laser

laser

[ang. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ‘wzmacnianie światła przez wymuszoną emisję promieniowania’],

urządzenie wzmacniające lub generujące spójne promieniowanie elektromagnetyczne (fotony) w zakresie widmowym między daleką podczerwienią a nadfioletem;

zasada działania lasera jest oparta na wymuszonej emisji promieniowania elektromagnetycznego zachodzącej w układach atomów, jonów lub cząsteczek doprowadzonych przez tzw. pompowanie optyczne (wzbudzanie) do stanu inwersji obsadzeń odpowiednich poziomów energetycznych; stan inwersji — to stan, w którym na górnym poziomie przejścia laserowego jest znacznie więcej centrów aktywnych niż na poziomie dolnym; energia układu pochodzi z energii pompującej układ (promieniowanie wzbudzające, energia wyładowania elektrycznego, energia elektronów wiązki wzbudzającej, energia chemiczna i in.). Głównymi elementami lasera są: ośrodek czynny (osnowa z zawartymi w niej atomami lub jonami laserującymi), źródło pompujące oraz rezonator optyczny (w generatorze); rezonator umożliwia wytworzenie promieniowania monochromatycznego w postaci wiązki o niewielkiej średnicy i rozbieżności (od ok. 1 s do kilkunastu minut kątowych); promieniowanie to charakteryzuje się spójnością przestrzenną i czasową oraz dużym natężeniem; długość fali promieniowania zależy od właściwości rezonatora i ośrodka czynnego; moc promieniowania wynosi przy generacji ciągłej — od kilku miliwatów do setek kilowatów; przy generacji impulsowej energia impulsów wynosi od kilku µJ do kilku tysięcy J. Klasyfikując lasery według rodzajów osnowy, wyróżnia się: lasery na ciele stałym — w postaci kryształu dielektrycznego lub szkła optycznego, centrami czynnymi są zwykle jony pierwiastków z grupy lantanowców lub żelazowców; ośrodek czynny ma kształt walca długości od kilku do kilkudziesięciu cm i średnicy od kilku do kilkudziesięciu mm; lasery gazowe; lasery cieczowe (w tym barwnikowe) — pozwalają na ciągłą zmianę długości fali w zakresie widzialnym, w podczerwieni i nadfiolecie, lasery półprzewodnikowe — układem generującym promieniowanie jest struktura półprzewodnikowa, najczęściej jest to dioda ze złączem p–n, tzw. dioda laserowa; mają małe rozmiary i dużą sprawność, niektóre są przestrajalne.

Lasery znalazły zastosowanie w wielu dziedzinach nauki i techniki: a) w technologii materiałów (precyzyjne cięcie, spawanie i wiercenie trudno topliwych materiałów, dynamiczne wyważanie, zautomatyzowane cięcie papieru, tkanin, tworzyw sztucznych itp.); b) do precyzyjnych pomiarów długości, odległości, pułapu chmur, stopnia zanieczyszczeń atmosfery, szybkości przepływu, prędkości ruchu obrotowego (żyroskop optyczny) itp.; c) do sterowania pracą maszyn roboczych, wytyczania torów wodnych w portach, chodników w kopalniach, do precyzyjnego pozycjonowania złożonych konstrukcji; d) w medycynie i biologii (mikrochirurgiczne zabiegi okulistyczne, bezkrwawe zabiegi chirurgiczne, oczyszczanie zębów z próchnicy, usuwanie naczyniaków, zabiegi kosmetyczne); e) do zapisywania i odtwarzania dźwięków i obrazów (CD, DVD); f) w technice wojskowej (pomiar odległości, sterowanie bombami i pociskami, oświetlanie, specjalne metody rozpoznania i fotografowania; g) w holografii; h) w technologii chemicznej; i) w telekomunikacji optycznej (łącze laserowe, telekomunikacja światłowodowa). Użycie laserów zrewolucjonizowało spektroskopię atomową i cząsteczkową i powiększyło m.in. dokładność pomiarów stałych atomowych, a przez to i uniwersalnych stałych fizycznych. Do badania ultraszybkich procesów i reakcji chemicznych w układach molekularnych i w fizyce ciała stałego służą impulsy światła o czasie trwania rzędu pikosekund, otrzymywane w układach laserowych tzw. metodą synchronizacji modów. Impulsy takie po zogniskowaniu mają gęstość mocy do 10¹⁶ W/cm²; trwają prace nad impulsami jeszcze krótszymi, poniżej femtosekundy (10^–15 s), które otrzymuje się przez skracanie impulsów pikosekundowych. Lasery przyczyniły się do odkrycia i zbadania wielu zjawisk (m.in. bistabilności optycznej, wymuszonej przezroczystości ośrodka, generacji harmonicznych światła, wymuszonego rozpraszania światła), a także spowodowały rozwój nowych dziedzin nauki, takich jak elektronika kwantowa, optyka nieliniowa, holografia, optoelektronika i in. Rozwój techniki laserowej zmierza m.in. w kierunku: uzyskania większych mocy i energii promieniowania, zwiększenia sprawności i niezawodności działania, uzyskania promieniowania spójnego w zakresie rentgenowskim i γ, zastosowania w trójwymiarowym filmie i telewizji oraz do realizowania kontrolowanej syntezy termojądrowej. Duże nadzieje wiąże się z laserami na swobodnych elektronach, w których spójne promieniowanie o dużej mocy wysyła hamowana w polu magnetycznym wiązka elektronów przyspieszonych do prędkości relatywistycznych (bliskich prędkości światła).

Skonstruowanie lasera poprzedziły badania emisji wymuszonej w zakresie mikrofalowym (maser). Zasada pracy lasera została opracowana 1958 przez A.L. Schawlowa i Ch.H. Townesa, a pierwszy laser (rubinowy) został zbudowany 1960 przez T.H. Maimana.

Drukarka laserowa

Laser rubinowy, schemat; strzałki wskazują obieg gazu chłodzącego