Introducere in problematica LASER
Despre efectul LASER se cunosc deja foarte multe. Aceasta ramura a stiintei
s-a dezvoltat foarte mult de la inceputurile sale (1955-1965) si pana in
ziua de astazi. Desi bazele teoretice erau mai mult sau mai putin stabilite,
primii care reusesc sa concretizeze toate teoriile si presupunerile au fost
doi rusi si un american.
In ordine sunt prezentati Charles H. Townes (Massachusetts Institute of
Technology (MIT), Cambridge, MA, USA; nascut in 1915), Nicolay Gennadiyevich
Basov (Lebedev Institute for Physics Akademija Nauk Moscow, USSR; nascut in
1922) si Aleksandr Mikhailovich Prokhorov (Lebedev Institute for Physics
Akademija Nauk Moscow, USSR; nascut in 1916). Cei trei au impartit premiul
Nobel atribuit in 1964 pentru 'cercetarile fundamentale in domeniul
electronicii cuantice care au condus la construirea oscilatoarelor si a
amplificatorilor bazati pe principiul maser-laser'.
Partea teoretica este usor de gasit in majoritatea manualelor, cursurilor si
compendiilor de fizica existente asa ca lucrarea de fata nu se va concentra
asupra acestui aspect. Principiul LASER consta in faptul ca atomii
elibereaza energie sub forma de fotoni atunci cand parcurg tranzitia de pe
un nivel de excitare metastabil spre un nivel de echilibru. Aceasta
tranzitie se face sub influenta unui factor declansator si de aceea emisia
de energie se numeste emisie stimulata sau emisie indusa. Odata pornita
reactia aceasta se propaga sub forma piramidala astfel, un foton emis de un
atom dezexcitat va declansa reactia la altul, acesta la randul lui va emite
un foton si il va elibera si pe cel incident. Avem doi fotoni care se vor
inmulti exponential. Astfel se produce o amplificare a radiatiei luminoase.
Realizarea practica a dispozitivelor
LASER. Tipuri de laser.
Partile constituente ale unui laser sunt : mediul activ, sistemul de
excitare si rezonatorul optic. Parte a esentiala a unui dispozitiv laser o
constituie mediul activ, adica un mediu in care se gasesc atomii aflati
intr-o stare energetica superioara celei de echilibru. In acest mediu activ
se produce amplificarea radiatiei luminoase (daca avem o radiatie luminoasa
incidenta) sau chiar emisia si amplificarea radiatiei luminoase (daca nu
avem o radiatie luminoasa incidenta). Sistemul de excitare este necesar
pentru obtinerea de sisteme atomice cu mai multi atomi intr-o stare
energetica superioara. Exista mai multe moduri de a realiza excitarea
atomilor din mediul activ, in functie de natura mediului. Rezonatorul optic
este un sistem de lentile si oglinzi necesare pentru prelucrarea optica a
radiatiei emise. Desi la iesirea din mediul activ razele laser sunt aproape
perfect paralele rezonatorul optic este folosit pentru colimarea mult mai
precisa, pentru concentrarea razelor intr-un punct calculat, pentru
dispersia razelor sau alte aplicatii necesare.
Dupa natura mediului activ deosebim mai multe tipuri de laser. Printre
acestea regasim laserul cu rubin, la care distingem bara de rubin tratat
drept mediul activ iar ansamblul sursa de lumina plus oglinzi poarta rolul
de sistem de excitare. Laserul cu gaz foloseste amestecuri de gaze rare
(He, Ne, Ar, Kr) sau CO2 drept mediu activ si o sursa de curent electric
legata la doi electrozi iau rolul de sistem de excitare.
LASER-ul cu semiconductori. Aprecieri
teoretice.
Laserul cu semiconductori este constituit ca si celelalte tipuri de laser
tot pe sablonul mediu activ, sistem de excitare, rezonator optic. In acest
caz un amestec semiconductor este folosit ca mediu activ. Cel mai adesea se
folosesc combinatii de metale din aceleasi perioade ale grupelor IIIa si Va.
Dintre acestea semiconductorul cel mai folosit este cel format din Galiu
si Arsenic (GaAs). Alte medii active au fost obtinute atat din amestecuri
ale elementelor grupelor IIa si Via (Zinc si Seleniu ' ZnSe) cat si din
amestecuri de trei sau patru elemente. Ultimele doua sunt mai ades folosite
pentru emisia unor radiatii mult mai precise din punct de vedere al lungimii
de unda. Sistemul de excitare este constituit din doua straturi de
semiconductori, unul de tip p si unul de tip n. Pentru a intelege mai bine
aceste doua notiuni trebuie amintite cateva considerente teoretice cu
privire la fizica solidului, in special principiul semiconductorilor.
Semiconductorii sunt o clasa de materiale larg folosita in electronica
datorita posibilitatii controlului proprietatilor electrice. Rezistivitatea
electrica a unui semiconductor scade odata cu cresterea temperaturii iar
valoarea ei poate fi modificata in limite foarte largi (10-2 - 108 W cm).
Intr-un semiconductor foarte pur, conductibilitatea electrica este data de
electronii proprii, numita si conductibilitate intrinseca, iar in cazul
materialelor impurificate avem de-a face cu o conductibilitate extrinseca.
Conductibilitatea intrinseca poate fi explicata pe scurt astfel. La 0K,
electronii sunt asezati in legaturile covalente formate intre atomii
semiconductorului intrinsec. Odata cu cresterea temperaturii unii electroni
se rup din legaturi fiind liberi sa circule in tot volumul cristalului. Se
produce un fenomen de ionizare, iar in locul electronului plecat ramane un
gol. Imediat el se ocupa cu un alt electron alaturat, golul se deplaseaza o
pozitie. Daca aplicam un camp electric in semiconductor, electronii liberi
se vor misca in sens invers campului, dar si golurile vor forma un curent
pozitiv de acelasi sens cu campul. Cel mai interesant fenomen il reprezinta
modificarea spectaculoasa a rezistivitatii electrice a semiconductorilor
prin impurificare. Astfel, daca din 105 atomi de Siliciu unul este inlocuit
cu un atom de Bor, rezistivitatea siliciului scade, la temperatura camerei,
de 1000 de ori !!! Impurificare reprezinta o problema specifica si
fundamentala a fizicii si tehnologiei semiconductorilor. Daca impurificam
Germaniul (grupa IVa, patru electroni de valenta) cu un element din grupa a
5-a (cinci electroni de valenta) vom obtine un amestec cu un electron de
valenta liber. Aceasta impuritate constituie un donor. Semiconductorul
astfel impurificat este de tip n, iar nivelul sau de energie este mai
aproape de zona de conductie. Daca impurificarea este facuta cu atomi din
grupa a 3-a (trei electroni de valenta), acesta se va integra in reteaua
cristalina cu doar trei legaturi covalente, ramanand, deci, un gol capabil
de a captura electroni in jurul atomului trivalent. Din aceasta cauza atomii
acestui tip de impuritati au primit numele de acceptori. Intr-un
semiconductor astfel impurificat vor predomina sarcinile pozitive, de unde
numele de semiconductor de tip p. Jonctiunile p
n sunt ansambluri formate
prin alipirea unui semiconductor de tip p cu unul de tip n . Zona de
separare, interfata, are marimi de ordinul 10-4 cm. La suprafata
semiconductorului n apare un surplus de electroni iar la suprafata
semiconductorului p un surplus de goluri. Astfel apare tendinta de
compensare a acestora prin difuzia electronilor de la un semiconductor la
celalalt.
Laserul cu semiconductori. Construire.
Consideratii practice.
Revenind la laserul cu semiconductori, avand stabilita o baza teoretica
minimala putem trece la detalierea practica a principiilor enuntate
anterior.
Laserul cu conductori este, de fapt, un sandwich format din 3 straturi de
semiconductori la care se adauga elementele sistemului de excitare. La
acest tip de laser energia necesara excitarii sistemului de atomi din mediul
activ cat si factorul declansator sunt date de curentul electric care se
aplica, conform figurii. Datorita faptului ca acest sandwich corespunde
modelului clasic de dioda, de aici incolo se va folosi si termenul de dioda.
Randamentul unei astfel de diode este in jurul a 30% dar amplificarea este
destul de mare. Curentul necesar trebuie sa aiba o densitate de cateva mii
de amperi pe centimetru dar avand in vedere ca o dioda laser are marimi
foarte mici, curentul necesar este adesea sub 100mA. Pentru a obtine
rezultate satisfacatoare, in practica se folosesc mai multe straturi decat
se prezinta in figura. Cat priveste stratul activ, lungimea lui nu depaseste
1 mm, iar grosimea sa este, in functie de model, de la 200 pana la 10 nm. In
general grosimea stratului activ variaza intre 200 si 100 nm. Datorita
faptului ca este atat de subtire, fascicului emis este foarte divergent
(pentru un laser) si astfel laserul cu semiconductori se bazeaza foarte mult
pe rezonatorul optic ce trebuie ales cu mare grija si trebuie pozitionat
foarte precis pentru a obtine performante maximale. De obicei un sistem
format din doua lentile plan-convexe pozitionate cu fetele convexe una spre
cealalta la anumite distante calculabile este suficient pentru a obtine un
fascicul destul de bine colimat cu razele aproape perfect paralele.
Din desenul de mai sus se poate observa ca emisia laser se face in doua
directii. Acest fenomen este tratat in mod diferit in functie de necesitati.
Se poate crea o cavitate rezonanta prin pozitionarea unei oglinzi perfecte
si a uneia semitransparente, se poate folosi emisia 'din spate'
pentru a
masura proprietatile fasciculului principal, se poate folosi aceeasi emisie
din spate pentru a masura si controla curentul ce trece prin dioda. Diodele
laser sunt foarte sensibile la curenti si de aceea controlul strict asupra
acestora este absolut necesar. Uneori este necesara doar o variatie mica a
tensiunii sau a puterii si dioda se va arde. Mai jos este un prezentat un
montaj clasic de dioda cu posibilitate de control a curentului:
Diodele laser sunt poate, cele mai fragile dispozitive de emisie laser.
Faptul ca stratul activ are, de fapt, marimea unei bacterii este cel ce sta
la baza afirmatiei anterioare. Acest strat poate fi usor distrus prin
supunerea la curenti neadecvati, prin influente electrostatice, prin
incalzire excesiva. Stratul activ se poate autodistruge chiar si fara
prezenta vre-unuia din factorii enumerati mai sus. Simpla emisie a luminii
poate vaporiza acest strat minuscul daca lumina emisa este prea puternica.
O dioda, desi minuscula, poate dezvolta puteri ale luminii de pana la 3-5
mW. Desi sunt mai rare si mult mai scumpe, diodele ce dezvolta zeci de mii
de mW exista si se gasesc in inscriptoarele de CD si in alte instrumente si
aparate de profil. In ceea ce priveste divergenta fasciculului, in prezent,
majoritatea pointerelor reusesc performanta de a pastra divergenta la sub un
mm la fiecare 5 metri. Spectrul de culori acoperit de laserii cu
semiconductori este in zona rosie 630-780 nm dar nu este limitat numai aici.
Laseri verzi sau chiar albastri exista si sunt intens cercetati. Problema
este ca diodele de verde si albastru au o viata efemera (cele mai
performante ating doar cateva sute de ore) si functioneaza la temperaturi
scazute (apropiate de 0K). Fata de clasicul GaAs (care emite in rosu-IR),
pentru laserii albastri se prefera ZnSe si GaN. Primul a fost exclus treptat
din cercetari datorita rezistivitatii mari, consumului mare de energie,
randamentului mic si a multor altor factori descoperiti experimental.
Ultimele cercetari s-au concentrat pe GaN, iar de cand prof. Shuji Nakamura
a realizat primul montaj practic si fiabil pentru generarea laserului
albastru, cercetarile au luat amploare. Un fapt inedit, la data realizarii
diodei pentru laserul albastru, in 1993, Shuji Nakamura nu avea nici macar
un doctorat in buzunar, era doar un simplu cercetator pierdut intr-un
laborator al unei firme japoneze obscure. Recent, prof. Nakamura s-a
alaturat colectivului profesoral de la Colegiul de Inginerie al
Universitatii Californiene din Santa Barbara, SUA.
Revenind la laserii uzuali, trebuie mentionate si o serie de pericole ce pot
apare chiar si pe langa laserii cu semiconductori care sunt cunoscuti a fi
mai putin puternici. S-a calculat ca o dioda obisnuita are o putere mult mai
mare chiar si decat a soarelui la ecuator. Toate amestecurile din stratul
activ au o putere de emisie mult mai mare decat a aceleiasi cantitati de
suprafata solara. Diodele prezente pe piata fac parte din clasele II si
IIIa, ceea ce inseamna ca prezinta risc scazut de vatamare la operarea
conforma cu manualul si la expunerea fugara, efemera a ochiului in raza
laser. Totusi, trebuie avut in vedere ca orice expunere indelungata produce
vatamari punctiforme ale retinei si nu este nevoie de efecte immediate
pentru ca retina sa fie vatamata. Regula numarul unu in lucrul cu laserii,
nu se priveste direct in raza laser chiar daca nu se simte nici o durere sau
chiar daca raza este palida. CULOAREA SI STRALUCIREA RAZELOR LASER NU AU NICI O
LEGATURA CU PUTEREA RADIATIEI.
Aceste doua proprietati sunt
date de lungimea de unda a radiatiei care nu influenteaza in mod decisiv
puterea
laserului. Pot exista laseri cu o culoare roz palida care sa fie mai nocivi
decat cei mai aprinsi si rosiatici laseri. Intre 'laseristi' exista o
gluma: 'Regula numarul unu in lucrul cu laserii: Nu te uita niciodata
direct
in raza laser cu unicul ochi ramas intreg !'.
Utilizarea laserilor cu semiconductori.
Aspecte pozitive si negative ale
acestei tehnologii.
Diodele sunt larg raspandite. Faptul ca sunt ieftin de produs, usor de
folosit si foarte ieftin de folosit duce la producerea lor in masa si
includerea lor in cele mai multe aparate electronice ce au nevoie de laseri.
Lecturatoarele de cd, fie ele CD-ROM-uri sau CD-playere, sunt toate
prevazute cu diode laser. Playerele DVD au, deasemenea, diode laser, doar ca
acestea emit fascicule mult mai fine. CD-Writer-ele si CD-ReWriter-ele
folosesc diode ce emit laseri apropiati de IR (800 nm) si puteri de cativa
W. Aceleasi diode, dar de puteri ceva mai mici, sunt prezente si in
imprimantele cu laser. Alte produse care folosesc laseri emisi de diode sunt
cititoarele de coduri de bare (Bar-Code Readers), unele Scannere, Pointerele
etc. Poate cel mai important folos, dupa CD/DVD-playere, este cel adus in
comunicatiile prin fibra optica. In cadrul fiecarui emitator pe fibra optica
se afla o dioda laser. Mai nou s-a inceput folosirea diodelor si in
medicina si in holografie. Diodele nu sunt folosite in aplicatiile militare
(Radar, ghidare rachete, transmisiuni de date prin eter etc.), aplicatiile
astronomice (distante cosmice si determinari de compozitii), efectele
speciale de anvergura si holografia de mare intindere datorita puterii
limitate relativ mici pe care o dezvolta.
Concluzii.
Laserul cu semiconductori este o alternativa ieftina si fiabila la laserii
cu gaz. Marimile reduse, costurile mici de fabricatie si utilizare cat si
longevitatea lor confera diodelor atuuri importante in 'lupta' cu
celelalte
dispozitive de emisie laser. Singurele dezavantaje fiind puterile relativ
mici si fragilitatea, diodele sunt si vor fi cercetate extensiv pentru a fi
imbunatatite. Pentru noi este important sa intelegem cum functioneaza un
astfel de dispozitiv, la ce este folosit si incotro se indreapta cercetarile
pentru a ne familiariza inca de pe acum cu acest tip de laser pe care il vom
intalni din ce in ce mai des in viata noastra de zi cu zi. Este important
sa cunoastem pericolele pe care le aduce cu sine o dioda laser precum si
factorii care pot perturba buna functionare a acesteia pentru a sti cum sa
ne aparam si cum sa o protejam.
Laserul cu semiconductori este un domeniu ale carui orizonturi abia acum ni
se deschid, cu un viitor sigur si cu implicatii puternice in viata de zi cu
zi.
Bibliografie
1. D.Ciobotaru si colectivul, Manual de fizica, clasa a XII-a, EDP,
Bucuresti, 1997
2. I.Bunget si colectivul, Compendiu de fizica pentru admiterea in
invatamantul superior, Ed. Stiintifica, Bucuresti, 1971
3. Richard P. Feynmann,Fizica Moderna, vol III, Editura Tehnica, Bucuresti
1970
4. Arach T&A Corp., Laser Theory, Internet, 1999
5. , Semiconductor Laser Diodes, Internet
6. Power Technology, Inc., Advantages of Semiconductor Laser Diodes,
Internet, 1998-1999
7. Sam Goldwasser, Sam Goldwassers Lasers Frequently Asked Questions,
Internet, 16 Martie 2000
8. Web Science Resources, Laser Tutorial- Laser Diode, Internet, 1997
9. University of California Santa
Barbara press release, 1999
10. 1964 Nobel Prize Winners, Nobel Prizes, Internet 2000
