Z Wikipedii

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 źródeł światła, 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.

Spis treści 1 Zasada działania 1.1 Ośrodek czynny 1.2 Układ pompujący 1.3 Układ optyczny 2 Rodzaje laserów 2.1 Podział laserów w zależności od ośrodka czynnego 2.2 Podział laserów w zależności od zastosowań 3 Opis niektórych typów laserów 3.1 Laser półprzewodnikowy 3.1.1 Dioda LED 3.1.2 Dioda laserowa 3.1.3 Laser o emisji krawędziowej 3.1.4 Laser o emisji powierzchniowej 3.2 Laser kryptonowy i ksenonowy 3.3 Laser neodymowy 3.4 Laser barwnikowy 4 Krótka historia laserów 4.1 Schemat działania lasera z trójpoziomowym układem poziomów energetycznych 5 Bezpieczeństwo pracy 6 Zastosowanie lasera 6.1 Poligrafia 6.2 Znakowanie produktów 6.3 Laserowe cięcie metali 6.4 Technologia wojskowa 6.5 Medycyna 6.5.1 Zobacz też

[edytuj] 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.

[edytuj] 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.

[edytuj] 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.

[edytuj] Układ optyczny

O ile ośrodek czynny traktujemy jako generator fali elektromagnetycznej, to układ optyczny pełni rolę sprzężenia zwrotnego dla wybranych częstotliwości, dzięki czemu laser generuje światło tylko o jednej częstotliwości ( z niewielkimi odchyleniami). 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 czemu laser emituje niemalże równoległą wiązkę światła o dużej spójności.

[edytuj] Rodzaje laserów

Ośrodek czynny decyduje o najważniejszych parametrach lasera, określa długość emitowanej fali, jej moc, sposób pompowania, możliwe zastosowania lasera.

[edytuj] 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
    • laser na materiale objętościowym
    • laser na studniach kwantowych
    • laser na kropkach kwantowych
  • bezzłączowe
    • kwantowy laser kaskadowy

[edytuj] 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:
  • laser rubinowy (694 nm)
  • Aleksandrytowy (755 nm)
  • pulsacyjna matryca diodowa (810 nm)
  • Nd:YAG (1064)
  • Ho:YAG (2090 nm)
  • Er:YAG (2940 nm)

• 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

[edytuj] Opis niektórych typów laserów

[edytuj] Laser półprzewodnikowy

Laser oparty na półprzewodniku, rodzaj diody luminescencyjnej o dużej wydajności (nośniki ładunku - dziury i elektrony - zostają wstrzyknięte w obszar złącza, rekombinują wysyłając promieniowanie rezonowane optycznie przez wypolerowany kryształ).

[edytuj] Dioda LED

Obecnie są produkowane półprzewodnikowe diody świecące o barwie czerwonej, pomarańczowej, żółtej, zielonej, a nawet niebieskiej, oraz diody pracujące w podczerwieni. Pierwsze diody świecące w paśmie niebieskim powstały w 1995 a ich twórcą był Shuji Nakamura z Nichia Chemical Industries Ltd. w Japonii. Półprzewodnikiem emitującym światło w takich diodach może być azotek galu osadzony na podłożu szafirowym, węglik krzemu lub azotek galu osadzony na węgliku krzemu. W 2001 zespół polskich naukowców pod kierunkiem S. Porowskiego z Centrum Badań Wysokociśnieniowych Polskiej Akademii Nauk, jako druga grupa naukowców w Europie, skonstruował półprzewodnikową diodę laserową na strukturach opartych o azotek galu, emitującą światło niebieskie o długości fali 425 nm. Zespół opracował technologię uzyskiwania monokryształów azotku galu w warunkach bardzo wysokich ciśnień.

[edytuj] Dioda laserowa

dioda podobna do diody led

[edytuj] Laser o emisji krawędziowej

dioda podobna do diody o emisji krawedziowej

[edytuj] Laser o emisji powierzchniowej

[edytuj] 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.

[edytuj] 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).

[edytuj] 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.

[edytuj] Krótka historia laserów

• Często podaje się datę 1954 skonstruowania masera, pierwszego wzmacniacza kwantowego.
• Pierwszy laser (rubinowy) zbudował w 1960 roku Theodore Maiman, ośrodkiem czynnym był kryształ korundu domieszkowany chromem - rubin.
• W roku następnym Snitzer uruchomił laser na bazie szkła neodymowego, a w roku 1964 Gaisik i Karkos skonstruowali laser na bazie granatu itrowo-glinowego domieszkowanego neodymem.
• W tym samym roku zbudowany został pierwszy laser półprzewodnikowy z pompowaniem diodowym.
• W latach 1967-69 Bagdasarow i Kamiński zbudowali laser na bazie kryształu perowskitu itrowo-glinowego domieszkowanego neodymem, a Homer, Linz i Gabbe wykorzystali fluorek litowo-itrowy (YLF).
• Kilka lat później (w 1979 roku) skonstruowano laser z przestrajaniem częstotliwości na krysztale aleksandrytu, a w roku 1982 Moulton zaprezentował laser na bazie tikoru.
• Pierwszym polskim pionierem w tej dziedzinie był dr.mgr. Andrzej Dzikowski, konstruktor super silnych laserów kryptonowych.

[edytuj] Schemat działania lasera z trójpoziomowym układem poziomów energetycznych

Foton przemieszcza elektron na poziom wzbudzony E_n – tzw. krótkożyciowy. Następnie elektron przechodzi w wyniku przejścia bezpromienistego na niższy poziom E_m metastabilny. Jeżeli energia fotonu wymuszającego wynosi h∋ = E_n - E_m to zostaje wymuszone wypromieniowanie drugiego fotonu koherentnego a elektron przenosi się na poziom podstawowy.

[edytuj] Bezpieczeństwo pracy

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.

[edytuj] Zastosowanie lasera

[edytuj] 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

[edytuj] Znakowanie produktów

Lasery znalazły również zastosowanie przy znakowaniu produktów. Używa się ich przy liniach produkcyjnych posiadających bardzo wysokie wydajności oraz gdy chcemy uzyskać ładny i estetyczny nadruk.

Nadruki można wykonywać na:

• etykietach produktów poprzez usuwanie warstwy farby
• butelkach PET poprzez trwałe naniesienie znaków
• elementach metalowych oraz innych

[edytuj] 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.

[edytuj] Technologia wojskowa

Laser ma dwojakie zastosowanie:

• 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 wyposażony w czujnik laserowy określa źródło odbitej wiązki.

• broń energetyczna

Systemy laserowe są zdolne do uwalniania skoncentrowanej energii w postaci wiązki świetlnej w bardzo krótkim przedziale czasu. Powoduje to, iż cała energia jest wyzwalana w pojedynczym impulsie, co przy prędkości światła powoduje iż praktycznie jest niemożliwe uniknięcie trafienia z takiej broni.

[edytuj] Medycyna

Laserów używa się przede wszystkim dla "twardej" obróbki tkanek:

• cięcia,
• koagulacji,
• odparowania (fotoablacji oraz ablacji stymulowanej plazmą)
• obróbki mechanicznej (rozrywania, fragmentacji czy kawitacji)

[edytuj] Zobacz też

• Maser
• Emisja wymuszona