CE ESTE UN LASER?
Cuvantul „laser” este un acronim pentru ‘Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation’. Toate laserele convertesc energia de intrare in lumina prin procesul de emisie stimulata.
Laserele variaza in dimensiune, de la dispozitive semiconductoare mici pana la sisteme uriase care umplu o cladire intreaga. De asemenea, folosesc diverse medii active – de la electroni liberi la materiale solide, dar toate aceste lasere functioneaza pe aceleasi principii de baza.
Fenomenul de „emisie stimulata” sta la baza functionarii laserului. Pentru a crea conditiile care produc si mentin emisia stimulata, laserele incorporeaza trei elemente functionale cheie. Acestea sunt:
- Un mediu de amplificare care are capacitatea de a sustine o inversie a populatiei.
- O sursa de pompaj care furnizeaza energia necesara pentru a crea inversiunea populatiei.
- O cavitate rezonanta care furnizeaza un mecanism de feedback pentru a sustine amplificarea si determina, de asemenea, proprietatile spatiale si spectrale ale fasciculului laser.
Cu toate acestea, forma si implementarea acestor trei elemente difera in mare masura de la un tip de laser la altul. Acest lucru include in mod specific utilizarea diferitelor tipuri de materiale laser (medii de amplificare care sustin emisia stimulata), modul in care energia este furnizata acestui material, formele cavitatii laser si caracteristicile de iesire.
Sa examinam principiile de baza ale fiecarui dintre aceste elemente si unele dintre formele pe care le iau in diverse tipuri de lasere.
MEDII DE AMPLIFICARE LASER
Pentru a intelege ce este un material de amplificare laser, este necesar sa intelegem mai intai procesul de emisie stimulata. Mecanica cuantica ne spune ca atomii si moleculele pot exista doar la anumite nivele de energie specifice, discrete. Nivelul de energie cel mai scazut se numeste starea fundamentala, in timp ce nivelele superioare de energie sunt cunoscute sub numele de stari excitate.
In mod normal, temperatura unui material determina cum sunt distribuiti atomii sau moleculele sale intre nivelele de energie posibile. Intr-o situatie de echilibru termic tipica, cea mai mare parte a atomilor sau a moleculelor se afla in starile de energie mai scazute, iar tot mai putini se afla in starile excitate.
In unele materiale, este posibil sa se furnizeze energie (prin procesul numit „pompaj”) pentru a crea o inversie a populatiei. Acest lucru inseamna ca mai mult de 50% dintre atomi sau molecule se afla in stare excitata – opusul situatiei normale de echilibru termic.
O inversie a populatiei creeaza conditii favorabile pentru procesul de emisie stimulata. Procesul incepe atunci cand un atom sau o molecula emite un foton si trece de la un nivel de energie mai inalt la un nivel de energie mai scazut. Acest lucru se numeste emisie spontana. Acest prim foton trece pe langa un alt atom sau molecula si il stimuleaza sa emita un al doilea foton. Al doilea foton are energie, directie, faza si polarizare identice cu fotonul de stimulare. Acesti doi fotoni declanseaza apoi emisia stimulata a altor doi fotoni – astfel incat acum exista patru fotoni. Acest proces se produce rapid in cascada pentru a crea un numar mare de fotoni identici. Aceasta cascada de fotoni – numita amplificare este baza actiunii laserului. Ea permite conversia energiei de pompaj in lumina laser coerenta.
Cu toate acestea, nu toate materialele pot sustine o inversie a populatiei si o emisie stimulata. Capacitatea de a face acest lucru depinde de mai multi factori, inclusiv nivelurile de energie permise in atomi sau molecule, probabilitatile de tranzitie intre aceste niveluri de energie, durata de viata a starilor excitate (cat timp atomul sau molecula tinde sa ramana in acea stare excitata) si multi alti factori. Materialele care pot sustine amplificarea vin in aproape orice forma de agregare – solid, lichid si gaz. In mod conventional, acestea sunt de obicei grupate in categorii, asa cum se arata in tabel.
| Mediu activ | Exemple |
| Gaz | Dioxid de carbon (CO2), Excimer, Argon-Ion, Helium-Neon (HeNe) |
| Lichid | Colorant fluorescent |
| Cristale solide dopate | YAG (Nd: YAG), Vanadat (Nd: YVO4), Titanium:Sapphire (Ti:S), Yb: sticla |
| Fibre optice dopate | Fibra dopata cu Erbiu, Fibra dopata cu Ytterbiu |
| Semiconductor cu diode | Diode Laser, Laser semiconductor pompat optic (OPSL), Laser cu emisie de suprafata cu emisie verticala (VCSEL) |
| Electroni liberi | Laser cu electroni liberi (FEL) |
POMPAREA LASERULUI
Energia trebuie furnizata dintr-o sursa externa in mediul de amplificare pentru a produce inversia populatiei. (Acest proces duce la emiterea stimulata, care produce efectul laser). Metoda depinde de mediul de amplificare. Cel mai des, energia este furnizata sub forma de electricitate sau lumina. O metoda mai putin obisnuita este energia eliberata dintr-o reactie chimica exoterma.
Toate mediile de amplificare in stare solida si pe fibra optica sunt izolatori electrici; cu alte cuvinte, ele nu pot conduce curent electric. Prin urmare, aceste materiale laser trebuie pompate optic. Adica, o sursa externa de lumina este concentrata in mediul de amplificare, iar atomii sau moleculele materialelor laser absorb aceasta lumina. Rezultatul: atomii sau moleculele ajung la starea excitata necesara.
Primele lasere solide au folosit lampi cu flash ca sursa de pompaj, si acestea sunt inca in uz pentru unele aplicatii. Principalul lor avantaj este costul redus si capacitatea de a furniza impulsuri laser de energie ridicata.
Dar lampile cu flash produc un spectru larg de lumina. Materialul de amplificare al laserului poate utiliza doar un spectru foarte ingust al acestei lumini – in mod specific, lungimea de unda care corespunde diferentei de energie intre starea fundamentala si cea mai inalta stare excitata. De fapt, cea mai mare parte a energiei de pompaj a lampii cu flash este irosita, ceea ce face ca aceste lasere sa fie ineficiente din punct de vedere electric, ceea ce inseamna ca produc mult caldura inutila. Ca rezultat, este necesar un sistem de racire destul de puternic pentru a elimina aceasta caldura.
Acum este mai obisnuit sa se pompeze laserele solide si pe fibra optica cu inca un laser, de obicei o dioda sau un laser cu solid. Lungimea de unda a laserului de pompaj este aleasa in mod special pentru a se potrivi cu absorbtia mediului de amplificare. Acest lucru produce o eficienta generala de pompare mult mai mare si reduce cerintele de racire.
Exista si un avantaj suplimentar in utilizarea unui laser ca sursa de pompaj. Cele mai multe lasere produc un fascicul usor de focalizat. Acest lucru permite ca lumina de pompaj sa fie concentrata in mediul de amplificare exact acolo unde este cel mai benefic. Adica, in ceea ce se numeste „volum de mod.” Acesta este regiunea din interiorul mediului de amplificare ocupata efectiv de fasciculul laser. Lumina de pompaj care intra in alte parti ale mediului laser este irosita. Umplerea eficienta a volumului de mod maximizeaza eficienta laserului si imbunatateste, de asemenea, calitatea fasciculului de iesire.
Laserele cu fibra care folosesc lasere cu diode cuplate cu fibra ca sursa de pompaj sunt un bun exemplu al acestui principiu. Acestea pot fi usor configurate astfel incat lumina de pompa sa fie directionata in principal in miezul sau in mantaua fibrei de amplificare, dupa cum este necesar – si rezultatul este un sistem laser extrem de eficient.
Pomparea electrica poate fi folosita cu laserele semiconductor (cu diode), deoarece acestea sunt dispozitive concepute in mod specific pentru a conduce electricitate. In special, ele constau dintr-o jonctiune p-n care este polarizata direct. Tensiunea aplicata furnizeaza energie pentru a promova suficienti electroni din banda de valenta a semiconductorului in banda sa de conductie pentru a crea o inversie a populatiei. Fotoni sunt emisi atunci cand electronii si golurile (absenta unui electron in banda de valenta) se recombina, iar inversia populatiei permite producerea unei emisii stimulate.
Este, de asemenea, posibil sa se pompeze optic un laser pe semiconductor. In acest caz, iesirea altui laser cu diode este focalizata in regiunea activa a diodei. Aceasta furnizeaza energie de pompaj optica, in loc sa se utilizeze curent electric. Pomparea optica face ca laserul semiconductor sa fie mai complex, dar poate oferi o gama mai larga de lungimi de unda ale iesirii laserului, o putere de iesire mai mare si o mai buna eficienta (adica mai putina generare de caldura).
Pomparea electrica a laserelor cu gaze este putin mai complexa. Laserele cu gaz constau de obicei din mai multe gaze continute intr-un tub laser. Se foloseste o tensiune inalta pentru a crea o descarcare de electroni in interiorul tubului laser. Acesti electroni de energie mare afecteaza moleculele de gaz si le confera energie.
In cazul laserelor cu CO2, electronii se ciocnesc cu moleculele de azot si le excita vibrational. Aceste molecule de azot se ciocnesc ulterior cu moleculele de CO2, transferandu-le energie pentru a crea o inversie a populatiei.
Un alt exemplu sunt laserele cu ioni. In acestea, o descarcare de electroni creeaza din nou coliziuni cu moleculele de Argon sau Krypton din interiorul tubului laser. Prima coliziune ionizeaza gazul. Apoi, coliziunile ulterioare cu ioni furnizeaza energie pentru a-i plasa intr-o stare excitata si a produce o inversie a populatiei.
| Tip laser | Sursa tipica de pompaj |
| CO2 | Descarcare electrica |
| Diode | Curent electric (laser cu diode), Laser cu diode (OPSL, VCSEL) |
| Excimer | Descarcare electrica |
| Fibra | Laser cu diode |
| Ion | Descarcare electrica |
| Solid-State | Lampa cu flash, Laser cu dioda |
| Titanium:Sapphire | Laser solid (Nd: YVO4), OPSL |
CAVITATILE REZONANTE
In mod obisnuit, o cavitate rezonanta (sau rezonator) este folosita pentru a face fotonii sa treaca prin mediul de amplificare de mai multe ori inainte de a iesi din laser. Acest lucru este necesar pentru a construi o putere de iesire laser utila, deoarece gradul de amplificare la fiecare trecere prin mediul activ este relativ mica. O exceptie majora de la aceasta este laserul excimer, care furnizeaza o cantitate foarte mare de amplificare chiar si cu un numar mic de treceri.
Cel mai simplu tip de cavitate rezonanta este construit cu doua oglinzi fata in fata, iar mediul de amplificare al laserului este plasat intre ele. Oglinda din spate reflecta cat mai aproape de 100%. Oglinda din fata – numita cuplaj de iesire – poate avea o reflectivitate intre 30% si 99% in functie de mediul de amplificare.
In functionare, lumina se reflecta inainte si inapoi intre aceste oglinzi, castigand intensitate cu fiecare trecere prin mediul laser. O parte din lumina iese din rezonator prin cuplajul de iesire. Ca rezultat, intensitatea luminii in interiorul rezonatorului laser este intotdeauna mult mai mare decat intensitatea luminii care iese din dispozitiv. Oglinzile de la capete au adesea o curbura pentru a limita spatial lumina (pentru a impiedica fotoni sa „iasa” din rezonator dupa mai multe treceri) si pentru a defini forma fasciculului.
LASER RESONATOR BASICS
Principalele elemente ale unui rezonator laser. O sursa de pompaj furnizeaza energie intr-un mediu activ plasat intre oglinzi. Oglinzile furnizeaza feedback, facand ca fotonii emisi sa treaca de mai multe ori prin materialul de amplificare.
Un rezonator utilizand doua oglinzi plane este simplu de construit, dar este foarte sensibil la dezechilibrare, deoarece aceasta provoaca ca un foton sa „iasa” dupa un numar mic de treceri. Cu toate acestea, daca rezonatorul este fizic mic, aceasta nu este o problema. Aceasta configuratie este folosita in mod obisnuit in laserele cu diode.
Transformarea unuia sau a ambelor oglinzi in oglinzi concave limiteaza mai bine fasciculul in interiorul rezonatorului si ofera, de asemenea, un laser cu un fascicul mic si bine definit. Variante ale acestui design de rezonator sunt comune pentru multe lasere cu stare solida si gaze.
Intr-un laser cu fibra, oglinzile sunt adesea retele Bragg de fibre (FGB) de înaltă reflexie integrate direct in fibra. In acest caz, fibra insasi limiteaza spatial fasciculul si ii defineste forma. In laserele cu diode, oglinzile sunt formate prin scindarea capetelor dispozitivului semiconductor si aplicarea de acoperiri optice subtiri pe ele.
CARACTERISTICILE UNICE ALE LUMINII LASER
Laserele au devenit instrumente indispensabile intr-o gama diversa de aplicatii. Adevarul este ca principiile lor de functionare si constructia ofera un set unic de caracteristici ale fasciculului de lumina care nu pot fi duplicate de nicio alta tehnologie. Mai jos sunt descrise unele dintre cele mai importante proprietati.
| Proprietate | Explicatie | Aplicatii |
| Coerenta | Emiterea stimulata produce fotoni care sunt cu toti in faza unii cu ceilalti. Aceasta se numeste „coerenta.” Aceasta proprietate permite luminii laser sa produca modele de interferenta bine definite. | Interferometrie Holografie Giroscoape optice cu interferometrie (IFOGs) Tomografie cu coerenta optica (OCT) |
| Directionalitate | Mecanismul de emitere stimulata si caracteristicile cele mai comune ale rezonatoarelor cu laser duc frecvent la obtinerea unui fascicul extrem de directional care nu se imprastie rapid cu distanta. | Proiectoare laser pentru cinematografie si spectacole de lumina Tintire si urmarire Telecomunicatii terestre si spatiale prin aer |
| Intensitate mare | Lumina laser poate fi extrem de intensa, deoarece intreaga putere a laserului poate fi usor concentrata (focalizata) intr-un punct mic. | Taiere, marcare, sudura si tratamente termice Litotripsia si alte utilizari chirurgicale Spectroscopie de distrugere indusa laser Fuziunea cu laser |
| Monocromaticitate | Emiterea stimulata produce fotoni care au toti aceeasi lungime de unda sau o gama foarte restransa de lungimi de unda. | Telecomunicatii Spectroscopie Citometrie in flux Microscopie cu laser Proiectoare laser pentru cinematografie si spectacole de lumina |
Primul laser a fost demonstrat in 1960. Desi a generat un anumit interes si entuziasm, a ramas in mare parte o „solutie in cautarea unei probleme” in primii ani. Cu timpul, au fost dezvoltate aplicatii practice pentru laser. Astazi, laserele sunt comune si se gasesc intr-o gama extraordinar de diversa de aplicatii.
Laserele numara celulele sanguine in timpul testelor de laborator. Laserele sunt folosite pentru a proiecta filme in multe cinematografe. Laserele sunt folosite pentru a efectua nenumarate operatii si alte proceduri medicale in fiecare an. Laserele sudeaza componentele automobilelor si sunt cheia in productia de vehicule electrice. Laserele transporta practic toate apelurile telefonice si toate datele de internet prin cablurile cu fibra optica. Laserele creeaza circuitele microelectronice care alimenteaza toata tehnologia moderna. Multi oameni poarta lasere cu ei tot timpul – deoarece sunt incorporate in unele telefoane mobile pentru masurarea distantei. Laserele marcheaza multe dintre ambalajele utilizate pentru bunurile de consum cu informatii precum coduri de date si numere de serie. Laserele au numeroase utilizari in cercetarea stiintifica, de la neurostiinta de ultima generatie, microscopie si spectroscopie, pana la astronomie cu unde gravitationale. Astazi, laserele cu adevarat lumineaza calea catre un viitor mai stralucit.
