Laserul

 

Laserul a intrat in viata noastra cotidiana, fiind intalnit la tot pasul: de la sistemul de citire a informatiei de pe un compact disc, la spectacolele de lumina ce insotesc concertele in aer liber, la indicatoarele pe ecranele retroproiectoarelor.Unul dintre cele mai noi procedee utilizate in industria constructoare de masini este cel bazat pe ,,amplificarea luminii prin stimularea emisiei de radiati" procedeu cunoscut sintetic sub denumirea de LASER (,,Light Amplification by Stimulated Emision of Radiation"). In fapt, procedeul este o dezvoltare a amplificarii de microunde prin emisie stimulata a radiatiei MASER (,,Mierowave Amplification by Stimulate Emision of Radiation").

Laserii sunt dispozitive pentru amplificarea sau generarea undelor electromagnetice din domeniul optic pe baza efectului de emisiune fortata a sistemelor atomice care permite

o concentrare a energiei corespunzatoare unei temperaturi de zeci de mii de grade.

In anii 1916 si 1917, Albert Einstein si-a continuat studiile asupra fizicii luminii aratind ca moleculele energizate corespunzator emit lumina de o singura culoare, monocromatica.

In 1951 Charles Townes si-a propus sa produca microunde mai puternice cu ajutorul unui oscilator foarte mic. Lui Townes i-a venit ideea ca moleculele de amoniac ar avea dimensiunile corespunzatoare pentru a vibra cu viteza necesara. El a construit primul dispozitiv care amplifica microundele prin emisie stimulata de radiatie si numea acest dispozitiv MASER dupa initialele procesului (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation.)

Atit Townes cit si alti oameni de stiinta s-au gindit ca acelasi principiu putea fi utilizat si la amplificarea luminii, desi problemele de ordin tehnic erau mai dificile.

Biroul de brevete a acordat un credit pentru conceperea unui dispozitiv de amplificare a luminii prin emisie stimulata de radiatie, unui student licentiat de la Universitatea Columbia, Gordon Gould, care a prezentat proiectul unui LASER pe 11 nov. 1957. In ciuda brevetului primit, se considera ca primul laser utilizabil a fost construit de Theodore Harold Maiman, in mai 1960 (laser cu rubin ).

Laserii sunt dispozitive cuantice de emisie si amplificare a radiatiei in regiunile optica si cea a microundelor ce isi bazeaza functionarea pe interactiunea a doua sisteme fizice: campul electromagnetic dintr-o cavitate rezonanta si mediul activ situat in aceeasi cavitate rezonanta, format din atomi, ioni, molecule etc.

Prin excitarea mediului printr-un procedeu oarecare (ciocniri electronice, transfer rezonant de energie, reactii chimice, campuri electrice si magnetice) in mediul excitat se acumuleaza o mare cantitate de energie electromagnetica, care in anumite conditii poate fi eliberata prin emisie stimulata, sub forma radiatiei laser.

Clasificarea laserilor se poate face dupa:

• natura mediului activ (solid, lichid, gazos);

• puterea emisa;

• domeniul de lungimi de unda al radiatiei emise;

• modul de functionare(continua sau in impulsuri).

 

Laserul cu microunde

 

Acest laser a fost inventat de Townes si Shawlow in 1954. Raza de amoniac trece printr-un concentrator electrostatic pentru a separa moleculele aflate pe nivele energetice superioare.

Nu este o coincidenta ca efectul laser a fost aplicat pentru prima oara in regiunea microundelor. Emisiile spontane sunt proportionale cu cubul frecventei de tranzitie, fiind mici in aceasta portiune a spectrului, si putand fi neglijate, in comparatie cu alte procese ca emisiile stimulate si absorptia. Din acest motiv inversia populatiilor sunt obtinute usor cu o energie mica. Prima inversie a populatiilor a fost obtinuta in molecula de amoniac (NH₃). Inversia populatiilor in moleculele de amoniac se obtine prin separarea fizica a particulelor aflate pe nivele energetice superioare de cele aflate pe nivele energetice inferioare.

 

Laserul optic

Dupa publicarea lucrarii in care Shawlow si Townes aratau posibilitatea actiunii laserului si in spectrul infrarosu si chiar si in spectrul vizibil nu a trecut mult si multi cercetatori au inceput sa ia in considerare crearea unor astfel de aparate. Multi experti credeau ca primele aparate de acest tip vor folosi un gaz. Insa a fost o mare surpriza cand Maiman, in 1960, a creat un aparat ce folosea rubinul pentru a producea efectul laser in spectrul vizibil.

La inceput s-a crezut ca pompajul optic va fi ineficient, insa aceasta se intampla numai pentru ioni cu rezonanta mica, ca cei din gaze sau plasma. In ceea ce priveste ionii metalici, acestia pot absorbi radiatii de lungimi de unda aflate intr-o banda mai larga. Radiatiile cu lungimi de unda de 550 nm. sunt absobite de o populatie de ioni de Cr 3+ aflata intr-un cristal de corindon (care contine Cr203 si Al203 in raport de masa 1:2000), apoi se face o tranzitie rapida, fara modificari de temperatura, spre un nivel inferior metastabil de 5 milisecunde. Daca energia de pompare depaseste o anumita valoare, se poate face o inversie a populatiilor, care sa treaca de la o stare neutra la acest nivel metastabil. Performantele laserului cresc mult daca se afla in interiorul unui rezonator optic.

Primul laser optic, construit de Maiman in 1960, era un laser cu pulsatie, din motive de disipare a caldurii si a necesitatii unei energii mari de pompare. Nelson si Boyle au creat in 1962 primul laser continuu cu rubin, inlocuind sursa (o lampa-blit) cu o lampa cu arc.

La putin timp dupa ce a fost anuntat prima reusita a laserului optic, alte laboratoare de cercetare au inceput si ele, cu succes, sa faca experimente cu lasere optice care in loc de Cr aveau alte metale rare ca Nd, Pr, Tm, Ho, Er, Yb, Gd si chiar U, iar in locul cristalului de corindon s-a incercat folosirea unei combinatii de Ytriu-Aluminiu-Garnet, CaF2, sau sticla (care era si mai usor de fabricat). Aceste lasere si-au gasit, odata cu imbunatatirea metodelor de fabricatie, si aplicatii practice.

 

Laserul cu rubin

Laserul cu rubin este alcatuit, in principal, dintr-un cristal cilindric de rubin, doua oglinzi paralele, argintate sau aurite si un tub de descarcare, in forma de spirala, umplut cu un gaz nobil si conectat la un condensator de mare capacitate . Dupa cum se stie, rubinul este un oxid de aluminiu care contine mici cantitati de ioni de crom. Cilindrul de rubin utilizat are lungimea de cativa centimetri si diametrul de cativa milimetri. Cele doua oglinzi plane si paralele, slefuite cu mare grija, sunt argintate sau aurite in asa fel incat una dintre ele este complet opaca, iar cealalta partial transparenta, ca sa poata permite razelor laser sa paraseasca instalatia. Ele sunt asezate la capetele cilindrului de rubin, uneori se metalizeaza chiar capetele cilindrului. Tubul de descarcare, in forma de spirala, umplut cu neon, xenon sau amestecuri de neon si cripton este conectat la un condensator si functioneaza asemenea blitz-urilor de la aparatele fotografice. Tubul de descarcare emite intr-un timp foarte scurt, de ordinul miimilor de secunda, o lumina obisnuita, dar intensa, care provoaca inversiunea populatiilor in cristalul de rubin. In desfasurarea acestui proces o importanta deosebita il au impuritatile de crom inglobate in cristalul de rubin. Ionii de crom au trei nivele energetice pe care le vom reprezenta simplificat ca in figura 2. in stare normala, ionii de crom au energia E₁ corespunzatoare nivelului inferior. Studiu nivelelor energetice ale cromului arata ca daca se iradiaza cristalul de rubin cu lumina verde cu lungimea de unda egala cu 0,560m, produsa de tubul de descarcare, o parte din ionii de crom din starea normala isi vor mari energia datorita absorbtiei radiatiei verzi, trecand intr-o stare energetica superioara E₃. In acest caz ionii de crom de pe nivelul E₁ pot trece prin pompaj optic pe nivelul E_3.

Laserul cu rubin, laserul cu patru nivele si laserul cu sticla dopata cu neodim lucreza in general in impulsuri de ordinul milisecundelor eliberand energii cuprinse intre 0,1 si 100 J. Laserii cu mediu activ solid pot fi folositi pentru obtinerea impulsurilor optice ultrascurte, cu intensitate de milioane de wati pe durate de ordinul nanosecundelor.

 

 

Laserii cu semiconductori

La aplicarea unei tensiuni electrice pe o jonctiune p-n, are loc injectia de purtatori in jonctiune,recombinarea electronilor cu golurile facandu-se cu emisie de fotoni.

Mediile active cele mai folosite pentru laserii cu semiconductori sunt: GaAs, GaAlAs , GaP, InSb.Liniile emise de diferitii laseri cu semiconductori se intind intre 0,3-30 micrometri.

Laserii cu gaz 38555xrf29eeq4r

Functie de natura chimica a mediului activ, laserii cu gaz se impart in trei categorii:

1. Laserii atomici au ca mediu activ gaze in stare atomica provenite din substante monoatomice sau poliatomice prin disociere (laserul cu heliu-neon, cu oxigen, cu azot). Acesti laseri emit linii situate in infrarosu si vizibil.

2. Laserii ionici isi bazeaza functionarea pe tranzitiile electronice dintre nivelele ionice ale substantelor ionizate (laserul cu argon ionizat, cu hologeni, cu azot, etc.). Acesti laseri emit linii in principal in vizibil si ultraviolet.

3. Laserii moleculari au ca mediu activ un gaz in stare moleculara sau vapori: Liniile emise de acesti laseri se gasesc in majoritate in infrarosu dar sunt cunoscute si in vizibil. re555x8329eeeq

 

Laserii cu lichid

Laserii cu lichid cei mai cunoscuti sunt cei cu chelati organici si cei cu coloranti.

Mediul activ pentru laserii cu coloranti este format de o substanta fluorescenta dizolvata intr-un solvent (alcool). Largimea spectrala a radiatiei emise este de ordinul sutelor de angstromi, putind fi selectata lungimea de unda dorita, deci laserul este acordabil intr-o banda larga.

Laserul cu raze X

Cilindrul de plasma (rosu) este creat de impactul unui laser cu pulsatie de mare putere (albastru).Nu sunt folosite oglinzi, in schimb emisiile spontane sunt amplificate si raza este trimisa in ambele sensuri.A fost creat pentru prima oara de cercetatorii Matthews si Rosen la Lawrence Livermore National Laboratory, in 1985.

Tinta este dintr-o foita subtire de seleniu sau un alt element cu numar atomic mare, dispusa pe un substrat de vinil pentru a-i da rigiditate. Aceasta tinta este iradiata din ambele parti de lasere cu pulsatie de mare putere al carei focar are o lungime de cateva sute de ori mai mare decat latimea. Cand raza loveste foita, aceasta “explodeaza”, producand o plasma formata din ioni de seleniu ce au cu 24 de electroni mai putin.

In prezent eficienta acestor lasere este foarte scazuta datorita necesitatii unei puteri si frecvente mari a laserului-sursa. O eficienta mai mare s-ar putea obtine printr-o racire rapida, ceea ce duce la trei re-pompari a plasmei puternic ionizate. Insa un hibrid intre racirea la contact si expansiunea adiabatica pare sa fie cel mai promitator.

O alta posibilitate promitatoare se bazeaza pe transparenta indusa electromagnetic, pentru o reducere drastica a puterii de pompare necesara si pentru obtinerea mult mai eficientului efect laser fara inversie (cunoscut si sub numele de fazere).

 

Laserele cu plasma

Praful si gazul circumstelar reci se acumauleaza constant in jurul stelelor, care lanseaza jeturi de plasma. Racirea rapida a plasmei cand intalneste aceasta coaja poate mari semnificativ efectul de dezechilibru al expansiunii adiabate. Contactul cu gazul este atat de eficient in racirea rapida incat Oda et al. (1987) au creat un laser cu plasma ce lucreaza in lungimi de unda din extremul ultraviolet folosind numai acest mecanism, fara sa foloseasca expansiunea:

Laser cu racire a plasmei la contactul cu gazul (TPD-I): plasma de heliu mentinuta electromagnetic stationar este racita de contactul cu hidrogenul, producand efectul laser in XUV (164 nm) (Institute of Plasma Physics Nagoya, Japonia). Alt avantaj al atmosferei stelare sunt distantele foarte mari, o inversie a populatiilor redusa producand radiatii a caror intensitate creste exponential in amplitudine pe distante mari pana la un punct in care domina spectrul. Cea mai puternica manifestare a laserelor naturale se produce in cuasari.

In laserele cu plasma cercetate in laboratoare totul este redus la o scara mult mai mica. Aceasta este insa compensata in parte de faptul ca se pot pune oglinzi de ambele parti ale mediului, pentru a produce o raza laser ce ar fi foarte lunga intr-o extindere virtuala.

 

Utilizari:

Laserii de diferite tipuri si-au gasit aplicabilitate in domenii foarte variate,de la parcurile de distractii la armament.Deoarece laserii produc fascicule de lumina de mare energie,cu lungimi de unda specifice si care nu devin divergente atat de repede ca razele naturale de lumina, ei pot fi utilizati pentru a transfera energia intr-un anumit punct, precis determinat.

Principalele domenii ale ingineriei in care se aplica laserul sunt:

• holografia si interferometria holografica;

• comunicatiile optice;

• calculatorul si optica integrata;

• producerea si diagnosticarea plasmei;

• separarea izotopilor;

• realizarea standardelor de timp si lungime;

• telemetria si masurarea de viteze;

• alinieri si controlul masinilor unelte;

• masurari de profile si nivele;

• controlul automat al masinilor;

• incalzirea materialelor fara schimbare de faza;

• topirea si sudarea metalelor;

• vaporizarea si depunerea de straturi subtiri;

• fotografia ultrarapida;

• fabricarea si testarea componentelor electronice;

Una dintre primele aplicatii ale laserului a fost taierea si sudarea, atat in industrie cat si in practica medicala (in chirurgie, oncologie, stomatologie, dermatologie, oftalmologie si endoscopie).

Cei ce se ocupa de industria militara spera sa poata utiliza puterea de taiere si ardere a laserilor la arme. Iar altii, in ideea de a crea noi surse energetice ale viitorului, incearca sa conceapa dispozitive cu laser pentru a declansa reactia de fuziune a hidrogenului.

Deoarece devin foarte incet divergente, fascicolele laser pot fi folosite pentru determinarea gradului de planeitate a unei suprafete.Fermierii au intrebuintat laserii pentru a se asigura ca ogoarele lor sunt plane, ceea ce le permite sa le protejeze de eroziune.

De asemenea, laserii fac parte integranta din actuala revolutie optica.Aceasta presupune inlocuirea dispozitivelor electronice cu dispozitive fotonice. Dispozitivul fotonic utilizeaza fotoni in loc de electroni, iar laserii sunt surse excelente de fotoni pentru multe aplicatii. Desi principalele dispozitive fotonice aflate in prezent in uz sunt retele de fibre optice de lunga distanta, multi oameni de stiinta prevad aparitia in curand a computerelor fotonice.

Printre cele mai bizare se afla utilizarea unor fascicule laser care se intersecteaza pentru a determina atomii aflati in punctual de incrucisare sa stea pe loc. Printre cele mai obisnuite este folosirea interferometriei laser pentru a localiza pozitiile exacte de pe Pamant; de exemplu exista posibilitatea ca laserii sa detecteze microdeplasarile scoartei terestre care preced cutremurile. Interferometrul poate fi ales ca instrument de detectare a distanteor mici, de exemplu el poate detecta micile variatii de grosime ale lentilelor.

Utilizind o combinatie de laseri sau radar si interferometru, vehiculele cosmice se pot autoghida cu mare precizie prin vastele spatii interplanetare.

Eficienta si puterea laserelor

 

Tipul

Lungimea de unda (mm)

Eficienta

Puteri existente (W) Pulsatie Continue

CO2	10.6	0.01 - 0.02 (pulsed)	> 2 ´ 1013	> 105
CO	5	0.4	> 109	> 100
Holmium	2.06	0.03 (lamp) 0.1 (diode)	> 107	30
Iodine	1.315	0.003	> 1012	-
Nd-glass, YAG	1.06	0.001 - 0.06 (lamp) > 0.1 (diode)	~ 1014 (10 beams)	1 - 103
* Color center	1 - 4	10-3	> 106	1
* Vibronic (Ti Safir)	0.7 - 0.9	> 0.1 ´ hp	106	1 - 5
Rubin	0.6943	< 10-3	1010	1
He-Ne	0.6328	10-4	-	1 - 50 ´ 10-3
* Argon ion	0.45 - 0.60	10-3	5 ´ 104	1 - 20
* OPO	0.4 - 9.0	> 0.1 ´ hp	106	1 - 5
N2	0.3371	0.001 - 0.05	105 - 106	-
* Dye	0.3 - 1.1	10-3	> 106	140
Kr – F	0.26	0.08	> 109	500
Xenon	0.175	0.02	> 108	-

*=Surse reglabile; h_p=eficienta de pompare a laserului

Scriitori romani