Laser-ul

Dispozitivele cuantice care functioneaza in regiunea optica a spectrului, denumite laseri, genereaza o lumina care se deosebeste radical de lumina emisa de sursele obisnuite. Acest fel de radiatie poseda calitati deosebite, care i-au permis sa-si gaseasca numeroase aplicatii in domeniile cele mai diverse. Aceste calitati se refera la intensitate, directivitate, coerenta si monocromaticitate.

Intensitatea se refera la densitatea de energie transportata de fasciculul luminos. Intr-un fascicul laser energia transportata este atat de concentrata incat aceasta poate patrunde prin cele mai refractare materiale.

Coerenta este proprietatea cea mai importanta a fasciculului laser.

In procesul de emisie a radiatiilor, o unda emisa de ansamblul atomilor se obtine adunand undele emise de fiecare atom in parte. Deoarece undele emise de fiecare atom sunt radiate incepand din momente de timp intamplatoare, unda rezultata prezinta salturi in aceste momente si in consecinta este necoerenta temporal. De asemenea ea este si necoerenta spatial, deoarece emisiunile atomilor situati in locuri diferite nu pot fi sincronizate. Lumina emisa de catre sursele conventionale este necoerenta atat temporal cat si spatial, datorita faptului ca electronii in atomi revin pe nivelele inferioare prin tranzitii spontane. Situatia se modifica radical daca atomii emit lumina prin tranzitii stimulate asa cum stau lucrurile in cazul laserului. In acest caz, emisia de lumina a diferitilor atomi este sincronizata, ceea ce face ca unda emisa de intreg ansamblul sa fie coerenta. 

Lumina laser, prin proprietatea sa de a fi coerenta, a deschis largi perspective nu numai in optica ci si in alte domenii, cum ar fi tehnica transmiterii informatiilor. Lumina necoerenta a surselor neconventionale de lumina nu poate permite transmiterea, de exemplu, a programelor radio sau de televiziune, posibilitate pe care o are in schimb lumina laser.

Monocromaticitate este proprietatea radiatiilor laser de a avea o lungime de unda teoretic egala cu o singura valoare. In realitate insa, nici laserul nu poate emite o radiatie perfect monocromatica.

Clasificarea laserilor se face dupa natura substantei utilizata ca mediu activ, in: laseri solzi, laseri lichizi, si laseri gazosi. Laserii gazosi se clasifica in : laseri atomici, laseri ionici, laseri moleculari, dupa natura particulelor componente ce participa la proces.

Primul laser cu gaz construit experimental a fost laserul cu heliu-neon, care este un laser cu gaz atomic. El a fost realizat in 1961. Numai un an mai tarziu un colectiv de fizicieni romani a realizat la randul sau, un laser de acelasi fel. 

Modul de functionare a laserului heliu-neon. Tubul de sticla contine amestecul de heliu-neon. Generatorul de inalta frecventa intretine descarcari care excita atomii de heliu. Cavitatea rezonanta are ca elemente de baza doua oglinzi concave care refelcta radiatia. In aceasta cavitate rezonanta se plaseaza tubul de descarcare.

Aplicatiile laserului se regasesc in domeniile cele mai diverse, printre care in: treansmiterea informatiilor, tehnica de calcul, meteorologie, prelucrarea diamantului, chirurgie, biologie, si ecologie optica si tehnica spatiala.





Laserul este un dispozitiv optic care generează un fascicul coerent de lumină. Fasciculele laser au mai multe proprietăţi care le diferenţiază de lumina incoerentă produsă de exemplu de Soare sau de becul cu incandescenţă:

* monocromaticitate — un spectru în general foarte îngust de lungimi de undă;

* direcţionalitate — proprietatea de a se propaga pe distanţe mari cu o divergenţă foarte mică şi, ca urmare, capacitatea de a fi focalizate pe o arie foarte mică;

* intensitate — unii laseri sînt suficient de puternici pentru a fi folosiţi la tăierea metalelor.

La origine termenul laser este acronimul LASER format în limba engleză de la denumirea light amplification by stimulated emission of radiation (amplificare a luminii prin stimularea emisiunii radiaţiei), denumire construită pe modelul termenului maser care înseamnă un dispozitiv similar, funcţionând în domeniul microundelor.

În limba română forma de plural recomandată de dicţionare este lasere; cercetătorii implicaţi în acest domeniu preferă însă pluralul laseri.

Istoric

Principiile de funcţionare ale laserului au fost enunţate în 1916 de Albert Einstein, printr-o evaluare a consecinţelor legii radiaţiei a lui Max Planck şi introducerea conceptelor de emisie spontană şi emisie stimulată. Aceste rezultate teoretice au fost uitate însă pînă după cel de-al doilea război mondial.

În 1953 fizicianul american Charles Townes şi, independent, Nikolai Basov şi Aleksandr Prohorov din Uniunea Sovietică au reuşit să producă primul maser, un dispozitiv asemănător cu laserul, dar care emite microunde în loc de radiaţie laser, rezultat pentru care cei trei au fost răsplătiţi cu Premiul Nobel pentru Fizică în 1964.

Primul laser funcţional a fost construit de Theodore Maiman în 1960 şi avea ca mediu activ un cristal sintetic de rubin pompat cu pulsuri de flash.

Primul laser cu gaz a fost construit de fizicianul iranian Ali Javan în 1960 folosind un amestec de heliu şi neon, care producea un fascicul cu lungimea de undă de 1,15 μm (infraroşul apropiat), spre deosebire de laserii actuali cu He-Ne care emit în general în domeniul vizibil, la 633 nm.

Primul laser românesc

România a fost a patra ţară din lume în care s-au realizat laseri, în urma unor cercetări întreprinse de un colectiv condus de Ion I. Agârbiceanu (fiul scriitorului Ion Agârbiceanu). Rezultatul lor a fost raportat în 1961.

Principiul funcţionării laserului

Laserul este un dispozitiv complex ce utilizează un mediu activ laser, ce poate fi solid, lichid sau gazos, şi o cavitate optică rezonantă. Mediul activ, cu o compoziţie şi parametri determinaţi, primeşte energie din exterior prin ceea ce se numeşte pompare. Pomparea se poate realiza electric sau optic, folosind o sursă de lumină (flash, alt laser etc.) şi duce la excitarea atomilor din mediul activ, adică aducerea unora din electronii din atomii mediului pe niveluri de energie superioare. Faţă de un mediu aflat în echilibru termic, acest mediu pompat ajunge să aibă mai mulţi electroni pe stările de energie superioare, fenomen numit inversie de populaţie. Un fascicul de lumină care trece prin acest mediu activat va fi amplificat prin dezexcitarea stimulată a atomilor, proces în care un foton care interacţionează cu un atom excitat determină emisia unui nou foton, de aceeaşi direcţie, lungime de undă, fază şi stare de polarizare. Astfel este posibil ca pornind de la un singur foton, generat prin emisie spontană, să se obţină un fascicul cu un număr imens de fotoni, toţi avînd aceleaşi caracteristici cu fotonul iniţial. Acest fapt determină caracteristica de coerenţă a fasciculelor laser.

Rolul cavităţii optice rezonante, formată de obicei din două oglinzi concave aflate la capetele mediului activ, este acela de a selecta fotonii generaţi pe o anumită direcţie (axa optică a cavităţii) şi de a-i recircula numai pe aceştia de cît mai multe ori prin mediul activ. Trecerea fotonilor prin mediul activ are ca efect dezexcitarea atomilor şi deci micşorarea factorului de amplificare optică a mediului. Se ajunge astfel la un echilibru activ, în care numărul atomilor excitaţi prin pompare este egal cu numărul atomilor dezexcitaţi prin emisie stimulată, punct în care laserul ajunge la o intensitate constantă. Avînd în vedere că în mediul activ şi în cavitatea optică există pierderi prin absorbţie, reflexie parţială, împrăştiere, difracţie, există un nivel minim, de prag, al energiei care trebuie furnizată mediului activ pentru a se obţine efectul laser.

În funcţie de tipul mediului activ şi de modul în care se realizează pomparea acestuia laserul poate funcţiona în undă continuă sau în impulsuri. Primul maser şi primul laser funcţionau în regim de impulsuri.

Caracteristicile fascicolului laser

Intensitate

În funcţie de tipul de laser şi de aplicaţia pentru care a fost construit, puterea transportată de fascicul poate fi foarte diferită. Astfel, dacă diodele laser folosite pentru citirea discurilor compacte este de ordinul a numai 5 mW, laserii cu CO2 folosiţi în aplicaţii industriale de tăiere a metalelor pot avea în mod curent între 100 W şi 3000 W. În mod experimental sau pentru aplicaţii speciale unii laseri ajung la puteri mult mai mari; cea mai mare putere raportată a fost în 1996 de 1,25 PW (petawatt, 1015 W).

Monocromaticitate

Majoritatea laserilor au un spectru de emisie foarte îngust, ca urmare a modului lor de funcţionare, în care numărul mic de fotoni iniţiali este multiplicat prin „copiere” exactă, producînd un număr mare de fotoni identici. În anumite cazuri spectrul este atît de îngust (lungimea de undă este atît de bine determinată) încît fasciculul îşi păstrează relaţia de fază pe distanţe imense. Aceasta permite folosirea laserilor în metrologie pentru măsurarea distanţelor cu o precizie extrem de bună, prin interferometrie. Aceeaşi calitate permite folosirea acestor laseri în holografie.

Direcţionalitate

În timp ce lumina unei surse obişnuite (bec cu incandescenţă, tub fluorescent, lumina de la Soare) cu greu poate fi transformată într-un fascicul paralel cu ajutorul unor sisteme optice de colimare, lumina laser este în general emisă de la bun început sub forma unui fascicul paralel. Aceasta se explică prin acţiunea cavităţii optice rezonante de a selecta fotonii care se propagă paralel cu axa cavităţii. Astfel, în timp ce un reflector obişnuit de lumină, orientat de pe Pămînt spre Lună, luminează pe suprafaţa Lunii o suprafaţă de aproximativ 27.000 km în diametru, fasciculul unui laser nepretenţios cu heliu-neon luminează pe Lună o suprafaţă cu diametrul mai mic de 2 km. Folosind laseri mai performanţi şi avînd la dispoziţie pe suprafaţa Lunii retroreflectoare (colţuri de cub, care reflectă lumina incidentă pe aceeaşi direcţie) a fost posibilă determinarea cu foarte mare precizie a distanţei de la Pămînt la Lună.

Măsuri de securitate

Pentru protecţia muncii, cei care folosesc laseri trebuie să ştie întotdeauna cu ce tip de laser au de a face. Din punctul de vedere al pericolului pe care îl reprezintă fasciculul laser asupra omului (în principal retina şi pielea), laserii sînt clasificaţi în patru clase. În prezent clasificarea laserilor nu se face la fel în toate ţările, dar se fac pregătiri pentru ca aceste clase să fie definite la fel la nivel internaţional. Lucrul cu laseri periculoşi impune folosirea de ochelari de protecţie, care absorb radiaţia luminoasă la lungimea de undă a laserului folosit şi permit vederea în celelalte regiuni ale spectrului.

Clasa I este specifică echipamentelor industriale care au zona de acţionare a fascicolului laser acoperită în totalitate, deci nu există posibilitatea apariţiei unor reflexii nedorite. Această clasă de laseri este cea mai sigură şi nu necesită din partea operatorilor umani care deservesc echipamentul laser să poarte echipament de protecţie optică (ochelari speciali sau mască).

Clasa II

Clasa IIIa

Clasa IIIb

Clasa IV - sunt laseri care nu sunt prevăzuţi cu nici o formă de protecţie optică, fiind echipamente care pot fi uşor adaptate oricărui tip de prelucrări industriale. Identificarea unor astfel de echipamente laser se poate reliza privind eticheta lipită pe camera rezonantă pe care este inscripţionat cuvântul OEM, alături de care se regăseşte cuvântul CLASS IV. 





Sursa:ipedia.ro