LASERI NOTIUNI FUNDAMENTALE.APLICATII

Efectul de amplificare se bazează pe fenomenul emisiei induse Un atom în stare excitată se poate dezexcita spontan Un atom în stare excitată se poate dezexcita în urma unui stimul exterior cu o energie egală cu cea a stimului FOTONUL INCIDENT ESTE MULTIPLICAT

Pentru a activa inversia de populaţie este necesară activarea atomilor pe nivele energetice superioare fenomen numit populare

Emisie spontană. Emisie stimulată

Pomparea singură nu produce efect laser Este necesară realizarea condiţiilor energetice pentru producerea de inversie de populaţie Este necesară apariţia emisiei stimulate

AMPLIFICATOARE ŞI GENERATOARE CUANTICE Dacă într-un dispozitiv cuantic intensitatea radiaţiei emise este mai mare ca intensitatea radiaţiei incidente, dar are aceeaşi frecvenţă, acesta reprezintă un amplificator cuantic de radiaţie, iar dacă frecvenţa radiaţiei emise e diferită de frecvenţa radiaţiei incidente, dispozitivul reprezintă un generator cuantic. Intr-un amplificator sau generator cuantic de radiaţie o importanţă deosebită o prezintă emisia spontană de radiaţie, care este considerată ca un "zgomot de fond". Efectul acesteia poate fi redus prin mărirea intensităţii radiaţiei incidente peste o anumită valoare numită intensitate de prag. Din compararea radiaţiei stimulate cu radiaţia spontană se observă că faza radiaţiei spontane are o valoare întâmplătoare şi, ca urmare, radiaţia spontană nu este coerentă, în timp ce radiaţia stimulată are aceeaşi fază cu radiaţia incidentă şi, ca atare, radiaţia stimulată este coerentă.

Generatoarele şi amplificatoarele cuantice poartă nume diferite în funcţie de domeniul spectral al radiaţiei stimulate pe care o produc. Denumirea de maser = amplificator de microunde prin emisie stimulată de radiaţie - desemnează instalaţii care emit radiaţii în domeniul microundelor (λ=1 cm, v=30 GHz). Denumirea de laser = amplificator de lumină prin emisie stimulată a radiaţiei (light amplification by stimulated emission of radiation) - o au instalaţiile care emit radiaţii în domeniul optic (λ=0,4-0,8 μm) şi în infraroşul apropiat. Laserii, după mediul activ pe care-l au, se pot clasifica în diferite moduri. Aici, vom trata pe scurt numai laserul cu rubin (mediu activ solid) şi laserul cu He-Ne (cu gaz).

Laserul cu rubin Primul laser a fost realizat de Maiman în 1960, obţinând în rubin tranziţii laser în roşu. Vom face o descriere a laserului cu rubin (fig.1.1.), în care se utilizează o bară cilindrică de monocristal de rubin R, având cele două feţe S 1 şi S 2 argintate astfel: unul din capete are coeficientul de reflexie, practic, egal cu unu, iar celălalt capăt are o transparenţă de 4%. Bara de rubin este înfăşurată cu un tub T în formă de spirală, umplut cu xenon, în care se poate provoca o descărcare electrică, acesta constituind mecanismul de pompaj optic. Întregul ansamblu este introdus într-un cilindru C, acoperit pe interior cu un strat reflectant de oxid de magneziu. Laser cu rubin: Raza laser1. ; 2. Sursa de emisie; 3. Laser mediu; 4.Oglinda puternic reflectorizanta ; 5. Rezonator optic; 6. Oglinda partial reflectorizanta Fig. 1.1

Prin trecerea unui impuls de curent de înaltă frecvenţă prin tubul T, se produce un impuls de lumină care, ajungând pe R prin reflexii pe suprafaţa interioară a cilindrului, provoacă emisia unei radiaţii laser. Explicarea fenomenului este următoarea: mediul activ este o bară de rubin roz care este un oxid de aluminiu (Al 2 O 3 ), dopat cu aproximativ 0,05 % ioni de Cr +3, care înlocuiesc ionii Al +3 în reţeaua cristalină. Inversia de populaţie se realizează între două nivele energetice ale ionului de Cr +3 (fig.1.2). Când lumina de culoare verde emisă de tubul de xenon (λ=5600 Å) ajunge în bara R, ionii de Cr +3 trec de pe nivelul E 1 pe nivelul E 3 unde stau mai puţin de 10-8 s, după care, prin emisie neradiativă (emisie de fononi), trec pe nivelul E 2 (metastabil - unde stau 10-3 s). Timpul de viaţă lung în starea E 2 face ca pe acest nivel să se acumuleze un număr mare de ioni de Cr +3, în timp ce starea E 1 este sărăcită, realizându-se astfel inversia de populaţie. La revenirea ionului de Cr +3 de pe nivelul E 2 pe nivelul E 1, se emite o radiaţie laser de culoare roşie cu λ=6943 Å. Fig. 1.2

Emisia neradiativă nu deranjează radiaţia laser, deoarece ea este formată din cuante de energie termică, care sunt absorbite de reţeaua monocristalului şi care provoacă doar încălzirea barei. Emisia spontană între nivelele E 2 şi E 1 este formată din fotoni care se deplasează în toate direcţiile (fig.1.3). Acei fotoni care se deplasează paralel cu axa barei sunt multiplu reflectaţi pe feţele S 1 şi S 2, producând, de fapt, emisia stimulată. Acei fotoni, care se deplasează pe direcţii diferite faţă de axa barei de rubin, ies din cristal, fie direct, fie după un număr oarecare de reflexii pe cele două feţe. Fig. 1.3

Laserul cu rubin lucrează în regim de impulsuri, aceasta datorându-se faptului că pe lângă condiţia de inversie de populaţie, ce trebuie realizată, mai trebuie satisfăcută condiţia N 2 -N 1»N prag unde N 1 şi N 2 reprezintă numărul de particule de pe nivelul E 1, respectiv E 2. Dacă condiţia de prag este satisfăcută, atunci are loc emisia unei radiaţii laser sub forma unui impuls (fig.1.3), care se repetă la intervale egale de timp, datorită faptului că pompajul nu ţine pasul cu emisia. In dispozitivul descris, laserul cu rubin funcţionează ca un generator cuantic de radiaţie deoarece este pompat optic cu o radiaţie verde (λ=5600 Å) şi generează una roşie (λ=6943 Å), emisia stimulată fiind provocată de primii fotoni emişi spontan. Funcţionarea lui ca amplificator cuantic se realizează prin iradierea cu radiaţie roşie (λ=6943 Å), şi prin emisie stimulată apare o radiaţie de aceeaşi lungime de undă, dar de intensitate mai mare. Fig. 1.4

Laserul cu He-Ne Există multe tipuri de laser care au ca mediu activ gaze sau amestecuri de gaze, care pot fi atomice (heliu, neon, argon, kripton, etc.) sau moleculare (CO 2 ). Vom descrie numai laserul cu amestec de He-Ne a cărui schemă este dată în figura 2.1. Mediul activ, format din amestecul de He şi Ne în proporţie de 5 atomi de He la un atom de Ne, la presiunea de 0,6 torri, se află într-un tub între oglinzile O 1 şi O 2. In laserul cu gaz inversiunea de populaţie nu se mai realizează prin pompaj optic, ci prin ciocnirile atomilor cu electronii. Electronii sunt produşi prin ionizarea unor atomi cu ajutorul unui câmp electromagnetic produs de o tensiune alternativă de înaltă frecvenţă (v=10 14 Hz) aplicată electrozilor de pe tubul de sticlă. Tub laser He-Ne Fig. 2.1

In figura 2.2.este dată o schemă simplificată a câtorva nivele de energie implicate în efectul laser a acestui dispozitiv. Energia unuia dintre nivelele atomului de He are valoarea E 3 =20,61 ev, destul de aproape de nivelul energetic E 2 =20,66 ev al atomului de Ne. Atomii de He sunt excitaţi pe nivelul E 3 prin ciocnirea lor cu electronii care au energia cinetică egală cu energia de excitare. Ciocnirea unui atom de He cu atom de Ne conduce la dezexcitarea neradiativă a atomului de He şi excitarea atomului de Ne pe nivelul E 2. Prin trecerea atomilor de Ne de pe nivelul E 2 pe nivelul E 1, apare radiaţia laser de culoare roşie (λ=6328 Å). Apoi, atomii din starea E 1 trec în starea metastabilă E 1 ' prin emisie de radiaţie necoerentă (λ=6680 Å) într-un interval de 18-8 s, după care trec în starea fundamentală prin emisie neradiativă. Datorită numărului mare de ciocniri dintre electroni şi atomi, inversiunea de populaţie se menţine şi în timpul tranziţiei laser şi, ca urmare, laserul poate funcţiona în mod continuu, dar cu putere nu prea mare. Fig. 2.2.

Proprietăţile şi aplicaţiile radiaţiei laser. Principalele proprietăţi ale radiaţiei laser sunt: monocromaticitatea, direcţionalitatea, coerenţa şi puterea. Monocromaticitatea este proprietatea prin care o radiaţie are o singură lungime de undă (o singură culoare). O radiaţie laser este cu atât mai monocromatică cu cât se încadrează într-o bandă Δλ mai mică. De exemplu, radiaţia laser emisă de laserul cu He- Ne se încadrează în intervalul Δλ=0,001 Å. Monocromaticitatea se datorează faptului că toţi fotonii stimulaţi au aceleaşi caracteristici cu fotonul stimulator. Direcţionalitatea este proprietatea laserului de a emite lumină într-o singură direcţie, fapt ce se datorează celor două suprafeţe reflectante care asigură menţinerea în mediul activ numai a fotonilor care se deplasează paralel cu axa tubului. Coerenţa radiaţiei laser este proprietatea acestuia prin care toţi fotonii au aceeaşi fază datorită faptului că prin emisia stimulată se produc fotoni cu aceleaşi caracteristici cu cele ale fotonului incident. O radiaţie este cu atât mai coerentă cu cât contrastul franjelor de interferenţă, obţinute cu această radiaţie, este mai mare. Experienţe de interferenţă cu raze laser arată un înalt grad de coerenţă. Puterea unui laser reprezintă energia transportată de radiaţia laser în unitatea de timp. Astfel, laserul cu He-Ne are puteri cuprinse între 1 şi 100 mw, laserul cu argon ionizat are un domeniu de la 1,5 la 10 W, iar laserul cu CO 2 poate da puteri până la 1 KW.

Aplicaţii ale radiaţiei laser In metrologie. Metodele optice pentru măsurarea dimensiunilor, unghiurilor, planeităţii suprafeţelor şi rectilinităţii sunt recunoscute pentru precizia lor deosebită, dar acestea rareori au pătruns în industrie din cauza necoerenţei radiaţiei luminoase a surselor convenţionale. Acest inconvenient a fost înlăturat prin folosirea unei radiaţii laser. De exemplu, cu un interferometru Michelson cu laser se pot măsura deplasări până la 0.01 μm, sau prin difracţia unei radiaţii laser pe fire subţiri se pot măsura diametrele acestora, care pot fi cuprinse între 1 şi 100 μm. In construcţie. Un fascicul laser, vizibil prin aer, serveşte ca linie de referinţă faţă de care se aliniază elementele de construcţie. In prelucrarea materialelor. Direcţionalitatea surselor de radiaţie laser, corelată cu intensitatea lor deosebită, conduce la posibilitatea de a obţine densităţi de energie foarte mari capabile să topească materialele cele mai greu fuzibile, să sudeze materiale imposibil de sudat prin alte metode, să găurească şi să taie materialele cele mai dure, etc.