p-n pokazano na rysunku. Przeważnie wykorzystywanym materiałem półprzewodnikowym jest arsenek galu domieszkowany cynkiem. Komorę rezonansową l. stanowi sam kryształ półprzewodnika z wypolerowanymi ściankami odbijającymi światło. L. półprzewodnikowe charakteryzują się małymi wymiarami, niskim napięciem zasilania i łatwością modulacji natężenia emitowanego światła poprzez zmianę natężenia prądu płynącego poprzez złącze. Łatwość modulacji ma ogromne znaczenie w razie wykorzystania l. w telekomunikacji światłowodowej. Światło laserowe charakteryzuje się monochromatycznością, spójnością, równoległością wiązki i sporą intensywnością. Ponadto l. impulsowe charakteryzują się wielkimi mocami emitowanymi w formie krótkich impulsów. Wynalezienie l. spowodowało rewolucję w optyce. Spore natężenie, spójność i monochromatyczność emitowanego światła pozwalają badać optyczne zjawiska nieliniowe. Spory zakres zastosowań znalazły l. w spektroskopii. L. wykorzystuje się w naukach biologicznych, medycynie i stomatologii, prawie w każdej dziedzinie edukacji i techniki i do celów widowiskowych