Technologia laserowa w teorii

Definicja

Co to jest LASER ?

(ang. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – wzmocnienie światła przez wymuszoną emisję promieniowania) – urządzenie będące źródłem promieniowania elektromagnetycznego z zakresu od podczerwieni do nadfioletu (obecnie nawet do częstotliwości promieniowania X). Światło emitowane przez laser jest spójne – rozchodzi się wiązką o kącie promieniowania do kilku minut kątowych i prawie idealnie monochromatyczne – długości fal mogą zawierać się w bardzo wąskim zakresie wartości (nawet do kilkunastu kHz). Atomy ośrodka czynnego lasera wzbudzane są tak, aby elektrony przechodziły na wyższe poziomy energetyczne, zewnętrzna stymulacja powoduje, że przy powrocie na niższy poziom emitują energię w postaci fotonów, których strumień odbijając się pomiędzy przeciwległymi zwierciadłami rezonatora powiększa się, wymuszając promieniowanie innych atomów i po przekroczeniu pewnej wartości krytycznej jest emitowany na zewnątrz (emisja wymuszona). Kolor (częstotliwość) promieniowania zależy od rodzaju ośrodka czynnego, który określa rodzaj lasera. Promieniowanie lasera może mieć charakter impulsowy lub ciągły.

Źródło: http://www.i-slownik.pl

Struktura lasera

Laser składa się z trzech zasadniczych elementów, którymi są:

Ośrodek aktywny, czyli zespół atomów, jonów lub też cząsteczek.
Układ pompujący, czyli układ, który wytwarza inwersję obsadzeń między stanami zaangażowanymi w przejście laserowe. Inwersja obsadzeń tych stanów jest warunkiem koniecznym do uzyskania wzmocnienia promieniowania.
Rezonator, czyli układ optyczny, który sprzęga promieniowanie charakterystyczne dla danego ośrodka z tym ośrodkiem. W najprostszym przypadku rezonator stanowią 2 płaskie, doskonale odbijające zwierciadła, które są ustawione idealnie równolegle do siebie w odległości L = nλ/2, (n jest liczbą całkowitą, λ jest długością fali światła laserowego) umożliwiającej powstanie w nim fal stojących. Częstości tych fal są częstościami modów podłużnych lasera. Liczba modów zależy od szerokości dopplerowskiej Δvd linii widmowej, dla której zachodzi przejście laserowe w ośrodku aktywnym. Odległość w skali częstości między sąsiednimi modami wynosi Δv = c/2L, gdzie c jest prędkością światła w próżni. Zatem wzmocnieniu mogą ulec tylko te mody (drgania o określonej częstości), które mieszczą się w profilu linii emisyjnej – jest ich tyle, ile wynika z podzielenia Δvd/Δv.
Drugie zwierciadło rezonatora
Wiązka laserowa

Źródło: http://www.igf.fuw.edu.pl

Rodzaje laserów

I. Podział laserów w zależności od ośrodka czynnego

Ośrodek czynny decyduje o najważniejszych parametrach lasera, określa długość emitowanej fali, jej moc, sposób pompowania, możliwe zastosowania lasera. W nawiasach podano długości fal emitowanego światła.

1. Lasery gazowe

laser helowo-neonowy (543 nm lub 633 nm)
laser argonowy (458 nm, 488 nm lub 514,5 nm)
laser azotowy (337,1 nm)
laser kryptonowy (jonowy 647,1 nm, 676,4 nm)
laser na dwutlenku węgla (10,6 μm)
laser na tlenku węgla

2. Lasery na ciele stałym

laser rubinowy (694,3 nm)
laser neodymowy na szkle
laser neodymowy na YAG-u (Nd:YAG)
laser erbowy na YAG-u (Er:YAG) (1645 nm)
laser tulowy na YAG-u (Tm:YAG) (2015 nm)
laser holmowy na YAG-u (Ho:YAG) (2090 nm)
laser tytanowy na szafirze (Ti:szafir)
laser na centrach barwnych

3. Lasery na cieczy

lasery barwnikowe – ośrodkiem czynnym są barwniki rozpuszczone w nieaktywnym ośrodku przezroczystym, np. rodamina

4. Lasery półprzewodnikowe

złączowe (diody laserowe)
laser na materiale objętościowym
laser na studniach kwantowych
laser na kropkach kwantowych
bezzłączowe
kwantowy laser kaskadowy

II. Podział laserów w zależności od zastosowań

1. Specjalne lasery gazowe wytwarzające ultrafiolet o możliwie jak najmniejszej długości fali używane do produkcji półprzewodnikowych układów scalonych:

F_2 (157 nm)
ArF (193 nm)
KrCl (222 nm)
XeCl (308 nm)
XeF (351 nm)

2. Lasery używane w stomatologii i dermatologii, w tym do usuwania tatuaży, znamion oraz włosów:

laser rubinowy (694 nm)
aleksandrytowy (755 nm)
pulsacyjna matryca diodowa (810 nm)
Nd:YAG (1064 nm)
Ho:YAG (2090 nm)
Er:YAG (2940 nm)

3. Półprzewodnikowe diody laserowe:

małej mocy – używane we wskaźnikach laserowych, drukarkach laserowych, CD/DVD
dużej mocy – używane w przemyśle do cięcia i spawania, występują o mocach do 10 kW

Źródło: http://pl.wikipedia.org

Opis wybranych typów laserów

1. Laser typu CO₂

Laser CO₂ jest laserem gazowym o pracy ciągłej lub impulsowej, generujący promieniowanie z zakresu dalekiej podczerwieni o długości fali ok. 10,6 µm i ok. 9,5 µm. Ośrodkiem czynnym jest mieszanina gazów N₂-CO₂-He, przy czym akcja laserowa powstaje przy przejściu między poziomami oscylacyjno-rotacyjnymi cząsteczki CO₂. Inwersję obsadzeń uzyskuje się głównie w wyładowaniu elektrycznym w procesie zderzeniowego przekazu energii od molekuł azotu, wzbudzonych za pośrednictwem elektronów wyładowania, a także przy bezpośrednim wzbudzeniu drgań molekuły dwutlenku węgla w procesie zderzeń z elektronami. Jako gaz buforujący stosuje się hel, w zderzeniu z atomami którego zachodzi opróżnienie poziomów dolnych. W najszerzej stosowanej mieszaninie gazów dwutlenek węgla wypromieniowuje energię; azot energię gromadzi; hel opróżnia poziomy dolne. Dodatkowo hel ułatwia wyładowania elektryczne i chłodzi mieszaninę gazową. Możliwe jest także wzbudzenie gazodynamiczne i przekazanie energii od molekuł wzbudzonych na drodze chemicznej.

Wśród laserów molekularnych CO₂ wyróżnia się:

lasery o pobudzaniu podłużnym (wyładowanie elektryczne wytwarza się wzdłuż osi rury wyładowawczej i osi rezonatora optycznego)
lasery o pobudzaniu poprzecznym lasery TEA (pobudzenie polem elektrycznym skierowanym poprzecznie do osi rezonatora optycznego)

Lasery o pobudzaniu podłużnym na ogół pracują w sposób ciągły i w zależności od rozmiarów rury generują moc od kilku wat do kilku kilowat. W laserach o mocy powyżej kilkudziesięciu wat stosuje się ciągły przepływ mieszaniny gazów N₂-CO₂-He. Rozmiary rury wyładowczej w zależności os mocy generowanej wynoszą od kilku do kilkunastu metrów. W celu zmniejszenia długości lasera stosuje się rurę wyładowawczą składającą się z odcinków ułożonych obok siebie, a wiązkę promieniowania kieruje się odpowiednimi układami zwierciadeł.

Laser molekularny CO₂ o pobudzeniu poprzecznym i ciśnieniu atmosferycznym mieszaniny gazów, lasery TEA, pracują impulsowo o czasie trwania impulsu rzędu µs. Generują one moc od kilkudziesięciu kilowat do kilkuset megawat i energię J do kilkuset J w impulsie, zwykle w układzie generator – wzmacniacz dla dużych energii. Częstotliwość przetwarzania impulsów dla małej energii w impulsie wynosi kilkaset Hz, dla dużych energii ułamek Hz. W laserach tych stosuje się ciągły przepływ gazów N₂-CO₂-He. Wyładowanie elektryczne jest wytwarzane impulsowo polem elektrycznym skierowanym prostopadle do osi rezonatora optycznego przy zastosowaniu wstępnej jonizacji gazu znajdującego się między elektrodami strumieniem elektronów lub promieniowania dalekiego nadfioletu.

W laserach CO₂ z wyładowaniem elektrycznym przy niskim (kilkadziesiąt torów) ciśnieniu gazu stosuje się – wyładowanie podłużne w rurach stosunkowo długich. Przy ciśnieniu wysokim (ok. 1 atm. i większym) stosuje się – wyładowanie poprzeczne. Wyładowanie jest inicjowane i podtrzymywane na drodze jonizacji gazu w obszarze wyładowawczym przez promieniowanie UV, wiązkę elektronów itp. Laser generuje promieniowanie głównie na długości fali 10,6 µm oraz 9,4 µm i charakteryzuje się wysoką sprawnością, rzędu 10÷30%. Uzyskane moce dla laserów impulsowych tego typu są rzędu terawatów, dla laserów ciągłego działania ~ 90 kilowatów.

Lasery CO₂ są stosowane w badaniach fizycznych, obróbce materiałów, w medycynie, wojskowości, telekomunikacji, laserowej syntezie termojądrowej i innych obszarach nauki i techniki. Pierwszy laser CO₂ został zbudowany w 1964 r. przez C. K. N. Patela w USA i generował promieniowanie o mocy ~1 mW na 13 liniach o długości fal ok. 10 µm. Był to laser ciągłego działania.

Źródło: http://www.fotonika.hermeneutikos.com

2. Laser neodymowy Nd:YAG

Można wyróżnić mikrolasery objętościowe i cienkowarstwowe. Pompowanie odbywa się za pomocą półprzewodnikowych diod laserowych. Długość aktywnego ośrodka objętościowego jest rzędu 1mm. Możliwość budowy lasera o tak małych wymiarach powstała w wyniku opanowania technologii diod generujących wiązkę o mocy rzędu watów z możliwością dopasowania pasma emisji tych diod do pasma maksymalnej absorpcji neodymu (λ=0.81 μm). Długość fali emitowanej przez laser wiązki λ=1.06 μm. Przejścia kwantowe realizowane są na jonach neodymu. Dichroniczne zwierciadła tworzą układ rezonatora otwartego dla mikrolasera objętościowego i falowodowego. Wiązka pompująca (λ=0.81 μm) powinna być transmitowana przez pierwsze zwierciadło i całkowicie odbijana przez drugie. Natomiast wiązka generowana przez laser (λ=1.06 μm), jak w typowym rezonatorze, powinna być całkowicie odbijana przez drugie zwierciadło i częściowo transmitowane przez pierwsze.

Mikrolaser objętościowy w połączeniu z kryształem nieliniowym tworzy laser o zwartej budowie, emitujący linię zieloną (druga harmoniczna, λ=0.533 μm) o mocy nawet kilkunastu miliwatów. Tą drogą można uzyskać również harmoniczne wyższe niż druga i uzyskać promieniowanie w nadfiolecie.

Źródło: http://www.laser.az.pl

Zastosowanie laserów

Zastosowanie lasera wywarło poważny wpływ na wiele dziedzin nauki i techniki np.:

technologię materiałów (precyzyjne cięcie, spawanie i wiercenie trudno topliwych materiałów, wyważanie dynamiczne zautomatyzowane cięcie papieru, tkanin, tworzyw sztucznych itp.)
precyzyjne pomiary długości, odległości, pułapu chmur, stopnia zanieczyszczeń atmosfery, szybkości przepływu itp.
sterowanie pracą maszyn roboczych, wytyczanie torów wodnych w portach, chodników w kopalniach, precyzyjne pozycjonowanie złożonych konstrukcji
medycynę i biologię (mikrochirurgiczne zabiegi okulistyczne, bezkrwawe zabiegi chirurgiczne, zapobieganie próchnicy, usuwanie naczyniaków, zabiegi kosmetyczne)
zapisywanie i odtwarzanie dźwięków i obrazów
technikę wojskową (pomiar odległości, sterowanie bombami i pociskami, oświetlanie, specjalne metody rozpoznania i fotografowania)
holografię;
technologię chemiczną (selektywna kataliza reakcji chemicznych);
telekomunikację optyczną (wielokanałowa łączność światłowodowa między dużymi centrami obliczeniowymi).

Źródło: http://www.sciaga.pl

Moc źródeł laserowych

Główni producenci źródeł laserowych na świecie specjalizują się w określonych zakresach mocy:

Universal Laser Systems produkuje źródła o mocy od 10 do 120W
Synrad od 10 do 400W
ElEn produkuje źródła o mocy od 30 do 6000W
Rofin Sinar posiada w ofercie źródła do 8000W

Źródło:
http://www.ulsinc.com
http://www.synrad.com
http://www.elengroup.com
http://www.rofin.com