lasery – budowa, rodzaje, zastosowanie budowa rodzaje... · 2013-01-21 · ustawione zwierciadła...
TRANSCRIPT
![Page 1: Lasery – budowa, rodzaje, zastosowanie budowa rodzaje... · 2013-01-21 · ustawione zwierciadła stanowią rezonator dla wybranej częstotliwości fali i określonego kierunku](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022050523/5fa7241bd6d8b826b070c97d/html5/thumbnails/1.jpg)
Lasery – budowa, rodzaje, zastosowanie
Materiały dydaktyczne dla kierunku Technik Optyk (W12) Kwalifikacyjnego kursu zawodowego.
![Page 2: Lasery – budowa, rodzaje, zastosowanie budowa rodzaje... · 2013-01-21 · ustawione zwierciadła stanowią rezonator dla wybranej częstotliwości fali i określonego kierunku](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022050523/5fa7241bd6d8b826b070c97d/html5/thumbnails/2.jpg)
Budowa i zasada działania lasera
Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation -
wzmocnienie światła poprzez wymuszoną emisję promieniowania) to
kwantowy generator monochromatycznej, spójnej (koherentnej) i
spolaryzowanej wiązki światła.
Obecnie istnieją lasery zdolne do emisji światła z zakresu widma od
nadfioletu do dalekiej podczerwieni. Mechanizm generowania światła
przez lasery opiera się na zjawisku wymuszonej emisji promieniowania
w ośrodku po odwróceniu (inwersji) obsadzeń.
Zasadniczymi elementami lasera są: ośrodek czynny, rezonator
optyczny, układ pompujący.
![Page 3: Lasery – budowa, rodzaje, zastosowanie budowa rodzaje... · 2013-01-21 · ustawione zwierciadła stanowią rezonator dla wybranej częstotliwości fali i określonego kierunku](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022050523/5fa7241bd6d8b826b070c97d/html5/thumbnails/3.jpg)
Ośrodek czynny:
Oddziaływanie światła z materią można wyjaśnić za pomocą trzech zjawisk: pochłanianie fotonów (absorbcja), emisji spontanicznej oraz emisji wymuszonej fotonu. Foton wyemitowany w wyniku emisji wymuszonej jest spójny (ma taką samą częstotliwość, polaryzację) z fotonem wywołującym emisję. Foton wzbudzający musi mieć odpowiednią energię równą energii wzbudzenia ośrodka. Atomy w stanie podstawowym pochłaniają fotony wzbudzające (także te wyemitowane). Aby laser działał proces emisji wymuszonej musi przeważyć nad pochłanianiem występuje to gdy w ośrodku jest więcej atomów w stanie wzbudzonym niż w stanie podstawowym (inwersja obsadzeń poziomów energetycznych). Uzyskanie takiego nienaturalnego stanu, w którym poziomy o wyższej energii są częściej obsadzone niż poziomy o niższej energii, utrudnia także zjawisko emisji spontanicznej powodujące, że atomy w stanie wzbudzonym pozostają
![Page 4: Lasery – budowa, rodzaje, zastosowanie budowa rodzaje... · 2013-01-21 · ustawione zwierciadła stanowią rezonator dla wybranej częstotliwości fali i określonego kierunku](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022050523/5fa7241bd6d8b826b070c97d/html5/thumbnails/4.jpg)
bardzo krótko przechodząc szybko do stanu podstawowego. Niektóre atomy posiadają poziomy energetyczne metatrwałe na których elektron pozostaje znacznie dłużej, ale w takiej sytuacji przejście ze stanu podstawowego do wzbudzonego jest też utrudnione, co pokonuje się przez wzbudzanie atomów do poziomów o energii niewiele większej od poziomu metatrwałego Atomy w przejściach bezpromienistych przechodzą do stanu metatrwałego. Akcja laserowa rozpoczyna się od emisji spontanicznej lub wprowadzenia fotonu inicjującego z zewnątrz.
![Page 5: Lasery – budowa, rodzaje, zastosowanie budowa rodzaje... · 2013-01-21 · ustawione zwierciadła stanowią rezonator dla wybranej częstotliwości fali i określonego kierunku](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022050523/5fa7241bd6d8b826b070c97d/html5/thumbnails/5.jpg)
Układ pompujący:
Zadaniem układu jest przeniesienie jak największej liczby elektronów w substancji czynnej do stanu wzbudzonego. Układ musi być wydajny tak by doszło do inwersji obsadzeń. Pompowanie lasera odbywa się poprzez błysk lampy błyskowej (flasha), błysk innego lasera, przepływ prądu w gazie, reakcję chemiczną, zderzenia atomów, wstrzelenie wiązki elektronów do substancji.
Układ optyczny:
Jeżeli ośrodek czynny traktujemy jako generator fali
elektromagnetycznej, to układ optyczny pełni rolę sprzężenia
zwrotnego dla wybranych częstotliwości, dzięki czemu laser generuje
światło tylko o jednej częstotliwości. Układ optyczny składający się
zazwyczaj z dwóch zwierciadeł z czego przynajmniej jedno jest
![Page 6: Lasery – budowa, rodzaje, zastosowanie budowa rodzaje... · 2013-01-21 · ustawione zwierciadła stanowią rezonator dla wybranej częstotliwości fali i określonego kierunku](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022050523/5fa7241bd6d8b826b070c97d/html5/thumbnails/6.jpg)
częściowo przepuszczalne, dokładnie wykonane i odpowiednio
ustawione zwierciadła stanowią rezonator dla wybranej częstotliwości
fali i określonego kierunku ruchu, tylko te fotony dla których układ
optyczny jest rezonatorem wielokrotnie przebiegają przez ośrodek
czynny wywołując emisję kolejnych fotonów spójnych z nimi, pozostałe
fotony zanikają w ośrodku czynnym lub układzie optycznym.
Rezonator optyczny (laser CO2)
![Page 7: Lasery – budowa, rodzaje, zastosowanie budowa rodzaje... · 2013-01-21 · ustawione zwierciadła stanowią rezonator dla wybranej częstotliwości fali i określonego kierunku](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022050523/5fa7241bd6d8b826b070c97d/html5/thumbnails/7.jpg)
![Page 8: Lasery – budowa, rodzaje, zastosowanie budowa rodzaje... · 2013-01-21 · ustawione zwierciadła stanowią rezonator dla wybranej częstotliwości fali i określonego kierunku](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022050523/5fa7241bd6d8b826b070c97d/html5/thumbnails/8.jpg)
![Page 9: Lasery – budowa, rodzaje, zastosowanie budowa rodzaje... · 2013-01-21 · ustawione zwierciadła stanowią rezonator dla wybranej częstotliwości fali i określonego kierunku](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022050523/5fa7241bd6d8b826b070c97d/html5/thumbnails/9.jpg)
Ogólna charakterystyka światła laserowego
Światło emitowane przez laser jest falą elektromagnetyczną o ściśle określonych właściwościach, które odróżniają je od naturalnych źródeł takich jak żarówka, płomień czy słońce.
1. Jest monochromatyczne, tzn. że posiada tylko jedną długość fali (kolor), naturalne źródła światła promieniują w szerokim spektrum od podczerwieni do ultrafioletu.
2. Jest koherentne, tzn. że fale świetlne emitowane przez laser posiadają tą samą fazę, natomiast naturalne źródła światła emitują fale o różnych fazach.
3. Jest skolimowane, tzn. że wiązka światła laserowego ma niewielką rozbieżność i łatwo można utrzymać niewielką średnicę wiązki na dużych dystansach.
![Page 10: Lasery – budowa, rodzaje, zastosowanie budowa rodzaje... · 2013-01-21 · ustawione zwierciadła stanowią rezonator dla wybranej częstotliwości fali i określonego kierunku](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022050523/5fa7241bd6d8b826b070c97d/html5/thumbnails/10.jpg)
Rodzaje laserów
Laser rubinowy
Rubin jest to kryształ tlenku glinu (AL2O3), w którym niektóre atomy
glinu są zastąpione atomami chromu. Atomy chromu nadają rubinowi
charakterystyczną czerwoną barwę ponieważ absorbują one żółto-
zieloną część widma. Rolę aktywną a laserze rubinowym spełniają tylko
jony chromu. Monokryształ sztucznego rubinu szlifowany jest do
postaci cylindra o średnicy 5 mm i długości 5 do 10 cm, którego
podstawy są polerowane płasko, równolegle do siebie. Jedna z tych
powierzchni jest pokryta warstwą odbijającą o blisko stuprocentowym
współczynniku odbicia, druga ma odbicie około 50%. Tak przygotowany
kryształ umieszczony jest w lampie błyskowej.
![Page 11: Lasery – budowa, rodzaje, zastosowanie budowa rodzaje... · 2013-01-21 · ustawione zwierciadła stanowią rezonator dla wybranej częstotliwości fali i określonego kierunku](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022050523/5fa7241bd6d8b826b070c97d/html5/thumbnails/11.jpg)
Ksenonowa lampa błyskowa powoduje
wzbudzenie elektronów z poziomu E1 w
stan E2, który tworzy pasmo energetyczne o
sporej szerokości dlatego łatwo fotony z
kość szerokiego przedziału mogą wzbudzać
elektrony. Średni czas przebywania na
poziomie E2 jest krótki i wynosi jedynie 0,05ms. Elektrony wracają więc
do stanów niższych. Wiele z nich przechodzi bezpromieniście (energia
zostaje przekazana sieci krystalicznej i dlatego taki laser musi być
chłodzony) na poziom E3. Średni czas życia na poziomie E3 jest dość
długi wynosi około 3ms i dlatego nazywamy go metastabilnym.
Oświetlenie więc rubinu światłem białym powoduje masowe
![Page 12: Lasery – budowa, rodzaje, zastosowanie budowa rodzaje... · 2013-01-21 · ustawione zwierciadła stanowią rezonator dla wybranej częstotliwości fali i określonego kierunku](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022050523/5fa7241bd6d8b826b070c97d/html5/thumbnails/12.jpg)
przechodzenie elektronów do stanu E3. Proces taki nazywamy
pompowaniem optycznym. Następuje inwersja obsadzeń.
Aby uzyskać silną emisję wymuszoną, konieczne jest utworzenie
optycznej komory rezonansowej. Taką komorę tworzy sam kryształ
rubinu w postaci pręta, którego powierzchnie czołowe są
wypolerowane i pokryte powłokami odbijającymi. Wystarczy wtedy
pojawienie się w pręcie jednego tylko fotonu o częstotliwości
rezonansowej, poruszającego się równolegle do osi pręta, aby
rozpoczął się proces narastania emisji wymuszonej. Foton ten wymusza
bowiem emisję w atomach położonych wzdłuż jego drogi, a powstała
przy tym wiązka fotonów odbijając się wiele razy od przeciwległych
powierzchni lustrzanych oddziałuje z nowymi wzbudzonymi atomami i
wyzwala coraz więcej fotonów. Prowadzi to do lawinowego wzrostu
![Page 13: Lasery – budowa, rodzaje, zastosowanie budowa rodzaje... · 2013-01-21 · ustawione zwierciadła stanowią rezonator dla wybranej częstotliwości fali i określonego kierunku](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022050523/5fa7241bd6d8b826b070c97d/html5/thumbnails/13.jpg)
natężenia promieniowania laserowego.
Światło wysyłane przez laser rubinowy ma
kolor czerwony, odpowiadający długości fali A
= 694,3 nm. Laser rubinowy pracuje
impulsowo.
Obecnie częściej buduje się lasery oparte na
innych materiałach. Przykładem jest laser neodymowy gdzie szkło,
kryształy fluorku wapnia lub inne materiały domieszkowane są
neodymem. W pracy istotne są cztery poziomy energetyczne. Akcja
laserowa zachodzi wtedy między poziomami E3 i E4 i uzyskanie
odwrócenia obsadzeń jest znacznie łatwiejsze, a chłodzenie ośrodka
czynnego ciekłym azotem pozwala na uzyskanie pracy ciągłej. Laser
neodymowy na podłożu YAG (granat itrowo-glinowy) pozwala na
![Page 14: Lasery – budowa, rodzaje, zastosowanie budowa rodzaje... · 2013-01-21 · ustawione zwierciadła stanowią rezonator dla wybranej częstotliwości fali i określonego kierunku](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022050523/5fa7241bd6d8b826b070c97d/html5/thumbnails/14.jpg)
uzyskanie w impulsie dużych mocy. W podobny sposób jak laser
neodymowy działają lasery, w których w różnych osnowach
krystalicznych centami są jony metali ziem rzadkich.
Laser półprzewodnikowy
Lasery półprzewodnikowe omówiono w materiałach dotyczących półprzewodnikowych elementów optoelektronicznych.
![Page 15: Lasery – budowa, rodzaje, zastosowanie budowa rodzaje... · 2013-01-21 · ustawione zwierciadła stanowią rezonator dla wybranej częstotliwości fali i określonego kierunku](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022050523/5fa7241bd6d8b826b070c97d/html5/thumbnails/15.jpg)
Laser gazowy
Odwrócenie obsadzeń poziomów jako przygotowanie do akcji laserowej w gazach może być uzyskane przez wyładowanie elektryczne. Ogromne znaczenie mają wówczas atomy w stanach metatrwałych, ich energia może być przekazana w zderzeniach atomom lub cząsteczkom właściwego ośrodka laserującego. Tak jest właśnie w laserze helowo-neonowym (He-Ne), w którym ciałem roboczym jest mieszanina helu i neonu o ciśnieniu cząstkowym helu około 130 Pa i neonu ok. 13 Pa. Wyładowanie elektryczne prowadzone w tej mieszaninie wzbudza atomy helu i neonu do różnych stanów. Najważniejsze jednak dla uzyskania akcji laserowych jest wzbudzenie atomów helu do dwóch stanów metatrwałych.
![Page 16: Lasery – budowa, rodzaje, zastosowanie budowa rodzaje... · 2013-01-21 · ustawione zwierciadła stanowią rezonator dla wybranej częstotliwości fali i określonego kierunku](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022050523/5fa7241bd6d8b826b070c97d/html5/thumbnails/16.jpg)
Budowę lasera He-Ne przedstawia schematycznie rysunek powyżej.
Rura laserowa (szklana lub kwarcowa) zamknięta jest doskonale płasko-
równoległymi okienkami nachylonymi do osi rury pod kątem Brewstera
(w celu minimalizacji strat przy odbiciu); jej typowe wymiary: długość -
kilkanaście cm do kilku m, średnica wewnętrzna - kilka do kilkunastu
mm. Do rury wlutowane są elektrody, do których przykłada się napięcie
powodujące wylądowanie. Rezonator tworzą zewnętrzne zwierciadła
![Page 17: Lasery – budowa, rodzaje, zastosowanie budowa rodzaje... · 2013-01-21 · ustawione zwierciadła stanowią rezonator dla wybranej częstotliwości fali i określonego kierunku](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022050523/5fa7241bd6d8b826b070c97d/html5/thumbnails/17.jpg)
(płaskie lub sferyczne w ustawieniu współogniskowym), z których jedno
ma pewną, niewielką przepuszczalność, co umożliwia wyprowadzenie
wiązki laserowej na zewnątrz.
W czasie trwania akcji laserowej wyładowanie stale podtrzymuje
różnicę obsadzeń, otrzymuje się zatem o akcję laserową o działaniu
ciągłym. Innymi laserami gazowymi są laser argonowy i laser, którego
czynnikiem roboczym jest dwutlenek węgla.
![Page 18: Lasery – budowa, rodzaje, zastosowanie budowa rodzaje... · 2013-01-21 · ustawione zwierciadła stanowią rezonator dla wybranej częstotliwości fali i określonego kierunku](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022050523/5fa7241bd6d8b826b070c97d/html5/thumbnails/18.jpg)
Literatura:
Strona www: http://www.fizyka.net.pl
Strona www: http://technologialaserowa.republika.pl/zasada.html
Strona www: http://www.porownaj-laser.pl