6. VRSTE LASERA

6.1 Uvod

Postoji više stotina različitih tipova lasera. Stalno se otkrivaju novi tipovi lasera, a postojeći se usavršavaju, tako da se i podaci o njihovim karakteristikama (npr. energiji i snazi) stalno mijenjaju. Zato su i podaci koje ćemo predstaviti u ovom poglavlju samo orjentacioni. Klasifikacija lasera se može izvršiti na više načina: prema agregatnom stanju aktivne sredine, prema talasnoj dužini laserskog zračenja itd. Mi ćemo se opredijeliti za prvu od pomenutih klasifikacija, po kojoj se laseri dijele na lasere čvrstog stanja, tečne i gasne lasere. U lasere čvrstog stanja spadaju kristalni, amorfni, poluprovodnički i laseri na F-centrima. Ponekad se pod laserima čvrstog stanja podrazumijevaju samo laseri na bazi izolatora, tj. laseri na bazi kristalnog ili amorfnog tijela, dok se poluprovodnički laseri i laseri na F-centrima svrstavaju u odvojene grupe. Tečni laseri mogu biti na bazi neorganskih tečnosti ili na bazi organskih boja. Gasni laseri se mogu podijeliti na lasere sa neutralnim atomima, jonske, molekularne i hemijske lasere. Treba reći i da se stalno otkrivaju nove vrste lasera. Na kraju odjeljka 6.4.2 spomenut ćemo jedan takav primjer – lasere sa slobodnim elektronima. Dijapazon talasnih dužina laserskog zračenja različitih tipova lasera je vrlo širok: od do

. Na slici 6.1 isprekidanim linijama naznačene su oblasti spektra u kojima se može postići generacija zračenja koristeći slijedeća tri tipa laserskih prelaza u gasovima: a) prelaze između elektronskih stanja, b) oscilatorno-rotacione prelaze i c) rotacione prelaze. Treba reći da danas postojeći laseri još ne mogu u potpunosti prekriti prikazane oblasti spektra. Na slici su također označeni intervali talasnih dužina za neke od tipova lasera koje ćemo proučiti u ovom poglavlju.

0,1 μm1000 μm

rotacioni prelazi

vibracioni-rotacioni prelazi

elektronski prelazi

poluprovodnički hemijski sa bojama na bazi gasnog pražnjenja kristalni

UV V IC

0,1 1 10 102 103 104

[ ]mλ μ Slika 6.1 – Dijapazoni talasnih dužina laserskog zračenja za različite tipove lasera. Sa UV, V i IC je označeno ultravioletno, vidljivo i infracrveno područje spektra. Isprekidanim linijama označene su oblasti u kojima se može ostvariti generacija korištenjem tri tipa prelaza kod gasnih lasera.

73

6.2 Laseri čvrstog stanja

Uže posmatrano, pod laserima čvrstog stanja se podrazumijeva klasa lasera kod kojih se inverzna naseljenost u čvrstom aktivnom tijelu ostvaruje optičkim pumpanjem. Šire gledano, u lasere čvrstog stanja spadaju i poluprovodnički laseri koji najčešće koriste elektronski ili injekcioni način pobuđivanja i laseri sa F-centrima koji se pobuđuju primjenom drugoga lasera.

6.2.1 Laseri čvrstog stanja sa optičkim pumpanjem

U lasere čvrstog stanja sa optičkim pumpanjem spadaju kristalni laseri (npr. rubinski i Nd:YAG laser) i amorfni laseri na bazi stakla (npr. laser na staklu sa neodimijumom). Pošto je aktivna sredina ovih lasera dielektrik (izolator) optičko pumpanje je praktično jedini način da se ona pobudi i ostvari inverzna naseljenost. Optičko pumpanje smo detaljno razmotrili u odjeljku 3.4. Koeficijent korisnog djelovanja ovoga pumpanja je vrlo mali (1−3%). Tipičan primjer spektra zračenja bljeskalice koja se koristi za optičko pumpanje lasera čvrstog stanja predstavljen je na slici 6.2.

Slika 6.2 – Spektar zračenja tipične impulsne ksenonske bljeskalice.

Kao što vidimo, spektralna oblast je dosta široka, što znači da i aktivna sredina treba da apsorbuje zračenje u što široj oblasti spektra. Pored toga, inverznu naseljenost treba ostvariti na prelazu koji ima što manju spektralnu širinu, kako bi lasersko zračenje imalo što veću monohromatičnost. Laserski prelazi treba da budu dovoljno oštri (tj. sa dovoljno velikim presjekom σ ), a neradijacioni kanali relaksacije dovoljno slabi (tj. sa dovoljno velikim vremenom života τ ). Za takve prelaze je granična brzina pumpanja dovoljno mala [ ( )pc 1/W στ∝ za laser sa četiri nivoa – vidjeti jednačine (5.10) i (5.11)]. U manjoj ili većoj mjeri ove osobine zadovoljavaju aktivne sredine koje se sastoje od kristala ili stakla kao matrice, dopirane jonima prelaznih metala [npr. prelazni elementi grupe željeza čiji je redni broj elementa u periodnom sistemu 21−30 (tu spadaju i hrom, mangan, željezo, kobalt, nikl, bakar, cink itd.)] ili jonima elemenata rijetkih zemalja [lantanidi (58−71) i aktinidi (90−103)]. Upravo ovi joni primjesa predstavljaju aktivne elemente (oni su aktivator) sa širokim rezonantnim apsorpcionim trakama. Pored toga, unutrašnje ljuske jona aktivatora su nepopunjene, a elektroni u vanjskim ljuskama ekraniraju električno polje susjednih jona kristalne rešetke matrice i time smanjuju širenje spektralnih linija aktivnih jona. Posljedica toga je porast koeficijenta pojačanja i lakše postizanje inverzije naseljenosti. Koncentracija jona aktivatora u matrici je obično manja od 1%. Optimalna koncentracija se određuje na osnovu dva kontradiktorna zahtjeva. S jedne strane, sa povećanjem koncentracije povećava se broj čestica koje učestvuju u procesu generacije laserskog zračenja, a time i koeficijent pojačanja zračenja, a sa druge strane dolazi do povećanja međusobne interakcije aktivnih jona, čime se smanjuje vrijeme života elektrona na metastabilnim nivoima jona.

74

Pri izboru materijala matrice treba obratiti pažnju na to da ona treba da zadovolji slijedeće osobine: (i) dobra prozračnost (kako za lasersko zračenje, tako i za svjetlost bljeskalice), (ii) hemijska stabilnost i mehanička čvrstoća (da bi se omogućila dugotrajnost aktivne sredine), (iii) termička stabilnost i pri visokim temperaturama koje nastaju pri velikoj snazi laserskog zračenja i pumpanja (to je povezano i sa potrebom da koeficijent toplotne provodljivosti bude visok), (iv) optička homogenost (razne nehomogenosti u rezonatoru predstavljaju centre rasijanja svjetlosti, što znatno povećava gubitke), (v) mogućnost mehaničke i optičke obrade i nanošenja potrebnih slojeva za ogledala, (vi) mogućnost izrade matrica velikih dimenzija, (vii) tehnologija proizvodnje mora biti što jednostavnija da bi se omogućila masovna proizvodnja. Ovako veliki broj zahtjeva koji se postavljaju na osobine aktivnih sredina znatno smanjuje broj sredina koje se uspješno primjenjuju u praksi. Spomenut ćemo neke od njih. 6.2.1.1 Rubinski laser

To je laser sa čijom pojavom se povezuje nastanak laserske tehnike. I pored toga što je to bio prvi otkriveni laser [T. H. Maiman (Mejman), 1960. godine], on se i danas primjenjuje. Rubin, stotinama godina poznat kao prirodni dragi kamen, ustvari je kristal (korund) kod koga su neki joni aluminijuma Al zamijenjeni jonima hroma

2 3Al O3+ 3Cr + . Kristali rubina koji se primjenjuju kao aktivni

elementi lasera obično se dobijaju vještački – iz smjese Cr O2 3 (0,05%; povećanjem koncentracije boja rubina se mijenja od svijetloružičaste do tamnocrvene) i Al . Energetski nivoi rubinskog lasera su nivoi jona C

O2 3

r3+ u rešetki kristala Al . Na slici 6.3 pojednostavljeno su predstavljeni nivoi bitni za lasersku generaciju. Rubinski laser ima dvije osnovne apsorpcione pruge 4 i 4 , čiji centri su na talasnim dužinama 0,55 (zelena) i (ljubičasta).

O2 3

F1 2F μm 0,42 μm

41F

42F

2 22 2

gAE

gE⎫ =⎪⎬ =⎪⎭

1R 2R

42 4F g =

Slika 6.3 – Energetski nivoi rubinskog lasera.

Prelazi sa tih traka na gornje laserske nivoe 2E (2 A i E ) su neradijacioni i brzi ( ). Pošto su nivoi

710 s−∝2 A i E međusobno povezani brzom ( ) neradijacionom relaksacijom, njihova

naseljenost se termalizuje (rastojanje nivoa

910 s−∝2 A i E je malo u poređenju sa , tako da su njihove

naseljenosti uporedljive, iako je naseljenost nivoa Bk T

E veća). Laserska generacija se može dobiti na dva prelaza R (1 1 0,6943 μmλ = ) i (R2 2 0,6928 μmλ = ) sa nivoa E i 2 A na osnovni nivo 4

2A . Generacija na liniji 1R je dominantna. Na osnovu toga što je:

75

( )1 2

2B

0,58 za 77 K (tečni azot)/ exp

0,87 za 300 K (sobna temperatura)R R

EA

h TN N

Tk T

ν ν⎡ ⎤− =⎧⎢ ⎥= − = ⎨ =⎢ ⎥ ⎩⎣ ⎦,

zaključujemo da se za nivo E prije postiže inverzna naseljenost i laserska emisija. Pošto brzi relaksacioni proces održava Boltzmannovu raspodjelu između nivoa E i 2 A , smanjenje naseljenosti donjeg nivoa uslijed laserske emisije brzo se nadoknađuje sa gornjeg nivoa. Naseljenost donjeg nivoa ostaje uvijek veća od naseljenosti gornjeg, pa zbog toga i imamo lasersku emisiju sa nižeg nivoa E . Linija koja odgovara prelazu 1R je homogeno proširena, pri čemu je širenje uzrokovano interakcijom jona Cr3+ sa fononima rešetke ( 0 330 GHzνΔ = 1). Srednje vrijeme života za liniju R je 3 ms, dok je za

2

1R τ = 2 9, ms (podaci se odnose na sobnu temperaturu, a za temperaturu tečnog azota T = 77 K je τ = 4 3, ms). Obadva nivoa 2 A i E su dvostruko degenerisana. Osnovni nivo 4

2 sastoji se od dva dvostruko degenerisana nivoa. Pri tome je razmak tih nivoa toliko mali da se može uzeti da se radi o jednom nivou sa degeneracijom . Ako se i nivo 2

A

4g = E posmatra kao jedan četverostruko degenerisani nivo, tada se rubinski laser može posmatrati kao laser sa tri nivoa koji smo analizirali ranije [pri tome nivoi 2E i 4 između kojih se odvija prelaz imaju istu degeneraciju]. 2A Rubinski laser uglavnom radi u impulsnom režimu. Za pumpanje se koriste impulsne ksenonske lampe srednjeg pritiska ( ). Prečnik laserskog štapića je obično 5−10 mm, a dužina 5−50 cm. U režimu modulacije dobrote snaga rubinskog lasera pri impulsu trajanja 10−20 ns je 10−50 MW (snaga može biti i veća u režimu sinhronizacije modova, o čemu je bilo više riječi u prethodnom poglavlju; vrijeme trajanja impulsa 10 ps daje snagu reda veličine nekoliko GW). Pri pumpanju živinom lampom visokog pritiska rubinski laseri mogu raditi i u neprekidnom režimu (snaga je reda 100 mW). Laseri koji rade u neprekidnom režimu se obično hlade posebnim sistemom za hlađenje. Pošto rubinski laser obično radi po šemi tri nivoa njegova granična energija pumpanja je za red veličine veća nego kod lasera koji rade po šemi četiri nivoa (npr. Nd:YAG – upravo taj laser u zadnje vrijeme sve više potiskuje rubinski). I pored toga, rubinski laser se još uvijek primjenjuje u nekim naučnim istraživanjima, npr. u impulsnoj holografiji i pri mjerenju rastojanja (uključujući i laserske daljinomjere za vojne svrhe).

47 10 Pa∝ ⋅

6.2.1.2 Laseri na bazi rijetkih zemalja. Neodimijumski laseri

Pod laserima na bazi rijetkih zemalja podrazumijevamo lasere kod kojih se kao aktivna sredina koriste elementi rijetkih zemalja: neodimijum, disprozijum, samarijum, erbijum, holmijum i prazeodijum. Ovi laseri rade po šemi četiri nivoa, a kao matrica obično služi granat ili staklo. Sadržaj aktivatora u matrici iznosi od 0,5% do 1%. Najpoznatiji predstavnici ovih lasera su neodimijumski laseri: Nd:YAG laser i Nd:staklo. Aktivna sredina Nd:YAG lasera [otkrio ga je J. E. Geusic (Gejsic) sa saradnicima 1964. godine] je kristal itrijum-aluminijum-granat Y A [skraćeno se označava YAG (yttrium aluminium garnet)] kod koga je dio jona Y zamijenjen jonima neodimijuma Nd . Nd:staklo laser je silikatno ili fosforno staklo aktivirano jonima Nd . Neodimijumski laseri generišu zračenje na više talasnih dužina. Najizrazitija i najčešće korištena linija je sa talasnom dužinom

. Na slici 6.4 je predstavljena pojednostavljena šema energetskih nivoa Nd:YAG lasera (energetsku šemu nivoa Nd:staklo lasera ne prikazujemo jer je slična šemi Nd:YAG lasera; kristalno polje granata ima mali uticaj na posmatrane energetske nivoe, tako da se oni malo razlikuju od energetskih nivoa Nd u staklu). Dvije osnovne pruge pumpanja su na talasnim dužinama 0,73 i

l O3 5 123+ 3+

3+

1,06 μm

3+ μm 1 Ponekad se u literaturi frekvencija izražava u cm−1 (dimenzija talasnog broja k). To je frekvencija koja odgovara

0 1 cmλ = , tako da je 1 cm−1 ekvivalentan . 1 cm−1 hν103 10 Hzν = ⋅ može se shvatiti i kao mjera energije fotona čija je frekvencija , a energija 0,124 meV. Konkretno, za rubinski laser je: . Širina linije, izražena kao interval talasnih dužina, za rubinski laser je: .

10 330 GHz 11 cmν −Δ = =103 10 Hz⋅

20 0 0 / 0,53 nmcλ λ νΔ = Δ =

76

0,8 μm . Te pruge su brzim neradijacionim prelazima povezane sa nivoom 4 . Prelaz 4 odgovara generaciji laserskog zračenja talasne dužine 1,06 . Niži laserski nivo 4 je brzim neradijacionim prelazom povezan sa osnovnim stanjem 4 . Pošto je razlika energija nivoa

3 2F / 3 24

11 2F I/ /→μm 11 2I /

9 2I /4

11/ 2I i 4

9 / 2I gotovo za red veličine veća od , slijedi da neodimijumski laser radi po šemi četiri nivoa. Kao i kod rubinskog lasera linija laserskog prelaza je homogeno proširena (Δ

Bk Tν0 195= GHz,

Δλ0 0 73= , nm pri T = 300 K ). Vrijeme života gornjeg laserskog nivoa je τ = 0 23, ms. Nd:YAG laser može da radi i u neprekidnom i impulsnom režimu.

Slika 6.4 – Pojednostavljena šema energetskih nivoa neodimijumskog lasera.

Za rad u impulsnom režimu primjenjuju se ksenonske lampe srednjeg pritiska ( ) , a za rad u neprekidnom režimu obično se koriste kriptonske lampe visokog pritiska ( )

6 6 20 104, − ⋅ Pa4 6 105− ⋅ Pa .

Dimenzije laserskog štapića su slične onima kao kod rubinskog lasera, a sistemi koji se koriste za pumpanje su predstavljeni na slikama 3.3b,c i 3.4 (linearne lampe sa eliptičnim reflektorom). Izlazna snaga Nd:YAG lasera u neprekidnom režimu bez pojačavača je do 150 W, a nakon jedne kaskade pojačanja do 700 W. U impulsnom režimu rada sa modulacijom dobrote izlazna snaga je do 50 MW, a u režimu sa sinhronizacijom modova dužina trajanja impulsa je reda veličine 10 ps. I u impulsnom i u neprekidnom režimu tangencijalna efikasnost je 1−3%. Nd:YAG laseri se primjenjuju u različitim oblastima: za industrijsku obradu materijala (pri radu u neprekidnom i impulsno-periodičnom režimu), za mjerenje rastojanja i u hirurgiji. Nd:staklo laser [otkrio ga je E. Snitzer (Snicer) 1961. godine] je po svojim osobinama komplementaran Nd:YAG laseru. Oni rade na istom principu, a njihove osnovne razlike potiču od razlika materijala matrice. Stakla imaju izotropne osobine i mogu da se dopiraju sa velikom homogenošću i do velikih koncentracija (pri koncentracijama većim od 5% dolazi do smanjenja pojačanja uslijed neradijacionih deekscitacija gornjeg laserskog nivoa). Aktivna sredina od stakla može biti različitih oblika i dimenzije joj mogu biti znatno veće od dimenzija kristala (izrađuju se stakleni cilindri dužine nekoliko metara i prečnika nekoliko desetina centimetara). Stakla imaju znatno nižu temperaturu topljenja od kristala, tako da ih je lakše dobiti i jeftinija su. Nedostatak stakala je što imaju malu toplotnu provodljivost (za red veličine manju od kristala), tako da Nd:staklo laseri ne mogu raditi u neprekidnom režimu. U impulsno-periodičnom režimu postoji neodimijumski laser sa fosfatnim staklom, čija frekvencija impulsa je 100 Hz∝ , a srednja snaga 20 W. Po pravilu, većina Nd:staklo lasera radi u impulsnom režimu. U režimu sa modulacijom dobrote izlazni parametri Nd:staklo i Nd:YAG lasera su približno isti (pri istim dimenzijama aktivne sredine), a sinhronizacijom modova mogu se dobiti vrlo kratki impulsi – reda veličine ps. Mogućnost dobijanja ovako kratkih

0,8 μm 1,06 μm

0,73 μm

49/ 2I

411/ 2I

43/ 2F

4 43/ 2 7 / 2,S F⎡ ⎤⎣ ⎦

4 45/ 2 9 / 2,F H ⎡ ⎤⎣ ⎦

77

impulsa je povezana sa time da je emisiona linija jona u staklima znatno šira ( ) nego u kristalima. Joni u kristalnoj rešetki su pravilno raspoređeni, dok su u staklima aktivni joni okruženi jonima koji su nehomogeno raspoređeni. Pošto širina emisione linije jona zavisi od lokalnog polja, a ono varira od jednog do drugog mjesta u staklu, širina linije laserskog prelaza je znatno veća u staklu nego u kristalu. Veća širina linije znatno povećava prag za lasersku emisiju jer je potrebna veća inverzija da se postigne željeno pojačanje [

20 40 nm∝ −

( )0,N g N N 0/γ σ ν ν ν= Δ ∝ Δ ∝ Δ Δ , vidjeti zadatak]. S druge strane, šira laserska linija omogućava pojačavanje kraćih svjetlosnih impulsa, jer je minimalna moguća dužina trajanja pojačanja svjetlosnog impulsa obrnuto proporcionalna širini linije [vidjeti (2.31) (0 1/ 2 nm )ν πτΔ ∝ i (2.35) ( )0,c c1/ν πτΔ ∝ ]. Pored toga, moguće je akumulirati veće količine energije u aktivnoj sredini sa istim linearnim koeficijentom pojačanja. Uzimajući u obzir i to da se stakla mogu proizvoditi u vidu velikih šipki (ili blokova), zaključujemo da se sa Nd:staklo laserima mogu postići energije i snage znatno veće od onih kod Nd:YAG lasera, što se primjenjuje u eksperimentima termonuklearne fuzije (moguće je postići energije od nekoliko stotina kJ i snage od nekoliko stotina TW). Pored neodimijumskih postoji i veliki broj drugih lasera na bazi rijetkih zemalja. Oni se manje koriste iz više razloga: ili imaju malu kvantnu efikasnost, ili rade samo na kriogenim temperaturama, ili ih je teško napraviti, lako se oštećuju itd. Proizveden je laser na bazi LiYF sa dodatkom prazeodijuma (Pr) do 0,2%, koji radi u plavoj oblasti spektra pri sobnim temperaturama. Interesantan je i laser na bazi jona disprozijuma Dy u CaF jer u zavisnosti od temperature može da radi kao sistem sa tri ili četiri nivoa (pri temperaturi tečnog helijuma ovaj laser ima sve prednosti lasera sa četiri nivoa, a pri tako niskoj temperaturi i spektralna širina laserskog prelaza je veoma mala, što znači da je pojačanje veliko, pa laserski sistem može da se pobuđuje sa veoma slabim svjetlosnim izvorom).

4

2+2

Navedeni laseri uglavnom rade na fiksnim talasnim dužinama. Npr., Nd:YAG laser emituje zračenje talasne dužine 1,064 , dok je talasna dužina neodimijumskog lasera sa silikatnim staklom

, a sa fosfatnim staklom 1,054 . Talasna dužina Nd:YLF lasera je 1,053 za polarizovano, a 1,047 za nepolarizovano zračenje. U zadnje vrijeme sve veći značaj ima jedna nova klasa lasera čvrstog stanja kod kojih talasna dužina nije fiksna, već se može podešavati. Tu spadaju aleksandritni laser (BeAl sa primjesama hroma; talasna dužina mu se može podešavati u opsegu od 0,701 do 0,8 ), safirni sa primjesama titana Ti ; ) i fosteritni sa primjesama hroma (C

μm1,062 μm μm μm

μm

O2 4

26 μm :Al O2 3 0,7 -1 μmr:Mg SiO2 4 ; ). Ovi laseri su ozbiljna konkurencija laserima na bazi

organskih boja jer su pogodniji za upotrebu. 0,7 -1,1 μm

6.2.2 Poluprovodnički laseri

6.2.2.1 Uvod. Fizikalne osobine poluprovodničkih lasera

Iako se prema agregatnom stanju aktivne sredine poluprovodnički laseri ubrajaju u lasere čvrstog stanja, njihove fizikalne osobine su bitno različite od osobina ostalih lasera čvrstog stanja, tako da se često smatraju za posebnu vrstu lasera. Za poluprovodnike se obično ne govori o valnim funkcijama i energetskim nivoima odvojenih atoma ili molekula, već o valnoj funkciji kristala kao cjeline i o energetskim zonama (energetska zona je skup velikog broja energetski vrlo bliskih stanja). Energetski spektar poluprovodnika (slika 6.5a) sastoji se od valentne zone (V) i provodne zone (C – od engleske riječi: conduct – provoditi) koje su razdvojene zabranjenom zonom (oblast zabranjenih vrijednosti energija, širine , koja se za različite poluprovodnike kreće od 0,001 eV do 3 eV). Prema Paulijevom principu u svakom energetskom stanju mogu se nalaziti samo dva elektrona (sa suprotnim spinovima). Raspodjela vjerovatnoće zaposjednuća (popunjenosti) stanja sa energijom E, pri temperaturi T, određena je Fermi-Diracovom funkcijom raspodjele:

gE

78

Slika 6.5 – Šematski prikaz zona u poluprovodniku i princip rada poluprovodničkog lasera.

( ) ( ){ } 1

F B, 1 exp /f E T E E k T−

= + −⎡ ⎤⎣ ⎦ , (6.1)

gdje je tzv. Fermijeva energija, koja određuje granicu između popunjenih i nepopunjenih nivoa pri temperaturi T = 0 K [

FE( ) 10,F =< EEf , ( ) 2/10,F == EEf , ( ) 00,F => EEf ; pri valentna

zona je popunjena (štrafirana oblast na slici 6.5a), a provodna prazna, tako da se poluprovodnik ponaša kao izolator]. Pretpostavimo da su (pri

0 KT =

0 KT = ) elektroni na neki način prevedeni iz valentne u provodnu zonu. Unutar provodne zone elektroni se za vrlo kratko vrijeme (10 ) rasporede na najniže nivoe i ta zona je popunjena do nekog nivoa

13− s

cc FE E′= (vidjeti sliku 6.5b). Analogno se rasporede i elektroni u valentnoj zoni do nekog nivoa

vv FE E′= , a iznad toga nivoa (do vrha valentne zone) ostaju šupljine. Između valentne i provodne zone pojavljuje se inverzija naseljenosti. Parovi elektron-šupljina predstavljaju pobuđena stanja. Elektroni iz provodne zone prelaze nazad u valentnu zonu (taj proces se naziva rekombinacija para elektron-šupljina), emitujući pri tome foton. Ako se takav poluprovodnik smjesti u odgovarajući rezonator, stimulisani prelazi, uslovljeni rekombinacionim zračenjem, dovešće do laserske generacije. Kod poluprovodnika sa direktnim prelazima [tzv. poluprovodnici prvoga reda – npr. GaAs – galijum arsenid (R. N. Hall 1962. godine)], koji se odvijaju bez učešća fonona (kvanata oscilovanja kristalne rešetke), vrijeme prelaza je vrlo kratko (10 1012 10− −− s), tako da je i pojačanje u takvom poluprovodniku vrlo veliko [ 1/γ τ∝ , vidjeti jednačine (2.47), (2.52) i (2.58)]. Kod poluprovodnika drugoga reda (npr. silicujuma) sa indirektnim prelazima, uz učešće fonona, vrijeme prelaza je sporo i takvi poluprovodnici su manje pogodni za realizaciju poluprovodničkog lasera. Na osnovu slike 6.5b, zaključujemo da frekvencija ν laserskog zračenja zadovoljava uslov:

g c vE h E Eν< < − . (6.2)

Ovaj uslov je ispunjen i za . Pri se unutar svake zone uspostavlja termodinamička ravnoteža i vjerovatnoće popunjenosti valentne

0T > 0T >vf i provodne cf zone zadovoljavaju (svaka za sebe)

jednačinu (6.1), pri čemu umjesto Fermijeve energije trebaju staviti tzv. energije Fermijevih kvazinivoa (za

FE

vE vf ) i (za ). Vrijednosti i zavise od broja elektrona koji su pumpanjem prevedeni u provodnu zonu. Uslov za nastajanje laserske generacije je da broj stimulisanih prelaza bude veći od broja apsorpcija. Vjerovatnoća oba ta procesa je proporcionalna proizvodu broja fotona q u rezonatoru i (Einsteinovog) koeficijenta b rezonantnog prelaza. Pored toga, brzina stimulisane emisije je proporcionalna proizvodu vjerovatnoće naseljenosti gornjeg nivoa i vjerovatnoće

cE cf vE cE

cf

79

naseljenosti donjeg nivoa v1 f− i, analogno, brzina apsorpcije je proporcionalna sa (v 1 )cf f− , tako da se uslov za lasersku generaciju može napisati kao:

, (6.3) ( ) ( )c v v c1 1qb f f f f− − − >⎡⎣ 0⎤⎦

v

što se svodi na uslov cf f> . Uzimajući u obzir jednačinu (6.1), taj uslov se svodi na:

c v 2 1E E E E hν− > − = , gdje su i energije gornjeg i donjeg nivoa, respektivno. Dakle, zaključujemo da uslov za lasersku generaciju

2E 1E

c vE E hν− > vrijedi i za temperaturu i da je u saglasnosti sa zahtjevom da proces stimulisane emisije nadvladava proces apsorpcije.

0 KT >

Danas se uglavnom primjenjuju poluprovodnički laseri na osnovi kristala sa direktnim prelazima. Iako je dobijena stimulisana emisija i iz nekih kristala sa indirektnim prelazima (GaP, Ge, Si itd.), dobijeno lasersko zračenje nije bilo dovoljno snažno. Laseri sa direktnim prelazima međusobno se razlikuju po načinu ostvarivanja inverzije naseljenosti. Postoje četiri osnovne grupe: poluprovodnički laseri na p-n prelazu – tzv. injekcioni ili ubrizgavajući laseri, poluprovodnički laseri sa optičkim pumpanjem, laseri sa elektronskom pobudom i laseri sa direktnim električnim pobuđivanjem, tj. sa lavinskim probojem. Injekcioni laseri mogu biti homostrukturni i heterostrukturni, u zavisnosti od toga da li se za ostvarenje p-n prelaza koristi jedan ili više poluprovodnika. 6.2.2.2 Injekcioni p-n laser

Poluprovodnik n-tipa se dobija tako što se čistom poluprovodniku dodaju određene primjese (nečistoće) – tzv. donori, koji lako predaju elektrone u blizinu dna provodne zone. Analogno, poluprovodnik p-tipa se dobija dodavanjem akceptora – atoma koji lako primaju elektrone iz blizine gornjeg kraja valentne zone. Povećanjem stepena legiranja (sa koncentracijom donora ili akceptora većom od ) u poluprovodniku izrađenom u vidu diode sa p-n prelazom, može se postići inverzija naseljenosti u oblasti prelaza. Kada p-n dioda nije priključena na vanjski napon (slika 6.6a) elektroni “teku” sa n-strane ka p-strani sve dok se ne uspostavi potencijalna barijera koja sprječava dalji tok elektrona. Pri tome Fermijev nivo

18 310 atoma/cm

BU

pp FE E= poluprovodnika p-tipa, koji je u

valentnoj zoni, i Fermijev nivo nn FE E= poluprovodnika n-tipa, koji je u provodnoj zoni, imaju iste

vrijednosti.

Slika 6.6 – Princip rada p-n lasera bez (a) i sa (b) priključenim naponom U. Sa p-n je označena oblast p-n prelaza.

80

Ako se na p-n spoj priključi napon V koji snižava potencijalnu barijeru (slika 6.6b), nivoi se pomjeraju za , u oblast p-n prelaza se injektiraju elektroni iz provodne zone poluprovodnika n-tipa i šupljine iz valentne zone poluprovodnika p-tipa i tako se u toj prelaznoj oblasti stvara inverzija naseljenosti. Napon je npr. za homostrukturni GaAs laser . Laserski p-n spojevi se najčešće ostvaruju tehnikom difuzije nečistoća. Npr., u GaAs akceptor (obično cink Zn) je difundovan u n-supstratu u koncentraciji od

E eVΔ =

g/V E e E= Δ ≈ / e 1,5 VV ≈

17 310 cm− do 18 36 10 cm−⋅ . Pored difuzione tehnike, postoje i druge alternativne metode za realizaciju p-n lasera koje koriste epitaksijalnu tehniku rasta iz rastvora ili para [epitaksija je formiranje (rast) monokristala jednoga materijala na drugome (iz drugoga), pri čemu je orjentacija monokristala ista]. Za takve p-n lasere je nađeno da je prag za lasersku emisiju na sobnoj temperaturi tri puta niži od praga za difuzione p-n lasere. Za efikasan rad p-n lasera neophodno je dobro hlađenje zato što prag gustoće struje za lasersku emisiju bitno zavisi od temperature. Za homostrukturni poluprovodnički laser, u slučaju GaAs na sobnoj temperaturi, ta gustoća struje je . Snižavanjem temperature veličina 510 A/cm2 ( )c 1 vf f− se povećava, a veličina

(v 1 )cf f− smanjuje, tako da veličina (6.3), koja je proporcionalna pojačanju lasera, raste. Odatle slijedi da homostrukturni laseri mogu raditi u neprekidnom režimu samo pri niskim temperaturama, što predstavlja ograničenje na primjenu toga tipa lasera. Da bi se otklonio taj nedostatak koriste se heterostrukturni laseri, o kojima će kasnije biti više riječi.

Slika 6.7 – Šematski prikaz p-n lasera.

Na slici 6.7 šematski je prikazan p-n laser sa naznačenim dimenzijama. Pošto poluprovodnici imaju veliki indeks prelamanja (npr., 3,6n = za GaAs) to je i Fresnelova refleksija

( ) ( ) 21 / 1R n n= − + na površini poluprovodnika dovoljno velika (za GaAs je ), tako da je za

ostvarenje laserskog rezonatora dovoljno da se dvije nasuprotne paralelne strane poluprovodnika ispoliraju (pri tome se obično na jednu stranu nanese 100% refleksioni sloj). Bočne strane se namjerno grubo izrađuju da bi se spriječilo oscilovanje normalno na osu rezonatora. Širina aktivne oblasti je mala ( ), tako da uslijed difrakcije dolazi do velike divergencije laserskog zračenja (u poređenju sa drugim tipovima lasera). Poprečne dimenzije snopa su znatno veće (

0,32R =

1 μm∝40 μm∝ ) od dimenzija aktivne

oblasti. Prema tome, laserski snop prodire duboko u p i n-oblasti gdje se djelimično apsorbuje jer je u tim dijelovima poluprovodnika inverzna naseljenost mala. Razvojem heterostrukturnih lasera smanjen je uticaj ovoga problema. Npr., sa dvoslojnim heterostrukturnim laserom [tzv. DH laser – double heterostructure laser; postoje i SH laseri (S – single) – jednoslojni] snižen je prag gustoće struje sa

81

5 210 A/cm na za GaAs laser, pri sobnoj temperaturi. Tako veliko smanjenje gustoće struje je uslovljeno kombinovanim djelovanjem triju efekata. Kod heterostrukturnih lasera se materijali različitih indeksa prelamanja stavljaju u blizinu p-n spoja. Indeks prelamanja aktivnog materijala (npr. GaAs: ) je obično veći od indeksa prelamanja dodatog materijala (npr.,

310 A/cm2

3,6n = 0,3 0,7Al Ga As : 3, 4n = ) što dovodi do formiranja strukture u vidu optičkog talasovoda u kome je skoncentrisano lasersko zračenje (nema više prodiranja zračenja u p i n oblasti kao na slici 6.7). Pored toga, širina zabranjene zone dodatog materijala (npr., 0,3 0,7Al Ga As : 1,8 eV∝ ) je znatno veća od širine zabranjene zone aktivnog materijala (npr., Ga ) što dovodi do formiranja energetske barijere koja zadržava injektirane elektrone i šupljine u aktivnom sloju. Treći efekat se odnosi na poboljšanje odvođenja toplote postavljanjem podloge od GaAs na bakarnu ili olovnu pločicu, čime se rješava već pomenuti problem u vezi sa temperaturnom zavisnošću gustoće struje praga.

As : 1,5 eV∝

Širina spektralne linije poluprovodničkih lasera je obično reda veličine 1 nm. Talasne dužine poluprovodničkih lasera prekrivaju dijapazon od 0,3 μm∝ do 30 μm∝ . Danas se najviše koriste GaAs laser ([ 0,84 μmλ = ; u zavisnosti od koncentracije nečistoća i temperature je

]. Pri sobnoj temperaturi i neprekidnom režimu generacije njegova izlazna snaga je 5–10 mW, pri tangencijalnoj efikasnosti

( )0,83 0,91 μmλ = −10%∝ . Za poluprovodnike se pored tangencijalne

efikasnosti često razmatra i unutrašnja kvantna efikasnost, koja predstavlja dio od ukupnog broja injektiranih nosilaca koji rekombinacijom daje zračenje (ova efikasnost dostiže i 70%). Dakle, poluprovodnički laseri spadaju među najefikasnije lasere. Primjenom metoda sinhronizacije modova mogu se dobiti vrlo kratki impulsi (npr. za GaAs laser impulsi 5 ps∝ ). Za poluprovodničke lasere se ponekad koriste i trojna jedinjenja, npr. ( )Ga As P1-x x . Ovi laseri rade u dijapazonu od (pri

) do (pri ). To znači da se, mijenjajući sastav poluprovodnika, može neprekidno mijenjati i talasna dužina izlaznog zračenja. Primjene poluprovodničkih lasera su mnogobrojne. GaAs laseri se koriste u optičkim sistemima veza sa optičkim talasovodima. GaAs laseri imaju dug vijek rada (npr. DH laser može da radi neprekidno milion sati). Poluprovodnički laseri koji rade u IC području također imaju veliku primjenu (npr. laseri sa

0,84 μm0x = 0,64 μm 0, 4x =

1,3 μmλ = ili 1,6 μmλ = ; ove talasne dužine su izabrane zato što talasovodi od kvarcnog stakla imaju minimalne gubitke pri tim talasnim dužinama). Laseri na bazi InP mogu da rade na talasnim dužinama od 0,92 μmλ = do 1,5 μmλ = . Pored toga, razvijeni su i poluprovodnički laseri kod kojih se kao aktivna sredina koriste soli olova i koji emituju u srednjem IC području [npr.: 1-PbS Sex x ( )4 8,5 μm− , i

]. Ovakvi laseri rade pri niskim temperaturama (1-Pb Sn Tex x ( )6,5 32 μm−

1-Pb Sn Sex x (9 30 μm− ) T ≈ 77 K u slučaju neprekidne generacije). Pošto se talasna dužina takvih lasera može kontrolisano mijenjati izmjenom vanjskih faktora (npr. magnetnog polja, hidrostatičkog pritiska ili jačine struje na diodama) oni se primjenjuju u IC spektroskopiji.

6.2.2.3 Druge tehnike pobuđivanja poluprovodničkih lasera

Inverzna naseljenost u poluprovodniku se može postići i optičkim pumpanjem. Poluprovodnik se osvjetljava zračenjem sa energijama fotona većim od energije zabranjene zone gE . Energija apsorbovanih fotona se troši na prevođenje elektrona iz valentne u provodnu zonu. Za optičko pobuđivanje obično se koristi drugi laser, tako da se tu ustvari radi o konverziji laserskog zračenja jedne frekvencije u lasersko zračenje druge frekvencije. Npr., GaAs laser se koristi za pobudu InSb i InAs lasera, za pumpanje GaAs lasera se može koristiti dvofotonska apsorpcija zračenja , CdS laser se pumpa rubinskim laserom itd. Problem ovakvog načina pumpanja je što je potrebno naći izvor pobuđivanja sa energijom fotona bliskom

Nd3+

gE , što nije lako.

82

Pobuđivanje se može postići i pomoću mlaza elektrona (tzv. laseri sa elektronskom pobudom). Površina poluprovodnika se bombarduje mlazom visokoenergetskih elektrona (≥ ). Ovi elektroni prodiru nekoliko mikrometara u poluprovodnik, predajući mu dio svoje energije. Ta energija se troši na stvaranje parova elektron-šupljina (potrebna je 2–4 puta veća energija od

20 keV

gE da se stvori takav par). Jednim upadnim elektronom može da se stvori oko 10 000 parova koji doprinose stvaranju inverzne naseljenosti. Četvrti način pobuđivanja poluprovodničkih lasera je tzv. lavinski proboj, koji se zasniva na principu djelovanja jakog električnog polja. Elektroni ili šupljine, ubrzani električnim poljem, mogu da izvrše jonizaciju u zabranjenoj zoni i tako stvore par elektron-šupljina. Dakle, kada se poluprovodnik izloži djelovanju jakog električnog polja, u njemu se pojavljuje dopunska koncentracija elektrona u provodnoj zoni i šupljina u valentnoj zoni i moguće je ostvariti inverznu naseljenost. Međutim, postoje teškoće (veliko zagrijavanje kristala) koje ograničavaju upotrebljivost ovoga načina pobude samo za impulsne laserske sisteme. 6.2.3 Laseri sa F-centrima

F-centri (od njemačke riječi: Farbzentren – obojeni centri) su defekti u strukturi kristala, koji nastaju lokalizacijom elektrona u blizini vakantnih mjesta (vakansija). U materijale sa F-centrima spadaju alkalni kristali kao npr.: LiF, NaCl, KCl, CaF2, , SrF2, zatim Al itd. Uslijed odsustva atoma ili jona u kristalnoj rešetki sa mjesta na kojem bi se morao nalaziti (to je vakansija u kristalu), stvaraju se u zabranjenoim zonama dodatni energetski nivoi i moguće su apsorpcije koje uzrokuju obojenost kristala. F-centri predstavljaju sisteme sa četiri nivoa. Laseri izrađeni na bazi F-centara rade u području . Često se pobuđuju drugim laserom. Primjer lasera sa F-centrima je laser na bazi KF sa centrima tipa F (dvije susjedne vakansije zahvataju jedan elektron) koji daje zračenje u području 1, i sa koeficijentom korisnog djelovanja od 30%. Drugi primjer je laser na bazi KCl:Li (laser sa tzv. F centrom – u kristalu KCl jedan od jona kalcijuma je zamijenjen jonima litijuma), koji se pobuđuje laserom ( ) ili Nd:YAG laserom. Ovaj laser radi na talasnim dužinama i pri niskim temeraturama (77 K). Niske temperature su nužne jer se vrijeme života elektrona na metastabilnom nivou smanjuje sa porastom temperature, a, osim toga, F centri se brzo raspadaju na visokim temperaturama. Sa ovim laserom se postiže veliki koeficijent korisnog djelovanja (∝ 30%), a snaga u neprekidnom režimu rada je .

BaF2 O2 3

0,8 3,3 μm−

2+

26 1, 48 μm− 0,82 1,07 μm−

A

KrF+ 0,647 μm2,5 2,9 μm−

A

1 W∝ 6.2.4 Laseri sa slobodnim elektronima

Ovo je nova i interesantna vrsta lasera kod kojih se elektroni u laseru kreću slobodno (nalaze se u vakuumu) u periodičnom magnetnom polju. Kod tih lasera do procesa stimulisane emisije dolazi uslijed interakcije elektromagnetnog polja sa elektronima (to je tzv. magnetno kočeće zračenje). Talasna dužina generisanog laserkog zračenja zavisi od karakteristika magnetnog polja i energije elektrona, i, u principu, može biti proizvoljna (od IC do UV, pa čak i do rendgenskog područja spektra). Intenzitet zračenja može biti veliki (reda veličine nekoliko ). Generaciju zračenja sa ovom vrstom lasera je teško postići i oni su još u eksperimentalnoj fazi. Koeficijent korisnog djelovanja ovih lasera je mali (manji od 0,5%). Potrebno je poboljšati karakteristike akceleratora elektrona. Primjer lasera sa slobodnim elektronima je eksperimentalni laser sa magnetom širine 5,2 m koji je postavljen između ogledala rezonatora koja se nalaze na rastojanju 12,7 m. Mlaz relativističkih elektrona sa energijom 43 MeV prolazi kroz poprečno magnetno polje toga magneta [tzv. ondulatora (francuski: onde=talas, ondulatoire=talasasti) ili viglera (engleski: wiggle=oscilovati se, savijati se, vijugati)] i pri tome dolazi do stimulisane emisije. Talasna dužina generisanog zračenja je 3,4 , srednja snaga 0,36 W, a maksimalna snaga impulsa 7 kW.

2MW/cm

μm

83

6.3 Tečni laseri

6.3.1 Uvod

Laseri na bazi tečnosti imaju prednosti i nedostatke u poređenju sa drugim vrstama lasera. Tečnosti su, kao i gasovi, optički homogenije od čvrstih tijela, tako da su gubici zračenja manji nego u čvrstim tijelima, u kojima postoje razni defekti u strukturi. Oblik aktivne sredine se može birati po želji nalivanjem tečnosti u sud željenog oblika. U tečnim laserima može se postići ista koncentracija aktivnih čestica kao kod čvrstih tijela, tako da se može dobiti velika energija zračenja po jedinici zapremine aktivnog tijela. Hlađenje aktivne sredine kod tečnih lasera se može postići na jednostavan način – cirkulacijom tečnosti (kroz hladnjak), a pri impulsnom režimu rada može se radna zapremina tečnosti u potpunosti obnoviti. Stabilnost tečnih lasera u odnosu na termička naprezanja je znatno veća nego kod lasera čvrstog stanja. Bitan nedostatak tečnih lasera je vremenska nestabilnost rastvora (već nakon 1–2 mjeseca rada u rastvoru se stvara talog koji bitno smanjuje lasersku emisiju). Tečni laseri sa neorganskim rastvorima su toksični, pa i o tome treba voditi računa. Termo-optički koeficijent tečnosti je veliki, što dovodi do stvaranja termičkih sočiva čiji fokus se mijenja u toku impulsa zračenja, tako da divergencija laserskog zraka može iznositi nekoliko stepeni, a povećani su i gubici. Prvo su otkriveni organometalni ili helatni tečni laseri (1963. godine). Primjer je europijum helatni laser TTA (tenoltrifluoracetonat). Tu je Eu aktivni jon u molekulu organometalnog helata. Helatni molekuli pobuđeni optičkim pumpanjem predaju apsorbovanu energiju (brzim neradijativnim prelazima) ugrađenim jonima europijuma. Time je omogućeno optičko pumpanje spektralno uske linije preko širokih apsorpcionih traka helatnih molekula. Lasersko zračenje talasne dužine

odgovara prelazu sa nivoa 5 na donji laserski nivo 7 (

3+

Eu3+

0,6129 μm 0D 2F τ = 0 5, ms), koji se vrlo brzo prazni neradijativnim prelazima u osnovno stanje. Nedostaci helatnih lasera (zbog kojih oni nemaju veći praktični značaj) je što se mora raditi na niskim temperaturama da bi se dobilo znatnije pojačanje, i što se talasna dužina laserskog zračenja ne može mijenjati kontinuirano (kao kod tečnih lasera sa organskim bojama). Dva osnovna tipa tečnih lasera, koja ćemo detaljnije razmotriti u naredna dva odjeljka, su laseri sa neorganskim tečnostima i laseri sa rastvorima organskih boja. Nedostatak lasera sa neorganskim rastvorima je što se kod njih koriste hemijski agresivne tečnosti i što ne mogu da rade u neprekidnom režimu. Tečni laseri sa organskim bojama su otkriveni slučajno 1966. godine prilikom istraživanja stimulisanog Ramanovog rasijanja u organskoj boji. 1970. godine otkriven je i prvi kontinualni tečni laser sa organskim bojama. Od svih tečnih lasera najvažniji su tečni laseri sa organskim bojama, zbog mogućnosti kontinuiranog mijenjanja talasne dužine laserske emisije. Širina spektralne linije laserskog zračenja je velika ( ), što omogućava konstrukciju lasera koji se mogu podešavati u širokom talasnom području. Izborom organskog jedinjenja postiže se odgovarajuće talasno područje u kojem laser može da zrači, a uključivanjem selektivnih elemenata u rezonator postiže se lasersko zračenje na željenoj talasnoj dužini unutar talasnog područja.

100 nm∝

Tečni laseri se uglavnom pobuđuju optičkim pumpanjem. Njihova snaga u impulsnom režimu je do nekoliko MW. Dužina trajanja impulsa je 1–15 μ kada se pobuđivanje aktivne sredine vrši bljeskalicom, odnosno 10–30 ns ako se pobuda vrši drugim laserom.

s

6.3.2 Neorganski tečni laseri

Od neorganskih tečnih lasera danas se najčešće koriste laseri na bazi rastvorenih soli neodimijuma u neorganskim tečnostima kao što su SeOCl (selenohidroksid) i POCl (fosforoksihlorid) u prisustvu SnCl ili ZrCl . U takvim rastvorima dolazi do hemijskih reakcija tipa

2 3

4 4

84

(6.4) 3+

2 3 4 2 6 23+

2 3 4 3 6 2 3 4

Na O 3 SnCl 3 SeOCl 2 Nd +3 SnCl +3 SeO

Na O 3 SnCl 3 POCl 2 Nd +3 SnCl +3 P O Cl

−−

−−

+ + →

+ + →

itd., na osnovu čega zaključujemo da se i ovdje, kao i kod neodimijumskih lasera čvrstog stanja, koriste emisioni i apsorpcioni spektri jona Nd , tako da se ova vrsta lasera može tretirati kao varijanta neodimijumskih lasera. Dimenzije epruvete sa aktivnom tečnošću (kivete) u jednom primjeru konstrukcije neodimijumskog tečnog lasera su: dužina 152 mm i prečnik 9,3 mm. Tangencijalna efikasnost (ili tzv. diferencijalni koeficijent korisnog djelovanja) ovih lasera je 1–4%. Izlazna snaga u početku raste linearno sa porastom snage pumpanja, a zatim dolazi do povećanja gubitaka i izrazite nelinearnosti. Uzrok tih gubitaka su prostorna nehomogenost pobude i centri boja. Pošto tečnost nije idealno homogena, energija bljeskalice se ne raspoređuje ravnomjerno po njenoj zapremini, što dovodi do stvaranja pozitivnih ili negativnih termičkih sočiva sa relativno malim fokusnim rastojanjima. Takvi gubici rastu sa povećanjem snage pumpanja. Pojava termičkih sočiva je osnovni nedostatak ove vrste lasera i od njihove kompenzacije zavisi praktična primjena ovih lasera. Drugi uzrok gubitaka je pojava centra boja u aktivnoj sredini pri djelovanju svjetlosti bljeskalice. Ovi centri apsorbuju dio zračenja. Kao još jedan nedostatak ovih tečnih lasera treba spomenuti veliku toksičnost rastvarača (naročito ). U tabeli 6.1 upoređene su karakteristike neodimijumskih lasera u čvrstoj (YAG i staklo) i tečnoj aktivnoj sredini.

3+

2SeOCl

Aktivna sredina [ ] μsτ 20 210 cmσ ⎡ ⎤⎣ ⎦ [ ] μmλ

Nd:YAG 240 88,0 1,064 Nd:POCl2:SnCl4 290 9,6 1,051 Nd:SeOCl2:SnCl4 280 7,8 1,055 Nd:staklo (ED-2) 310 4,5 1,061 Nd:staklo (LG-55) 560 2,1 1,058

Tabela 6.1 – Srednje vrijeme života ( )τ , presjek za apsorpciju ( )σ i talasna dužina ( )λ laserske

emisije Nd u različitim aktivnim sredinama. 3+

Apsorpcioni presjek kod tečnosti je 2–3 puta veći od presjeka za stakla, a za red veličine manji od presjeka za YAG kristal, na osnovu čega zaključujemo da je, pri istim uslovima, prag za lasersku emisiju kod tečnosti niži od praga za stakla, a znatno viši od praga za YAG kristal. Neodimijumski tečni laseri se, kao i Nd:staklo laseri, primjenjuju za pojačanje i lasersku emisiju impulsa velikih snaga i energija (npr. pomoću lasera sa aktivnom sredinom tipa u režimu modulacije dobrote dobijena je snaga impulsa od 50 MW). Pošto se tečnosti mogu relativno lako hladiti cirkulacijom, pomoću tečnih lasera se mogu postići visoke frekvencije ponavljanja impulsa, što nije bilo moguće kod stakala koja imaju malu toplotnu provodljivost.

3 4Nd:POCl :ZrCl

6.3.3 Tečni laseri sa organskim bojama

Ovi laseri posjeduju novi kvalitet u poređenju sa ostalim tipovoma lasera – talasna dužina im se može mijenjati kontinuirano u širokom intervalu. Ta mogućnost je posljedica toga što organske boje, za razliku od drugih aktivnih sredina koje imaju relativno uske intervale talasnih dužina laserskih prelaza, imaju fluorescentne trake široke i do 200 nm. Tečni laseri sa organskim bojama svojim zračenjem pokrivaju od bliskog ultraljubičastog do bliskog infracrvenog područja spektra. Organske boje se obično dijele na slijedeće grupe: scintilatori ( 0,35 ), kumarini (0,45 μm− 0,4 0,55 μm− ), ksanteni ( ), oksazini ( 0,6 ) i polimetini (0,5 0,7 μm− 0,8 μm− 0,7 1,1 μm− ). Treba napomenuti da se ova područja spektra stalno proširuju otkrivanjem novih organskih boja. Kao rastvarači organskih boja najčešće se koriste alkohol, benzin i etanol, a interesantno je da se mogu koristiti i plastike sa

85

raspršenom bojom. Kao aktivna sredina najčešće se koriste slijedeće organske boje: rodamin 6G, rodamin B, p-terfenil, kumarin 2, kumarin 6 itd. Na slici 6.8 jepredstavljena strukturna formula rodamina 6G koja ilustruje složenost sastava organskih boja, a na slici 6.9 spektralna karakteristika rodamina 6G rastvorenog u alkoholu (kao rastvarači se mogu koristiti: etil-alkohol, metil-alkohol, voda, dimetil sulfoksid ili polimetilmetakrilat). Sa slike se vidi da se maksimalno zračenje postiže u žuto zelenoj oblasti spektra.

O

H3C

C2H5HN N+HC2H5Cl-

CH3

COOC2H5

Slika 6.8 – Strukturna formula rodamina 6G (ksantenska boja). 0,56 0,58 0,60 0,62 [ ] μmλ

S

Slika 6.9 – Spektar zračenja rodamina 6G (ksantenska boja).

Princip rada lasera sa organskim bojama se može objasniti pomoću energetskog dijagrama molekula organske boje (slika 6.10). Osnovno stanje molekule S0 sastoji se iz niza oscilatornih nivoa odvojenih linijama 1, 2, 3, 4 i 5 sa rastojanjima približno 0,17–0,20 eV. Svaki od oscilatornih nivoa sastoji se od niza rotacionih podnivoa, čije rastojanje je približno 0,0019 eV. Sličnu strukturu imaju i drugi pobuđeni singletni elektronski nivoi (S1 i S2 na slici 6.10). i tripletni nivoi (T1 i T2 ); pogledati objašnjenja elektronsko-vibraciono-rotacionog spektra uz sliku 2.5. Pumpanjem se molekula pobuđuje iz osnovnog stanja ( )0 1S ( )S1 3 u pobuđeno stanje, recimo na nivo . Zatim, brzim neradijativnim

prelazom , označenim isprekidanom strelicom, molekula prelazi u stanje S . Ako postoji inverzna naseljenost između toga nivoa i nekog od podnivoa osnovnog stanja , tada može doći do stimulisanog prelaza, uz emisiju fotona energije h

(10 12− s) 1( )1

0Sν . Na slici je predstavljen stimulisani prelaz u stanje

. Nakon toga, neradijativnim prelazom ( )ps( )S0 3 ( )S0 1∝ , molekule prelaze u osnovno stanje . Odavde proizilazi da organske boje predstavljaju sisteme sa četiri nivoa. Situacija je ipak nešto komplikovanija

86

zbog prisustva tripletnih nivoa. Iako su direktni singlet-tripletni prelazi zabranjeni izbornim pravilima, ipak postoji mogućnost takvih prelaza uslovljena sudarima (tzv. singlet-tripletna konverzija, označena isprekidanim kosim strelicama na slici 6.10). Zato je ekvivalentno vrijeme života stanja ( )S1 1 vrlo kratko , tako da brzina pumpanja treba biti velika. Zato su prvi laseri sa organskim bojama bili pobuđivani rubinskim laserom. Danas se pumpanje može postići i pomoću bljeskalica. Pokazalo se da se uticaj tripletnih stanja, odnosno brzina singlet-tripletne konverzije, može smanjiti dodavanjem pogodnih supstanci rastvoru boje. Snaga lasera sa organskim bojama, pumpanih impulsnim lampama dostiže 100 W, pri koeficijentu korisnog djelovanja od 1%.

( ns∝ )

Slika 6.10 – Karakteristična šema energetskih nivoa molekule organske boje u rastvoru. Singletni nivoi ( su prikazani lijevo od tripletnih )S ( )T .

Kao što smo naglasili na početku ovoga odjeljka, osnovna osobina tečnih lasera sa organskim bojama je mogućnost kontinuiranog mijenjanja talasne dužine laserskog zračenja. To je moguće postići na više načina. Najjednostavnije je to učiniti promjenom koncentracije boje (sa povećanjem koncentracije talasna dužina se pomjera ka većim vrijednostima) ili vrste rastvarača. Talasna dužina laserskog zračenja se može kontinuirano mijenjati i pri fiksiranoj koncentraciji boje upotrebom disperzionog elementa unutar laserskog rezonatora. Disperzioni element može biti prizma ili optička rešetka, čijim zakretanjem se može mijenjati talasna dužina. Vrlo važna osobina lasera sa organskim bojama je i velika širina linije generisanog zračenja (ustvari, ne radi se o liniji, već o traci širine oko 10 nm). Ta osobina omogućava da se metodom sinhronizacije modova ostvare ultrakratki laserski impulsi ( , što su znatno kraći impulsi od onih koji se mogu ostvariti primjenom drugih lasera). 0,03 ps∝ Ove osobine lasera sa organskim bojama (kontinuirana promjena talasne dužine i ultrakratki impulsi) uslovile su njihovu široku primjenu u naučnim istraživanjima i tehnološkim procesima. Nedostaci ovih lasera su razlaganje boje pri optičkom pumpanju i gubici uslijed termičkih sočiva. 6.4 Gasni laseri

Kod gasnih lasera energetski nivoi atoma i molekula su precizno definisani i imaju malu širinu u poređenju sa širinom nivoa lasera čvrstog stanja. Pritisak gasa u laserskim uređajima je obično nizak (nekoliko mm Hg stuba), tako da je sudarno širenje linija veoma malo i glavni doprinos širenju linija potiče od Dopplerovog širenja. Gasni laseri nemaju široke apsorpcione trake, tako da za njih optičko pumpanje nije efikasno. Pumpanje se obično vrši pomoću električnog gasnog pražnjenja, pri čemu je električna struja koja protiče kroz gasove neprekidna ili impulsna. Pored ovoga, primjenjuju se i drugi metodi pumpanja: gasodinamičko širenje gasa, hemijsko pumpanje, optičko pumpanje drugim laserom itd. Gasovi su optički homogeni i male gustoće, tako da su kod njih disperzija i izobličenje svjetlosnog snopa gotovo zanemarljivi. To omogućava da rastojanje između ogledala rezonatora gasnog lasera bude veliko, čime se lakše postiže monohromatičnost i bolja usmjerenost laserskog snopa. Na slici 6.11 je predstavljena šema konstrukcije tipičnog gasnog lasera. Gas je zatvoren u cijev prečnika od nekoliko milimetara do nekoliko centimetara i dužine od nekoliko desetina centimetara do nekoliko metara, na čijim krajevima se nalaze prozori postavljeni pod Brewsterovim (Bruster) uglom

2S

1S

0S

hν1T

2T

4 3 2 1

5 4 3 2 1

87

( )B 2 1arctg /n nθ = 2 ( n je indeks prelamanja materijala prozora, a indeks prelamanja sredine iza prozora). Prozori se postavljaju pod uglom

1n

Bθ da bi se smanjili gubici uslijed refleksija na površinama prozora [za linearno polarizovano zračenje E|| (u ravni crteža) nema gubitaka]. Kod gasnih lasera se obično koriste sferna ogledala (rezonator je stabilan). Mala gustoća gasa predstavlja i nedostatak u odnosu na druge sredine jer je broj pobuđenih atoma gasa po jedinici zapremine manji, tako da je kod gasnih lasera teško postići impulse velike snage.

Bθ

+ -

||E

1n

gas

2n

Slika 6.11 – Šema konstrukcije gasnog lasera.

Gasne lasere ćemo podijeliti na slijedeće grupe: gasni laseri sa neutralnim atomima, jonski laseri, molekularni laseri i hemijski laseri. Svaku od tih grupa ćemo posebno proučiti u narednim odjeljcima. U prvoj od pomenutih grupa laserski prelazi se odvijaju između nivoa neutralnih atoma. Tim prelazima odgovara energetska razlika od 0,1 eV do 1 eV i talasna dužina od do 1 , što spada u infracrveno područje spektra. Kod jonskih lasera energetskim prelazima između nivoa jona odgovaraju energije 2–5 eV, što znači da ovi laseri zrače u vidljivom i ultraljubičastom dijelu spektra. Molekularni gasni laseri emituju zračenje sa talasnim dužinama 10

25 μm μm

100 μm− , što odgovara infracrvenim i submilimetarskim talasima. Zadnja grupa gasnih lasera koju smo spomenuli izdvaja se od ostalih lasera načinom pumpanja – inverzna naseljenost nivoa postiže se hemijskim reakcijama koje se odvijaju u aktivnoj sredini. 6.4.1 Gasni laseri sa neutralnim atomima

Tipični predstavnik ove vrste lasera je He-Ne (helijum-neonski) laser. To je ujedno i prvi otkriveni gasni laser (A. Javan 1961. godine). Ovaj laser može da generiše zračenje na 140 različitih talasnih dužina, od kojih su najintenzivniji prelazi na 0,6 , i 3,39 . Danas je najprostranjeniji i najpopularniji crveni (

33 μm 1,15 μm μm) He-Ne laser. 0,633 μmλ =

Na slici 6.12 je predstavljena šema energetskih nivoa He i Ne. Proces pumpanja se ostvaruje pomoću helijuma, a generacija zračenja nastaje pri prelazu između nivoa neona. Pošto su nivoi 2 i 3 S21 S He metastabilni i istovremeno bliski nivoima 2s i 3s Ne, pri sudarima pobuđenih atoma He sa nepobuđenim atomima Ne može doći do rezonantne predaje energije, pri čemu atomi Ne prelaze u pobuđeno stane, a atomi He u osnovno stanje. Da bi takvo pumpanje bilo efikasno, potrebno je da koncentracija atoma He bude 5–15 puta veća od koncentracije atoma Ne. Do generacije laserskog zračenja dolazi pri prelazu iz 2s i 3s stanja Ne u p stanja (to su prelazi koji su dozvoljeni izborni pravilima). Pri tome je vrijeme života s stanja (τs ns= 100 ), što omogućava da He-Ne laser radi u neprekidnom režimu. Tri moguće grupe prelaza označene su na slici 6.12. Od prelaza tipa a najintenzivniji je prelaz sa podnivoa 3 grupe 3s na podnivo 32s p4 grupe 3p ( 3,39 μmλ = ). Najintenzivniji b prelaz je 3 2s p2 4→ ( 0,633 μmλ = ) i on se obično koristi kod industrijskih He-Ne lasera. Prelazu 2 2s p2 → 4 (tip c) odgovara 1,15 μmλ = . Šema konstrukcije He-Ne lasera odgovara onoj predstavljenoj na slici 6.11. Kada se na elektrode priključi visokofrekventni ili istosmjerni napon, dolazi do gasnog pražnjenja i pobuđenja atoma Ne, a zatim i do generacije laserskog zračenja.

88

Zahvaljujući tome što su prozori postavljeni pod Brewsterovim uglom, zračenje koje izlazi kroz polupropusno ogledalo rezonatora je linearno polarizovano. Zbog složenosti pobuđivanja i relaksacije nivoa, za He-Ne laser je potrebno da čitav niz parametara (pD parametar, odnos pritisaka He i Ne, karakteristike gasnog pražnjenja itd.) imaju optimalne vrijednosti. pD parametar je proizvod pritiska p u gasnoj cijevi rezonatora i prečnika cijevi D. Za lasere sa i 0,633 μmλ = 3,39 μmλ = optimalna vrijednost je a za ( )470 530 Pa mmpD = − ( )pD = −1300 1600 Pa mm: 1,15 μmλ = . Optimalna vrijednost odnosa pritisaka He i Ne u cijevi je 5:1 za i 9:1 za 0,633 μmλ = 1,15 μmλ = . Dužina cijevi lasera iznosi od nekoliko centimetara do nekoliko metara (eksperimentalno su izrađeni laseri dužine i do jednog kilometra). Snaga He-Ne je obično reda veličine mW, ali može da bude i do 100 W. Koeficijent korisnog djelovanja je oko 0,01%. Najčešće se koriste He-Ne laseri crvene boje za justažu, u metrologiji, holografiji itd.

12 S

H

32 S

11 S

3s

2s

1s

3p

2p

a

b c

N

10

10

Slika 6.12 – Šema energetskih nivoa He i Ne.

Pored He-Ne lasera postoji čitav niz gasnih lasera kod kojih se koriste drugi neutralni atomi. Uglavnom su to inertni gasovi: He, Ne, Kr, Ar i Xe. Šema energetskih nivoa svih tih atoma je analogna šemi Ne (slika 6.12). Generacija zračenja se postiže pri prelazima između viših pobuđenih nivoa (prvo pobuđeno stanje je obično metastabilno, tako da nije pogodno za niži nivo laserskog prelaza). Zato je zračenje koje se generiše laserima sa neutralnim atomima inertnih gasova obično u infracrvenom području spektra ( ). 1 10 μmλ = − U gasne lasere sa neutralnim atomima spadaju i laseri sa metalnim parama [koriste se Pb ( ), Cu, Au, Ca, Sr, Mn, Ta itd.]. Posebno je značajan laser sa parama bakra0,72 μmλ = , koji generiše zelenu svjetlost ( 0,51 μmλ = , koeficijent korisnog djelovanja je reda veličine 1%) i žutu svjetlost ( 0,578 μmλ = ). Svi laseri sa metalnim parama rade u impulsnom režimu. Srednja snaga lasera sa parama bakra je 40 W, a frekvencija ponavljanja impulsa je 15 kHz. To je trenutno najefikasniji laser koji generiše zračenje u zelenoj oblasti spektra. Pošto je morska voda relativno prozračna u plavo-zelenoj oblasti spektra, to se ovi laseri koriste za podvodne sisteme veze i daljinsko lociranje podvodnih objekata. Energetski nivoi lasera sa metalnim parama se mogu predstaviti pomoću tri nivoa. Prelaz sa osnovnog nivoa g na viši pobuđeni nivo 2 odgovara pumpanju, a generacija zračenja se odvija pri prelazu sa višeg pobuđenog nivoa 2 na niži pobuđeni nivo 1. Prelaz g je elektro-dipolno zabranjen, tako da laser može da radi samo u impulsnom režimu, sa vremenom trajanja impulsa kraćim od vremena života nivoa 2. Relaksacija 1 je uslovljena sudarima (atom-atomskim ili atom-zidovi cijevi). Brzina relaksacije određuje gornju granicu frekvencije ponavljanja laserskih impulsa.

↔ 1

→ g

89

6.4.2 Jonski laseri

Rastojanje energetskih nivoa kod jona su veća od onih kod atoma, tako da fotoni zračenja generisanog pomoću jonskih lasera imaju veće energije, pa, prema tome, i manje talasne dužine. Zato jonski laseri obično rade u ultraljubičastom i vidljivom području spektra. Jonski laseri se dijele na dvije grupe: jonske gasne lasere i jonske lasere sa metalnim parama. 6.4.2.1 Jonski gasni laseri

Aktivna sredina ovih lasera su najčešće joni inertnih gasova (Ne, Ar, Xe, Kr), ali to mogu biti i jonizovani gasovi fosfora, sumpora ili hlora. Joni koji se koriste mogu biti i višestruko naelektrisani. Npr., postoje Ne laseri (λ μ= 0 236, m) i Ne laseri (λ μ= 0 332, m3+ ++ ). Najčešće korišteni i najbolje proučeni jonski laser je argonski (A ) laser (W. B. Bridges 1964. godine). r +

3p5

4s

4p

osnovno stanje Ar+

a

b

c

metastabilno stanje laserski prelaz

Slika 6.13 − Šema relevantnih energetskih nivoa A sa naznačenim procesima pumpanja. r +

Na slici 6.13 je predstavljena šema njegovih energetskih nivoa. Pumpanje na gornji laserski nivo (4p) je dvostepeni proces. Prvo se kroz neutralni gas Ar, koji se nalazi u cijevi pod pritiskom 50 Pa, propušta struja i dolazi do gasnog pražnjenja. Elektroni se sudaraju sa neutralnim atomima i nastaju joni Ar + . U drugom dijelu procesa dolazi do naseljavanja gornjeg laserskog nivoa kao rezultat sudara elektrona sa jonima Ar + koji se nalaze u osnovnom stanju (a) ili u metastabilnom stanju (b), ili kao rezultat kaskadnih radijacionih prelaza sa viših nivoa (c). Vrijeme života višeg laserskog nivoa je

, laserska generacija se ostvaruje prelaskom sa nivoa 4p na nivo 4s, a vrijeme života nivoa 4s (koji je sa osnovnim stanjem povezan radijacionim prelazom) je 10

810 s−∝. Zato A9− s r + laser može da radi i

u neprekidnom režimu. Pošto je proces pumpanja Ar + lasera dvostepen brzina pumpanja je proporcionalna sa kvadratom gustoće struje. Zato je za pumpanje potrebno kroz gas propustiti vrlo jaku struju, gustoće nekoliko hiljada A / , što je znatno više nego za lasere sa neutralnim atomima. cm2

Ar + laser generiše zračenje na nekoliko talasnih dužina. Najintenzivnija je generacija plave ( 0, 488 μmλ = ) i zelene ( 0 ) svjetlosti. Bitna prednost jonskih lasera (u odnosu na He-Ne laser) je što kod njih ne dolazi do zasićenja inverzije pri povećanju gustoće struje, tako da se pomoću njih mogu postići velike izlazne snage. Npr. za A

,5145 μm

r + laser, pri prečniku cijevi 1 cm, u neprekidnom režimu postižu se snage do 200 W. Pri tome je koeficijent korisnog djelovanja vrlo mali ( 0,1%< ). Argonski laser ima široko područje primjene: za pumpanje neprekidnih lasera sa centrima boja, u različitim naučnim eksperimentima, u laserskoj hirurgiji itd. Od ostalih jonskih lasera najviše se koristi kriptonski (Kr + ) laser. On generiše zračenje na više talasnih dužina. Najintenzivnija je crvena boja ( ). 0,647 μm 6.4.2.2 Jonski laseri sa metalnim parama

Aktivna sredina ovih lasera mogu biti pare metala: Sn, Pb, Zn, Cd, Se, Cu. Pumpanje se ostvaruje pomoću procesa Penningove [F. Penning (Pening)] jonizacije ili pomoću izmjenske

90

jonizacije. Obadva ta procesa su jednostepena, što znači da je brzina pumpanja proporcionalna sa gustoćom struje, a ne sa kvadratom gustoće struje, kao što je to bio slučaj kod gasnih jonskih lasera. Zato se pumpanje jonskih lasera sa metalnim parama može ostvariti pomoću znatno manjih gustoća struje. Pomenute procese pumpanja objasnićemo na primjerima dva najčešće korištena jonska lasera sa metalnim parama. Pumpanje kadmijumovog (He-Cd) lasera se ostvaruje procesom Peningove jonizacije, koja se može opisati jednačinom:

. (6.5) ( )**He Cd He Cd e+ → + ++

Energija pobuđenih atoma helijuma He je veća od energije potrebne za jonizaciju i pobuđenje atoma kadmijuma Cd. Proces je nerezonantan i višak energije prelazi u kinetičku energiju elektrona e. Laserska generacija se odvija pri prelazima između različitih pobuđenih stanja jona kadmijuma. Ovdje nećemo ulaziti u detalje, već ćemo samo istaći da je najintenzivnije zračenje na talasnim dužinama

(snaga je 15–200 mW) i (1–20 mW). Posebno je značajan ovaj drugi slučaj jer odgovara ultraljubičastom dijelu spektra.

*

0, 441 μm 0,325 μm

Kod selenskog (He-Se) lasera energija jona ( )Se+ * je veća od energije metastabilnih stanja He ,

ako da se pumpanje ne može ostvariti u procesu tipa (6.5), već samo u procesu izmjenske jonizacije

*

t

. (6.6) ( )*+He Se He Se+ → + +

Ovaj proces je rezonantan. Pošto je vrijeme života jona He veliko, proces pumpanja je vrlo efikasan. Pri prelazima sa viših nivoa ( na niže, dolazi do generacije zračenja na 19 različitih talasnih dužina u vidljivom području spektra.

+

)Se+ *

Treći jonski laser sa metalnim parama koji ćemo spomenuti je He-Cu laser sa intenzivnom emisijom na talasnim dužinama 0, i 0 . Problem rada sa ovim laserom je što su potrebne visoke temperature (do 1400 ° ) da bi se postigao dovoljno visok pritisak para bakra. Zato se umjesto čistog bakra koriste soli bakra (jodidi i hloridi), čiji je pritisak para mnogo viši, tako da je moguće raditi sa nižim temperaturama (npr., za CuI dovoljna je temperatura od 550 ° ).

511 μm ,578 μmC

2

Konstrukcija jonskih lasera sa metalnim parama je vrlo slična onoj sa slike 6.11. Jedino je još potrebno uz anodu dodati mali rezervoar sa metalom. Taj rezervoar se zagrijava (do 250 ° za Cd) da bi se u cijevi postigao potrebni pritisak metalnih para. Pri radu lasera dolazi do kataforeze (katodoforeze). Potrošnja metala je 1 g na 1000 sati (za Cd). Izlazna snaga He-Cd i He-Se lasera dostiže 50–100 mW i nalazi se negdje između snage He-Ne lasera (

C

C

mW∝ W∝) i A lasera (r + ). Primjenjuju se posebno tamo gdje su potrebna plava i ultraljubičasta zračenja malih snaga (za laserske printere, u holografiji, u eksperimentima rekombinacionog rasijanja svjetlosti i fluorescentnoj analizi bioloških uzoraka). 6.4.3 Molekularni laseri

Do generacije laserskog zračenja kod molekularnih lasera dolazi pri prelazima između različitih stanja molekula. Prema tipu tih prelaza molekularni laseri se mogu podijeliti na slijedeće grupe: a) molekularni laseri sa prelazima između različitih elektronskih stanja molekula, b) molekularni laseri sa prelazima između oscilatornih nivoa jednog istog elektronskog stanja i c) molekularni laseri sa prelazima između različitih rotacionih nivoa jednog istog oscilatornog stanja. Laseri prve grupe generišu zračenje u ultraljubičastom i vidljivom dijelu spektra. Među tim laserima se izdvajaju vibronički laseri i ekscimerni laseri. Vibronički laseri (vibronic=vibrational+electronic) radi na prelazima između oscilatornih nivoa različitih elektronskih stanja. Primjeri vibroničkih lasera su azotni (N ) laser i vodonički (H ) laser, koji ćemo detaljnije razmotriti u pododjeljku 6.4.3.3. Eksimerni laseri (excimer=excited dimer=pobuđeni dimer) radi na prelazima između pobuđenog elektronskog

2 2

91

stanja i osnovnog stanja, pri čemu je specifičnog tog osnovnog stanja u tome što ono odgovara međusobnom odbijanju atoma (molekula praktično i ne postoji u tom stanju; vidjeti pododjeljak 6.4.3.4). Laseri grupe b) generišu zračenje u srednjem i dalekom infracrvenom području . Primjeri takvih lasera su CO laser (pododjeljak 6.4.3.1) i CO laser (pododjeljak 6.4.3.2). U tu grupu spada i HCN laser koji emituje zračenje submilimetarske talasne dužine ( ) . Treća grupa lasera (c) generiše zračenje u dalekoj infracrvenoj oblasti (od do 1 mm). Generaciju zračenja takvih lasera je teško ostvariti zato što je brzina relaksacije rotacionih nivoa vrlo velika. Ti laseri se obično pumpaju pomoću drugih lasera (najčešće pomoću lasera). Pumpanjem se pobuđuje rotacioni nivo nekog od viših oscilatornih stanja. Do generacije zračenja dolazi pri prelazima između rotacionih nivoa toga oscilatornog stanja. Primjer takvog lasera je CH laser koji generiše zračenje talasne dužine .

( )5 300 μm−

2

773 μm 0,773 mmλ = =25 μm

CO2

F3

496 μm 6.4.3.1 CO laser 2

laser je prvi molekularni laser. Otkriven je 1964. godine (C. K. N. Patel). Kao aktivna sredina koristi se smjesa gasova CO , i He. Do generacije zračenja dolazi pri prelazima između oscilatornih nivoa molekula ugljen-dioksida, a dodavanjem azota i helijuma se postiže visok koeficijent korisnog djelovanja (15–20%) i velika snaga.

CO2

N22

N20v =

1v =

CO2

1v

1λ 2λ

2v 3v

01 2 3 00 0lv v v =

101 0

002 0

000 1

010 0

Slika 6.14 – Oscilatorni energetski nivoi osnovnog elektronskog stanja molekula N i CO . 2 2

Na slici 6.14 prikazani su najniži oscilatorni nivoi molekula N i CO . Molekula azota je dvoatomska, tako da ima samo jedan oscilatorni mod v (na slici su prikazana dva najniža nivoa v=0 i v=1). Struktura oscilatornih nivoa molekule CO je složenija jer se ona sastoji od tri atoma.

2 2

2

Na slici 6.15 su predstavljena tri fundamentalna oscilatorna moda molekule CO : simetrični mod , deformacioni mod koji je dvostruko degenerisan (gornji indeks l) i asimetrični mod . Stanja

koja odgovaraju tim modovima su kvantizirana i označavaćemo ih sa . Do generacije laserskog zračenja dolazi pri prelazima 00

2

1v 3v2lv

1 2 3lv v v

1 10 00 0→ ( )1 10,6 μmλ = i 00 1 02 00 0→ ( )2 9,6 μmλ = . Ako se uzmu u obzir i rotacioni nivoi (koji nisu prikazani na slici 6.15), tada se može govoriti o dvjema serijama linija sa centrima pri 1 i 2λ λ . Laserska emisija lasera je ostvarena na nekoliko stotina različitih talasnih dužina u oblasti . Najveće pojačanje ima prelaz 00 , tako da se, kada se formira laserski rezonator, emituje samo zračenje talasne dužine

2CO1 10 00 → 08,7 11,8 μm−

1 10,6 μmλ = , koje odgovara rotacionom prelazu sa najvećim pojačanjem. Laserska emisija na drugim talasnim dužinama se može ostvariti upotrebom selektivnih optičkih elemenata (npr. difrakcione optičke rešetke) u rezonatoru. Pumpanje nivoa 00 se ostvaruje pomoću dva procesa: i) sudarima molekulaCO koje su u osnovnom 10

2

92

stanju sa elektronima one se prevode u pobuđeno stanje 00 , ii) rezonantnim prenosom energije od molekula (razlika energija metastabilnog stanja

10

1v =N2 molekule N i stanja 00 molekule CO je mala: ). Proces pobuđivanja

102 2

0v v 1= → =2, 2 meVEΔ = pri sudarima molekula N sa elektronima je vrlo efikasan, tako da prisustvo N u CO laseru doprinosi povećanju naseljenosti višeg laserskog nivoa. Helijum ima visok koeficijent toplotne provodljivosti i njegovo dodavanje aktivnoj sredini CO2 lasera doprinosi boljem hlađenju . Naseljenost nižeg laserskog nivoa je manja ako je temperatura niža. Dakle, uloga He kod CO lasera je smanjenje naseljenosti nižeg laserskog nivoa.

2

2 2

CO2

2

ravnotežni položaj

simetrične oscilacije

deformacione oscilacije (savijanje)

asimetrične oscilacije

O C O

Slika 6.15 – Osnovni tipovi oscilacija molekule CO . 2

Prema konstrukciji CO laseri se mogu podijeliti na šest tipova: a) laseri sa longitudinalnim protokom gasova, b) laseri sa katalizatorom (zataljeni laseri), c) talasovodni laseri, d) laseri sa transverzalnim protokom gasova, e) TEA-laseri i f) gasodinamički laseri.

2

Slika 6.16 – Šema konstrukcije CO lasera sa longitudinalnim protokom gasova.

izolator ulaz gasa

ogle-

tečnost za hlađenje

ogle-dalo

izlaz gasa tečnost za hlađenje

2

a) Prvi CO laseri su bili upravo ovoga tipa. Na slici 6.16 je prikazana šema takvog lasera. Može se pokazati da je izlazna snaga ovih lasera , gdje je J – gustoća struje, p – pritisak, l – dužina cijevi i D – prečnik cijevi. Pošto su optimalne vrijednosti J i p obrnuto proporcionalne sa D, to optimalna vrijednost snage zavisi samo od dužine cijevi, a ne zavisi od njenog prečnika

22P JpD l∝

93

(eksperimentisalo se sa laserima dužine nekoliko desetina metara, pri čemu je ostvarena maksimalna snaga po jedinici dužine: 50 ). Laserski zrak izlazi kroz otvor na metalnom ogledalu koje je hermetički zatvoreno kristalom NaCl koji propušta IC zračenje (slika 6.16), ili kroz ogledalo od čistog germanijuma. Kretanjem smjese gasova smanjuje se njihova temperatura, što utiče na povećanje inverzije naseljenosti, a samim time i izlazne snage lasera. Izlazna snaga CO lasera sa longitudinalnim protokom gasova je 50–500 W. Laseri snage 50–100 W se koriste u laserskoj hirurgiji, a laseri veće snage se koriste za obradu materijala (graviranje keramike, rezanje nemetala, regulaciju rezistora, zavarivanje materijala debljine nekoliko mm).

60 W / m−

2

b) Ako kod lasera tipa a) nema protoka smjese gasova, tada će nakon nekoliko minuta doći do prekida generacije zračenja, zato što produkti hemijskih reakcija, posebno molekule CO, podstiču disocijaciju molekula CO . Da bi se obezbijedila regeneracija molekula CO iz molekula CO, potreban je određeni katalizator. To može biti vodena para (1%). U tom slučaju, do regeneracije molekula CO dolazi zahvaljujući reakciji: CO

2 2

OH CO H*2*+ → +2 . Kao katalizator se može koristiti i

zagrijana (na 300° ) katoda od nikla. Zataljene cijevi takvih lasera imaju dug vijek trajanja (više od 10000 sati). Iz-lazna snaga ovih lasera po jedinici dužine je oko 60 , što je približno isto kao i kod lasera tipa a).

C W / m

c) Ako je prečnik cijevi rezonatora reda veličine 1 mm, tada se lasersko zračenje reflektuje od unutrašnjih zidova cijevi i prostire se kroz cijev kao kroz talasovod. Ovakvi talasovodni laseri imaju male difrakcione gubitke. Najbolji rezultati su postignuti sa cijevima od BeO ili SiO2. Snaga ovih lasera je nešto manja od snage lasera tipa a) i b), a njihova osnovna prednost je što im se frekvencija zračenja može podešavati u relativno širokom dijapazonu ( 1 GHz∝ ). To je posljedica toga što je kod talasovoda optimalni pritisak u cijevi nešto viši.

ogledalo

laser venti-lator toplota

Slika 6.17 – Šema konstrukcije lasera sa transverzalnim protokom gasova.

ogledalo ogledalo

+

Slika 6.18 – Šema konstrukcije TEA lasera.

d) 1969. godine B. W. Tiffany (Tifani), R. Trag i D. Y. Foster su predložili da se gasovi dovode pod pravim uglom u odnosu na rezonator, slika 6.17. Time je riješen problem odvođenja toplote [ako je brzina protoka dovoljno velika ( ), toplota se odvodi na račun konvekcije, a ne difuzije]. Do zasićenja izlazne snage sa porastom gustoće struje gasnog pražnjenja kod lasera sa transverzalnim protokom gasova dolazi pri znatno većim vrijednostima nego kod lasera sa longitudinalnim protokom.

300 m / s∝

-

CO2+N2+He

94

Optimalni pritisak gasova je kod tipa d) za red veličine veći nego kod tipa a). Kod ovih lasera se može postići snaga od više kW pri dužini 1m, a ako se pražnjenje ostvaruje u smjeru okomitom na osu rezonatora (tzv. TE-laseri – laseri sa transverzalnim električnim poljem), tada se mogu postići i veće snage. Da bi se ostvarila lavinska jonizacija gasa kod TE lasera je potrebno postići da odnos jačine električnog polja E i pritiska p bude dovoljno veliki. Prag veličine /E p se može smanjiti ako se gasno pražnjenje podrži nekom vanjskom pobudom (npr. elektronskim snopom – to su tzv. nesamostalni TE laseri). TE laseri sa brzim transverzalnim protokom gasova, velike snage (1–15 kW) se primjenjuju za obradu metala (rezanje, zavarivanje, površinsko legiranje metala itd.). e) 1970. godine ostvaren je dalji napredak u razvoju CO lasera. Konstruisan je TEA (transversely excited atmospheric) laser – laser sa transverzalnim pobuđenjem i atmosferskim pritiskom u cijevi (slika 6.18). Osnovni problem lasera tipa a)–d) je što se sa povećanjem pritiska pojavljuju nestabilnosti u gasnom pražnjenju. Zato se kod TEA lasera na elektrode dovodi impuls koji je dovoljno kratak ( ), tako da se nestabilnosti ne uspiju razviti. Prije toga impulsa obično se izvrši predjonizacija gasa pomoću visokonaponskog impulsa, impulsnog elektronskog snopa ili ultraljubičastog zračenja. Ako je frekvencija ponavljanja impulsa mala, tada nema potrebe za protokom gasova. Širina linije zračenja TEA lasera je velika (

2

1 μs∝

4 GHz∝ ), što je posljedica velikog pritiska gasova ( ), koji dovodi do sudarnog širenja linija. Zato se kod TEA lasera primjenom metoda sinhronizacije modova mogu ostvariti impulsi kraći od 1 ns. Ovi laseri se primjenjuju u eksperimentima termonuklearne fuzije (sistemi “Helios” – snaga 20 TW, energija 10 kJ i “Antares-laser” – 100 kJ, 100–200 TW).

510 Pa∝

Slika 6.19 – Gasodinamički laser: a – princip rada, b – prostorna raspodjela naseljenosti N gornjeg i donjeg laserskog nivoa, normiranih u odnosu na naseljenost osnovnog nivoa N ), c – geometrija rezonatora.

CO2*

000

f) Gasodinamički laser je posebno interesantan zato što se inverzija naseljenosti kod njega ne postiže električnim pražnjenjem, već na račun brzog širenja gasa, prethodno zagrijanog do visoke

*

000

NN

-10 0 10 20 30 40 50 [ ]cmd 0

0,05 0,10

0,15 0,20 0,25 donji nivo

gornji nivo ogledala

b c

komora za zagrijavanje

oblast pod-zvučne brzine oblast širenja

8,7 kPa354 K

pT==

2

2

2

1,7 MPa1400 K

7,5% CO91,3% N1, 2% H O

pT==

grlo mlaznice (0,8 mm)

a

95

temperature. Princip rada ovoga lasera predstavljen je na slici 6.19. Gasna smjesa visoke temperature i pod velikim pritiskom se nalazi u komori. U takvom stanju gas se nalazi u termodinamičkoj ravnoteži i nema inverzije naseljenosti (slika 6.19b). Ako se gas propusti kroz mlaznicu i velikom brzinom proširi, doći će do naglog snižavanja temperature i pritiska gasa. Pri tome naseljenost donjeg laserskog nivoa brže opada od naseljenosti gornjeg nivoa, tako da se u oblasti rezonatora (slika 6.19c), postiže inverzna naseljenost i generacija zračenja. Vrijeme trajanja procesa širenja gasa u toku koga opadaju temperatura i pritisak treba biti kraće od vremena života gornjeg laserskog nivoa, što znači da brzina širenja mora biti nadzvučna ( puta veća od brzine zvuka u vazduhu). Pomoću ovoga lasera je još 1970. godine ostvareno neprekidno lasersko zračenje snage 60 kW, a danas se postižu i snage

, čime se on svrstava u red najsnažnijih lasera. Nedostatak ovoga lasera je potreba za velikim količinama gasa. Pored toga, on u neprekidnom režimu može raditi samo nekoliko sekundi, zbog velikog zagrijavanja elemenata rezonatora (laserski snop zagrijava ogledala). Koeficijent korisnog djelovanja (hemijski) ovih lasera je do 1%, što je znatno manje nego kod drugih tipova CO lasera (15–20%).

4∝

100 kW∝

2

6.4.3.2 CO laser

CO laser , kao i CO2 laser, radi na prelazima između oscilatornih nivoa istog elektronskog stanja. Talasna dužina zračenja lasera na bazi ugljen monoksida je oko 5 . Osnovna odlika CO lasera je vrlo visoki koeficijent korisnog djelovanja (i do 60%) i velika izlazna snaga (preko 100 kW). Nedostatak im je što su za efikasan rad potrebne niske temperature (77–100 K). Pri višim temperaturama postižu se manje snage. Npr., u smjesi CO sa helijumom, azotom i malom količinom kiseonika, pri temperaturi od 150–200 K, postiže se snaga 10 W. Za rad pri sobnim temperaturama u smjesu gasova se dodaje i ksenon. Način ostvarivanja inverzije naseljenosti kod CO lasera je specifičan. Proces relaksacije molekule CO opisuje se sistemom kinetičkih jednačina, koji, u najpovoljnijem slučaju, sadrži 60 nelinearnih algebarskih jednačina. Numerički rezultati pokazuju da postoji neki energetski nivo ispod kojeg se relaksacija V-V tipa (prelazak sa višeg na niži oscilatorni nivo) odvija brže od relaksacije V-T tipa (prelazak molekule sa oscilatornog nivoa na translaciono kretanje). Taj nivo je viši što je temperatura gasova niža, tako da na niskim temperaturama preovladavaju V-V prelazi. Posljedica toga je da naseljenost viših oscilatornih nivoa više ne zadovoljava Boltzmannovu raspodjelu, jednačina (2.41) [tome doprinosi proces tzv. anharmonijskog pumpanja:

μm

( ) ( ) ( ) ( )CO CO CO CO , v n v m v n l v m l n m= + = → = + + = − > ]. To omogućava da se ostvari parcijalna inverzija naseljenosti nivoa (inverzija naseljenosti postoji samo između nekih rotacionih nivoa dva susjedna oscilatorna stanja). Pri tome dolazi do tzv. kaskadne generacije. Uslijed toga što je brzina V-T relaksacije mala, veliki dio oscilatorne energije prelazi u energiju zračenja, čime se i objašnjava visok koeficijent korisnog djelovanja CO lasera. Kao i CO laseri, i CO laseri mogu da rade sa longitudinalnim protokom gasova, sa impulsnim transverzalnim električnim pražnjenjem (uz predjonizaciju pomoću elektronskog snopa), a takođe postoje i TEA laseri na bazi CO (sa odnosom gasova Xe, He i CO u smjesi: 1:1:8) i gasodinamički CO laseri.

2

6.4.3.3 Vibronički laseri – N laser i H laser 2 2

Azotni laser je konstruisao Heard (Herd) 1963. godine. To je bio prvi laser koji radi u ultraljubičastom području spektra. Energetski nivoi molekule azota su predstavljeni na slici 6.20 kao funkcija rastojanja jezgara atoma R. laser radi na prelazima između oscilatornih podnivoa elektronskog nivoa C i oscilatornih podnivoa elektronskog nivoa B. Najintenzivniji prelaz odgovara talasnoj dužini , a generacija je moguća i na

N2

i 0,3577 μmλ = 0,3159 μmλ =0,3371 μm . U specifičnim uslovima moguće je ostvariti generaciju pri prelazima B (A→ 0,74 1, 23 μmλ = − ). Vrijeme života gornjeg nivoa C je 38 ns i kraće je od vremena života donjeg nivoa B, koje iznosi

96

10 μs . Zato ovaj laser ne može da radi u neprekidnom režimu. On može da radi u impulsnom režimu pod uslovom da je vrijeme trajanja električne pobude kraće od 38 ns. Brzo električno pražnjenje se može postići primjenom specijalnih električnih kola [npr. Blumlineovog (Blumlajn) kola]. Najčešće se koristi transverzalno električno pražnjenje (TE laser). Pomoću lasera mogu se postići impulsi snage 1 MW, vremena trajanja 10 ns. Pri tome je frekvencija ponavljanja impulsa 100 Hz i ograničena je toplotnim efektima. Pri transverzalnom protoku gasova moguće je postići i više frekvencije (do

). Također je moguće ostvariti i kraće impulse (100–500 ps), ali je pri tome snaga nešto manja (100–200 kW). N laser se naročito koristi za pumpanje lasera sa bojama. Tako se mogu ostvariti subnanosekundni impulsi kod lasera sa bojama). Treba reći da N2 laseri spadaju u

N2

510 Hz2

lasere sa samoograničenim prelazima. Takve lasere, kod kojih je vrijeme života viših nivoa kraće od vremena života nižih nivoa, i koji mogu raditi samo u impulsnom režimu, već smo sretali (vidjeti u odjeljku 6.4.1 lasere sa metalnim parama, npr. Cu, Pb itd.). Specifičnost tih lasera je da imaju veliki koeficijent pojačanja, tako da mogu da rade samo sa jednim, ili čak bez rezonatorskih ogledala. Ponekad se takvi laseri nazivaju i super-radijacionim laserima. laser se obično izrađuje sa jednim ogledalom. Naravno, to ogledalo ne čini rezonator, već samo služi da usmjeri zračenje koje izlazi na suprotnom kraju. Uvođenjem ogledala dužina puta zraka je povećana dva puta (u odnosu na sistem bez ogledala), čime je povećana izlazna snaga i smanjena divergencija laserskog snopa.

N2

[ ]nmR0,08 0,12 0,16 0

5

10

[ ] eVE C

B

A

Slika 6.20 – Energetski nivo molekule N u zavisnosti od rastojanja jezgara atoma. 2

Vodonični laser takođe spada u vibroničke lasere. Njegovo zračenje ustvari predstavlja pojačanu spontanu emisiju. H laser radi na talasnim dužinama i 0, , što spada u oblast vakuumskog ultraljubičastog područja (VUV područje,

0,160 μm 116 μm2

λ < 130 nm). U VUV području atmosfera intenzivno apsorbuje zračenje, tako da je neophodno raditi u vakuumu ili u atmosferi takvog gasa kao što je helijum. Talasna dužina H lasera 116 nm je najkraća talasna dužina postignuta pomoću lasera. Za ostvarivanje još kraćih talasnih dužina potrebne su izuzetno velike snage pumpanja (

24P λ −∝ za

Dopplerovski proširene linije, a 6P λ −∝ za prirodno proširene linije). Eksperimentalno je ostvaren impulsni laser sa 1, 4 nmλ = koji radi u rendgenskom području spektra. Pumpanje je ostvareno rendgenskim zračenjem nastalim pri maloj nuklearnoj eksploziji. 6.4.3.4 Eksimerni laseri

Za rad N2 i H2 lasera je potrebno vrlo intenzivno pumpanje. To je posljedica toga što kvantni prelazi između elektronskih nivoa stabilnih molekula imaju tu osobinu da je vrijeme života viših

97

elektronskih stanja kraće od vremena života nižih elektronskih stanja. Pošto ovo znatno ograničava mogućnosti lasera, istraživale su se mogućnosti ostvarenja laserske generacije kod molekula koje ne postoje u osnovnom stanju, već samo u pobuđenom stanju. Energetski nivoi takve molekule kao funkcija internuklearnog rastojanja predstavljeni su na slici 6.21.

Slika 6.21 – Energetski nivoi eksimernog lasera.

Osnovno stanje odgovara odbijanju atoma i oni postoje samo u monomernoj formi A. Pošto kriva potencijalne energije pobuđenog stanja ima minimum, molekula postoji u pobuđenom stanju u dimernoj formi A . Takva molekula A se naziva eksimer (eximer = exited dimer – pobuđeni dimer). Naziv eksimer zadržan je i za dvoatomsku molekulu

2*

2

( )AB * koja se sastoji od različitih atoma A i B, iako bi za nju bio pravilniji naziv heteroeksimer ili eksimpleks (excited state complex). Laserska generacija kod eksimernih lasera se ostvaruje prelazom između pobuđenog (vezanog) i osnovnog (slobodnog) stanja. Pri prelazu u osnovno stanje dolazi do disocijacije molekule, tako da niži laserski nivo postaje prazan. Pored toga, ne postoje jasno izraženi oscilatorno-rotacioni prelazi, već se prelaz može predstaviti širokom trakom (slika 6.21). To omogućava neprekidno podešavanje talasne dužine zračenja lasera (u granicama trake). Najčešće se kao aktivna sredina eksimernih lasera koristi smjesa inenrtnih gasova (npr. Ar, Kr ili Xe) i atoma halogenih elemenata (npr. F ili Cl). U pobuđenom stanju formiraju se halogenidi inertnih gasova, npr.: ArCl (λ = 170 nm), ArF (193 ), KrCl (222 nm nm), KrF (248 ), XeBr (282 ), XeCl (308 nm nm nm) i XeF (351 nm). Pumpanje takvih eksimernih lasera se ostvaruje pomoću elektronskog snopa ili pomoću električnog gasnog pražnjenja, uz predjonizaciju elektronskim snopom ili UV zračenjem. Laseri su impulsni, a konstrukcija im je slična konstrukciji TEA lasera. Dužina trajanja impulsa je nekoliko desetina nanosekundi i ograničena je vremenom potrebnim za pojavu nestabilnosti u pražnjenju. Srednja izlazna snaga eksimernih lasera je oko 100 W, frekvencija ponavljanja impulsa do 1 kHz, a električni koeficijent korisnog djelovanja 1%. Eksimerni laseri se primjenjuju pri proučavanju složenih fotohemijskih procesa, za separaciju izotopa i uopšte tamo gdje su potrebni snažni izvori UV zračenja.

CO2

6.4.4 Hemijski laseri

Inverzna naseljenost se kod hemijskih lasera ostvaruje pomoću hemijskih reakcija. Energija se pri reakciji uglavnom oslobađa u vidu oscilatorne energije molekula gasova. Laserski prelazi su oscilatorno-rotacioni, tako da talasne dužine zračenja leže u intervalu 3 10 μm− . Hemijski laseri su interesantan primjer direktnog pretvaranja hemijske energije u elektromagnetnu energiju, pri čemu je koeficijent korisnog djelovanja prilično veliki (do 15%). Mogu biti sa i bez spoljašnje pobude hemijske reakcije. Kod lasera sa spoljašnjom pobudom iniciranje hemijske reakcije se postiže

98

djelovanjem toplote, električnog pražnjenja, svjetlosti, elektronskog snopa itd., dok se kod lasera bez spoljašnje pobude hemijske reakcije ostvaruju jednostavnim miješanjem komponenata. Nedostatak hemijskih lasera je toksičnost aktivne sredine (npr. fluor F , koji se često koristi kao komponenta aktivne sredine hemijskih lasera, je jedan od korozivno i hemijski najaktivnijih elemenata). Drugi nedostatak je potreba za mijenjanjem aktivne sredine u toku rada. Zato se ovi laseri manje koriste u industrijske svrhe. Koriste se uglavnom u laboratorijskim istraživanjima, kao i za vojne ciljeve (tamo gdje su potrebni snažni laseri). Kao primjer hemijskog lasera razmotrićemo

2

HF laser. To je laser čija je aktivna sredina HF i čije pumpanje se ostvaruje pomoću hemijskih reakcija:

. (6.7) *2 2F H HF H, H F HF F+ → + + → +*

Do generacije zračenja dolazi pri prelazima između rotacionih nivoa različitih oscilatornih nivoa na više različitih talasnih dužina u intervalu 2,6 3,6 μm− . Razlog postojanja više različitih prelaza je postojanje parcijalne inverzije naseljenosti i kaskadnih prelaza (sa time smo se već sreli pri analizi CO lasera). HF laser radi i u neprekidnom (snaga mu je do 50 kW) i u impulsnom režimu (energija impulsa je do 5 kJ), a koeficijent korisnog djelovanja mu je 15%.

N2 SF6

K

A

A

H2

N2+F+S

H2

4

5

4 6

7

2 3

1 Slika 6.22 – Šema konstrukcije HF lasera: 1 – radna komora, 2 – oblast lučnog pražnjenja i zagrijavanja azota, 3 – mlaznica, 4 – ogledalo rezonatora, 5 – lasersko zračenje, 6 – izmjenjivač toplote, 7 – izlaz produkata hemijskih reakcija.

Na slici 6.22 je predstavljen jedan primjer konstrukcije HF lasera. Hemijska reakcija se pobuđuje električnim pražnjenjem u komori u koju ulaze azot i sumporheksafluorid. Uslijed električnog pražnjenja između katode i dvije anode molekule azota se zagriju do temperature od 2500 K i miješaju sa molekulima SF . Pri tome dolazi do disocijacije molekula SF i nastaju atomi fluora. Dobijena smjesa gasova se propušta kroz mlaznicu velikom brzinom (nekoliko puta većom od brzine zvuka u vazduhu). U tu smjesu se uvodi vodonik i dolazi do hemijske reakcije (6.7), koja se odvija u oblasti rezonatora postavljenog okomito na protok gasova.

6 6

2N F S+ +

DF, HCl i HBr hemijski laseri HF laseru su slični koji emituju zračenje talasne dužine 3,5 5 μmλ ∝ − . Te talasne dužine su interesantne zato što atmosfera dobro propušta elektromagnetne

talase tih dužina. Postoje i hemijski laseri sa ugljen-monoksidom kao aktivnom sredinom. Kod toga lasera u smjesi CS i O dolazi do hemijskih reakcija u kojima nastaju molekule CO koji omogućuju lasersku emisiju talasne dužine . Interesantan je i

*2 2

DF-CO4,9 5,7 μm− 2 laser, kod koga se u hemijskoj reakciji oslobađa atomski fluor koji reaguje sa D . Nastali pobuđeni molekuli

neradijacionim sudarima prenose energiju molekulima CO koji zrače na 2NO F NOF F+ → + 2

DF* 10,6 μmλ =2 . Koeficijent korisnog djelovanja ovoga lasera je 5%, snaga u neprekidnom režimu je 560 W, a energija u impulsnom režimu je 15 J. Na kraju ovoga odjeljka spomenimo još jodni laser koji je po mnogo čemu specifičan. Generacija zračenja se kod njega ostvaruje pri prelazima između elektronskih stanja atoma joda. Po tome on spada u lasere sa neutralnim atomima (vidjeti odjeljak 6.4.1). Ipak ćemo ga ovdje analizirati

99

kao hemijski laser zato što se on pobuđuje hemijskom reakcijom, tačnije fotodisocijacijom molekula ili molekula alkil jodida (C i dr.), pri čemu se najčešće koristi C F . Pobuda

se vrši snažnom impulsnom UV lampom i pri tome se oslobađa atomski jod u pobuđenom stanju u reakciji tipa:

F I, C F I, C F I3 4 9 3 7 I3 73CH I

. (6.8) *3 7 3 7C F I C F Ihν+ → +

Pri prelazu na niži laserski nivo atoma joda dolazi do emisije zračenja talasne dužine 1,315 . Specifičnost jodnog lasera je i u tome što on po nekim svojim karakteristikama podsjeća i na lasere čvrstog stanja. Naime, pumpanje se kod njega ostvaruje na sličan način kao i kod lasera čvrstog stanja – pomoću impulsnih lampi (to je ujedno nedostatak jodnih lasera u odnosu na druge hemijske lasere jer je pri takvom načinu pumpanja koeficijent korisnog djelovanja manji). Pored toga, radni prelaz je kod njega, kao i kod rubinskog i neodimijumskog lasera, elektro-dipolno zabranjen, što znači da je vrijeme života gornjeg laserskog nivoa dugo, tako da se može ostvariti značajna inverzija naseljenosti. Zato se pomoću jodnog lasera mogu postići izuzetno velike snage (

μm

GW∝ ), pri čemu on spada u grupu sa Nd:staklo i CO2 laserima, sa kojima su postignute najveće snage u impulsu. Jodni laser ipak spada u gasne lasere zato što se jod nalazi u staklenoj cijevi u gasovitom stanju, kao i svaki drugi gasni laser. 1978. godine je otkriven prvi neprekidni jodni laser koji se pobuđuje hemijskim putem. Disocijacija molekula I se postiže sudarima sa pobuđenim molekulima O . Pri tome nisu potrebni dodatni izvori energije kao u slučaju kada se pumpanje vrši fotolizom.

2 2

100