Laser
Laserul este un dispozitiv optic care emite o raza de lumina coerenta. Termenul "Laser" este acronim pentru "Light
amplification by stimulated emission of radiation" (lumina amplificata prin emisie stimulata de radiatie).
Un laser emite de obicei o raza de lumina ingusta, cu divergenta foarte redusa, monocromatica si cu o lungime de unda foarte bine definita, ceea ce il face diferit fata de o sursa de lumina obisnuita care emite lumina intr-o gama larga de lungimi de unda, necoerenta si cu o divergenta ridicata.
Cu toate ca laserul a fost prezis de Einstein in teoria cuantica a radiatiei, primul laser functional a aparut doar in anul 1960 si
a fost creat de Theodore H. Maiman la institutul de cercetare Hughes din Malibu, California.
Printre persoanele foarte importante in cercetarea laserului si a amplificarii radiatiei se numara si Charles H. Townes, care in
anul 1953 a produs primul amplificator de microunde sau "maser" (microwave amplification by stimulated emision of radiation) care amplifica microunde folosind aproximativ aceleasi principii ca si in cazul laserului.
Townes a format si o echipa care, in paralel cu Maiman, au cercetat ceea ce atunci se numea "maser optic" sau, laser.
Townes a format si o echipa care, in paralel cu Maiman, au cercetat ceea ce atunci se numea "maser optic" sau, laser.
Principiul de functionare
Un laser este compus din 3 parti importante:
Mediul activ
Cavitatea rezonanta
Sursa de energie de "pompare"
baza procesului de emisie stimulata. Astfel, cand mediul activ este energizat sau "pompat", energia de pompare este absorbita de mediul activ, ceea ce duce la ridicarea unor particule din mediul activ la un nivel mai ridicat de energie, avand astfel loc emisia stimulata de radiatie unde, fotonul emis de particula excitata are aceeasi directie ca lumina incidenta care a produs energizarea.
Cand numarul de particule cu un anumit nivel de energie ridicat este mai mare decat numarul de particule cu nivel energetic
redus are loc inversiunea de populatie, astfel incat cantitatea luminii stimulate din mediul activ este mai mare decat cantitatea luminii absorbite de acesta, in consecinta lumina este amplificata.
Cavitatea rezonanta este compusa din doua suprafete reflective care au rolul de a trece raza de lumina coerenta de mai
multe ori prin mediul activ inainte ca aceasta sa fie emisa. Acest lucru duce la o amplificare mai mare a luminii datorata faptului ca la fiecare trecere a razei prin mediul activ are loc ridicarea la nivel energetic mai ridicat a mai multor particule, astfel puterea razei care circula in cavitatea rezonanta creste exponential.
La fiecare emisie stimulata o particula este adusa in stadiul de nivel energetic redus, ceea ce reduce capacitatea mediului activ de a amplifica lumina. Cand acest efect devine puternic spunem ca mediul este saturat.
Componentele unei cavitati rezonante sunt de obicei o suprafata cu reflectivitate 100% si o suprafata partial reflectiva care permite iesirea luminii amplificate. In cazul laserelor care permit obtinerea mai multor lungimi de unda, suprafata cu reflectivitate 100% este inlocuita cu o retea de difractie sau o prisma care permite reglarea laserului pe o anumita lungime de unda.
Tipuri de laser
Laserele pot fi clasificate in functie de modul de operare sau mediu activ.
Dupa mediul activ laserele pot fi:
Cu mediu solid: din aceasta categorie fac parte laserele cu rubin (primul laser functional), cristale de Nd:YAG, sticle sau
polimeri dopati cu Nd (neodim) care este unul din cei mai folositi dopanti pentru lasere. Acestea pot produce lungimi de unda in infrarosu pentru Nd:YAG si rosu pentru rubin sau pot fi dublate/triplate in frecventa pentru lungimi de unda mai mici, respectiv verde sau albastru. Laserele cu Ti:Safir pot produce o gama larga de lungimi de unda in infrarosu.
Cu mediu gazos: din aceasta categorie fac parte laserele care au ca mediu activ gaze.
Printre cele mai notabile se numara:
laserul cu Ar (argon) care produce lungimi de unde de la verde si albastru pana in ultraviolet. Acestea sunt folosite foarte des
pentru efecte de lumini pentru concerte.
Laserele cu HeNe (heliu-neon) contin o mixtura de heliu si neon ca mediu activ, produc lungimi de unda de obicei in rosu
(633nm). Acestea sunt foarte populare in domeniul holografiei. In trecut erau folosite in imprimante laser.
>Laserele cu dioxid de carbon (CO2) emit lumina in infrarosu la 9.6 si 10.6 µm si pot ajunge la puteri de sute de kilowatti,
avand eficienta de peste 10%. Sunt folosite in principal in industrie pentru taierea metalelor.
Laserele cu azot folosesc ca mediu activ azotul la presiune redusa sau in cazul laserelor TEA N2 (TEA=transverse excited at
atmospheric presure sau laser excitat transversal la presiune atmosferica) se foloseste N2 la presiunea atmosferica. Laserele cu N2 emit lumina in gama UV (ultraviolete) la 355nm si sunt utilizate de obicei pentru a pompa alte lasere cum ar fi cele cu coloranti sau in spectrscopie.
Laserele TEA N2 prezinta o atractie pentru entuziasmatii de lasere care vor sa isi construiasca propriul laser datorita simplitatii acestuia si a faptului ca poate fi folositul aerul ca mediu activ tinand cont ca aerul este ~75% N2. Acest laser consta intr-un circuit de tipul blumlein format din doi condensaori cu inductanta foarte mica care sunt incarcati cu o tensiune de ~5000V si apoi descarcati intr-un interval de 1-5ns de-a lungul unor electrozi pozitionati la 1-8mm distanta. In spatiul dintre electrozi are loc o descarcare electrica care produce excitarea azotului dintre electrozi, ducand la emisie stimulata. Datorita faptului ca acest laser are un castig foarte mare, nu are nevoie de cavitate rezonanta ceea ce elimina necesitatea alinierii componentelor optice.
Acest mod de operare a unui laser in care nu este nevoie de cavitate rezonanta pentru a obtine amplificarea se numeste superradiant.
Cu mediu lichid: din aceasta categorie fac parte laserele a caror mediu este un lichid, de obicei un colorant organic intr-un
solvent. Cel mai des folositi coloranti in laserele cu mediu lichid sunt Rodamina 6G care emite lumina in rosu, galben portocaliu si o banda ingusta in verde, fluorescina de sodiu care emite lumina in verde si o banda ingusta de albastru si coumarin care emite lumina in albastru si UV.
Laserele cu coloranti sunt de obicei pompate cu alte lasere (argon, N2) sau cu lampi flash cu xenon. Acestea pot fi reglate pe o gama mare de lungimi de unda fapt pentru care sunt folosite foarte des in spectroscopie. Colorantii pentru laser sunt de obicei substante foarte toxice (cu exceptia fluorescinei de sodiu care se foloseste si in alimentatie).
Laserul cu semiconductori este unul din cele mai intalnite lasere la ora actuala, fiind in acelasi timp cel mai ieftin. Acesta
foloseste ca mediu activ un semiconductor cum ar fi GaAs. Puterea unui astfel de laser poate fi intre >1mW si cateva zeci de watti, iar lungimile de unde pot fi oriunde de la infrarosu pana la rosu sau chiar verde si albastru prin multiplicare de frecventa. Aceste lasere si-au gasit utilitate in foarte multe domenii de la medicina pana la electronice, fiind folosite la operatii pentru vedere, in echipamente electronice cum ar fi dispozitive optice gen CD-R/RW, DVD-R/RW, DVD playere CD playere etc., in imprimante unde au inlocuit laserele cu HeNe care erau mult prea voluminoase si aveau sursa de alimentare mult prea mare.
Dupa modul de operare laserele pot fi cu unda continua sau pulsatorii.
Laserele cu unda continua emit lumina fara intrerupere atata timp cat exista energie de pompare. Exemple de lasere care opereaza in mod continuu sunt laserele cu dioxid de carbon, laserele cu argon, laserele cu HeNe, laserele cu semiconductori si cateva lasere cu lichid. Acestea sunt foarte des folosite in industrie pentru taiere, pentru efecte de lumini la concerte, spectroscopie si multe alte aplicatii care impun o raza de lumina coerenta, intensa si continua.
Laserele cu operatie in regim pulsatoriu sunt de obicei laserele cu mediu activ solid, majoritatea laserelor cu mediu lichid si
anumite lasere cu mediu gazos cum ar fi cele cu N2. Aceste lasere pot produce impulsuri luminoase de intensitate foarte ridicata si durata foarte redusa, ceea ce le face utile in multe aplicatii de la ce4rcetari in fuziune nucleara pana la operatii la ochi sau holografie foarte rapida si spectroscopie.