LASER - jest źródłem promieniowania elektromagnetycznego. Od klasycznego źródła światła różni się on zasadą działania i wynikającymi z niej właściwościami emitowanego promieniowania.
Słowo LASER jest akronimem zdania w języku angielskim: Light Amplification by Stimulation Emision of Radiation czyli wzmocnienie światła wskutek zjawiska emisji wymuszonej. Emisja wymuszona jest jednym z trzech procesów oddziaływania światła z materią, w wyniku których zmienia się stan kwantowy atomu, jonu czy cząsteczki. Dwa pozostałe procesy to absorpcja i emisja spontaniczna
Rys: Trzy procesy oddziaływania światła z atomem.


Wszystko zaczęło się od Pana Alberta Einsteina, podał On wyprowadzenie wzoru Plancka uwzględniające ówcześnie znane fakty dotyczące budowy atomu. Rozważał dwupoziomowy atom w równowadze z otaczającym go promieniowaniem. Okazało się, że otrzymanie wzoru Plancka wymagało uwzględnienia trzech procesów:
1. Absorpcji kwantu o energii E2-E1 przez elektron na poziomie E1,
2. Spontanicznej emisji kwantu o energii E2-E1 połączonej z przejściem elektronu z E2 na E1,
3. EMISJI WYMUSZONEJ przez kwant o energii E2-E1 - elektron spada z E2 na E1 i jednocześnie pojawia się drugi kwant o energii E2-E1.

Emisja wymuszona (ang. stimulated emission) to proces wprowadzony przez Einsteina. Dzięki temu Einstein położył podstawy techniki laserowej.

Laser składa się z trzech zasadniczych elementów, którymi są:
1) Ośrodek aktywny, czyli zespół atomów, jonów czy cząsteczek.
2) Rezonator, czyli układ optyczny, który sprzęga promieniowanie charakterystyczne dla danego ośrodka z tym ośrodkiem. W najprostszym przypadku rezonator stanowią 2 płaskie, doskonale odbijające zwierciadła, które są ustawione idealnie równolegle do siebie w odległości , (n jest liczbą całkowitą, jest długością fali światła laserowego) umożliwiającej powstanie w nim fal stojących. Częstości tych fal są częstościami modów podłużnych lasera. Liczba modów zależy od szerokości dopplerowskiej linii widmowej, dla której zachodzi przejście laserowe w ośrodku aktywnym. Odległość w skali częstości między sąsiednimi modami wynosi , gdzie c jest prędkością światła w próżni. Zatem wzmocnieniu mogą ulec tylko te mody (drgania o określonej częstości), które mieszczą się w profilu linii emisyjnej.
3) Układ pompujący, czyli układ, który wytwarza inwersję obsadzeń między stanami zaangażowanymi w przejście laserowe. Inwersja obsadzeń tych stanów jest warunkiem koniecznym do uzyskania wzmocnienia promieniowania.

Działanie lasera, kolejne etapy powstawania akcji laserowej(kliknij na obraz by zobaczyć go w pełnych wymiarach.)

Działanie lasera opiera się na dwóch zjawiskach: inwersji obsadzeń i emisji wymuszonej. Emisja wymuszona zachodzi gdy atom wzbudzony zderza się z fotonem o takiej częstotliwości, że jego energia kwantu jest równa różnicy energii poziomów między stanem wzbudzonym a podstawowym. Foton uderzający nie ulega pochłonięciu, ale przyspiesza przejście atomu ze stanu wzbudzonego do podstawowego i dlatego z atomu wylatują w tym samym kierunku dwa spójne, to znaczy zgodne w fazie fotony o tej samej energii więc i częstotliwości. Choć proces taki Pan Einstein przewidział już w 1917r. pierwszy laser, zbudował dopiero w 1960 roku T. Maiman.

Aby mogła zachodzić w dużych ilościach emisja wymuszona należy w ośrodku wzmacniającym stworzyć odpowiednie warunki, to znaczy spowodować, by więcej elektronów było w stanie wzbudzonym niż w stanie podstawowym. Taki proces nosi nazwę inwersji obsadzeń. Następuje to w momencie pompowania do układu energii, atomy wzbudzają się i od razu następowała by emisja spontaniczna dlatego powinno się to odbywać w taki materiale aby na pewnym poziomie wzbudzonym czas przebywania elektronu był dostatecznie długi. Taki poziom nazywamy poziomem metastabilnym. Atom przechodzi do wysokiego stanu wzbudzonego, a następnie przeskakuje bez emisji fotonu na stan niższy (metastabilny) Wtedy rezonansowy foton wyzwala emisje wielu fotonów naraz o tej samej fazie i częstotliwości.

Wzmacniacz laserowy zamienia się w generator, gdy ośrodek wzmacniający zostanie umieszczony w rezonatorze. Wówczas promieniowanie wprowadzone wzdłuż osi rezonatora odbija się od zwierciadła umieszczonego na jednym końcu rezonatora oraz od półprzeźroczystego zwierciadła na drugim końcu. Pomiędzy zwierciadłami fale są wzmacniane wskutek emisji wymuszonej. Promieniowanie wychodzi z rezonatora przez półprzeźroczyste zwierciadło w postaci spójnej, monochromatycznej, równoległej wiązki światła o dużej mocy. Emitowana wiązka jest doskonale równoległa, bowiem fale, które nie wędrują tam i z powrotem między zwierciadłami, szybko uciekają na boki ośrodka drgającego bez wzmocnienia.

Tyle słowem teoretycznego wstępu do działu laserowego. Zapraszam na kolejne podstrony działu Lasery, na których przedstawię różne lasery od strony praktycznej.

Odwiedź nas na Allegro: PaneleAllegro.pl

Komentarze

PaneleAllegro.pl darmowe panele allegro