Metode complementare de analiza experimentala a biosistemelor

Capitolul 2. Laseri

CURS 3

3. Laseri

In ultimele decenii s-au dezvoltat si au luat o extindere din ce in ce mai mare noi ramuri ale tehnicii ca: microelectronica, electrotehnica, mecanica fina, optica, industria aerospaiala etc., fapt care a impus utilizarea, si in unele sectoare generalizarea, unor procedee de prelucrare mai noi - "neconvenionale" - cum sunt: prelucrarea cu laser, prelucrarea cu flux de electroni, prelucrarea cu flux de ioni, prelucrarea cu jet de plasma etc. Extinderea utilizrii acestor procedee este urmarea fireasca a faptului ca acestea fac posibila prelucrarea in condiii de eficienta tehnico-economica ridicata - unor materiale cu proprieti speciale, cum sunt: otelurile greu prelucrabile prin achiere, carburile metalice, diamantele naturale si sintetice, materialele mineraloceramice, metalele pure etc. De altfel, in tarile puternic dezvoltate industrial, cum ar fi Rusia, S.U.A., Frana, Japonia, Canada, R. F. Germania etc., prelucrrile cu fascicule dirijate fotoni, electroni, ioni) au cunoscut o dezvoltare tot mai rapida si aceasta in condiiile in care criza energetica a impus si in domeniul industriei constructoare de maini noi metodologii mai economicoase, dar cu eficienta tehnica sporita. Unul dintre cele mai noi procedee utilizate in industria constructoare de maini este cel bazat pe ,,amplificarea luminii prin stimularea emisiei de radiaii" procedeu cunoscut sintetic sub denumirea de LASER (,,Light Amplification by Stimulated Emision of Radiation"). In fapt, procedeul este o dezvoltare a amplificrii de microunde prin emisie stimulata a radiaiei MASER (,,Microwave Amplification by Stimulate Emision of Radiation"). Ambele fenomene au putut fi analizate si utilizate pe baza cercetrilor referitoare la structura atomului, efectuate pentru nceput de E. Rutherford si N. Bohr. Aspectele teoretice ale fenomenului LASER erau nsa cunoscute nc din 1917, cnd E. Einstein, pe baza cercetrilor efectuate de M. Plank referitoare la radiaii, stabilete relaiile analitice ale emisiei stimulate a luminii. Folosirea emisiei stimulate n amplificarea microundelor se dezvolta teoretic foarte mult pana in perioada anilor 1950-1951, urmnd ca, in anul 1954, cercettorul american C. H. Townes si cercettorii sovietici N. G. Basov si A. M. Prohorov s realizeze primele generatoare cuantice de tip MASER cu gaz (amoniac) fapt care determina pe Shawlow i Townes, n anul 1958, sa propun extinderea principiilor MASER-ului n domeniul undelor optice. Pe baza acestor rezultate i n consens cu propriile investigaii, in anul 1960 T. H. Maiman realizeaz primul LASER cu rubin n laboratoarele de la ,,BeIl Telephone" (S.U.A.), punnd astfel n practic i dnd coninut afirmaiei lui Einstein ca lumina poate fi coerent".

3.1. Generaliti

La origine termenul laser este acronimul LASER format n limba englez de la denumirea light amplification by stimulated emission of radiation (amplificare a luminii prin stimularea emisiunii radiaiei), denumire construit pe modelul termenului maser care nseamn un dispozitiv similar, funcionnd n domeniul microundelor.

Dispozitivele electronice numite lasere produc o form speciala de lumin. Ele pot suda esuturi delicate, pot transmite programe TV prin cabluri optice i pot ghida proiectile la intele lor cu o precizie incredibil. Aspectele teoretice ale fenomenului LASER erau nsa cunoscute din 1917, cnd E. Einstein, pe baza cercetrilor efectuate de M. Plank referitoare la radiaii, stabilete relaiile analitice ale emisiei stimulate a luminii.

Laserii sunt surse de radiaie coerent (coeren spaial i temporal) care pot s fie monocromatice sau cu spectre multiple.

Laserul (fig. 17) se compune dintr-un mediu activ care este fcut s devin amplificator printr-un mecanism de pompaj potrivit i care este nchis ntr-o cavitate rezonant cu pierderi minime. Aceast cavitate este, n general, constituit din dou oglinzi avnd un ax comun, plasate una n faa celeilalte, dintre care una este puin transparent i permite trecerea fasciculului de ieire.

Fig. 17. Schema de principiu a unui laser.

Cu toate c LASER sugereaz faptul c laserul este un "amplificator" (dispozitiv pentru mrirea puterii unui semnal), majoritatea laserelor sunt de fapt nite oscilatoare (surse de lumin). Cu toate acestea, lasere n adevratul sens al cuvntului exist. Puterea unui laser poate varia de la mai puin de un mW la milioane de W, dar toate laserele au cteva lucruri n comun:

1) Un mediu laser. Acesta poate fi solid, lichid, gaz sau un material semiconductor care poate fi excitat la un nivel mai mare de energie. Trebuie sa fie posibil excitarea majoritii particulelor la un nivel mai ridicat de energie. Aceasta se numeste inversie de populaie. Trebuie ca emisia stimulat s declaneze o tranziie pe un nivel inferior de energie.

2) Un mod de a energiza mediul laser. Acesta poate fi optic, chimic, electric. Laserele cu gaz folosesc descrcrile electrice, excitarea RF extern, bombardamentul cu electroni sau o reacie chimic. Dar descrcarea electric este cea mai des folosit la laserele de putere mic (HeNe). Exista i un laser chimic, numit Mid-Infra Red Advanced Chemical Laser (MIRACL), care folosete deuteriu i fluorin ca i reactani. Mai este descris ca i un "motor de rachet ntre oglinzi". De asemenea, mai exist unul care este nc n stadiul de cercetare, montat pe un Boeing 747 modificat, numit AirForce's AirBorne Laser. Este un Chemical Oxygen Iodine Laser (COIL), care a fost construit pentru doborrea rachetelor de croazier cu raz medie de aciune, n faza de lansare. Laserele solide folosesc de obicei lmpi cu descarcare cu xenon (ca i lmpile de bli) pentru amorsare sau o matrice de lasere semiconductoare (diode). Laserele semiconductoare de obicei sunt alimentate cu energie electric, dar este posibil si cu bombardare cu electroni sau optic. Laserii lichizi sunt de obicei amorsai optic, iar cei cu raze X cu mici dispozitive nucleare. Cu toate c s-au facut teste (secrete) exist controverse n privina funcionrii lor. Exist si lasere cu electroni liberi (FEL - Free Electron Laser) care sunt alimentate folosind acceleratoare de particule (de sute de milioane de dolari).

3) Un rezonator. De cele mai multe ori acesta este sub forma unei caviti Fabry-Perot, o pereche de oglinzi, cte una la fiecare capt al laserului. Acestea ajut fotonii s treac de mai multe ori prin mediul rezonator, mrind ansele de a lovi i ali electroni. De obicei, una din oglinzi este total reflectorizant, iar cealalt este parial transparent pentru a da voie razei laser s treac prin ea. Ele sunt ori perfect plane, ori puin concave. Dar sunt posibile si alte configuraii. Unele lasere au oglind numai la un capt (laserele cu azot) sau nici o oglind (laserele cu raze X pentru ca este aproape imposibil reflectarea radiaiei la aceast lungime de und). De asemenea, este posibil i prezena altor elemente n rezonator, cum sunt prisme, modulatoare etc.

Funcionarea unui laser este bazat pe inversia de populaie. De obicei, aproape toi atomii, ionii, moleculele al mediului laser sunt n cel mai sczut nivel de energie (fig. 18, a).

Pentru a produce emisia stimulat, energia care alimenteaz laserul trebuie sa fie destul de mare pentru a realiza o inversie de populaie. Aceasta nseamn c majoritatea particulelor din mediul laser trec pe un nivel energetic superior (fig. 18, b).

La un moment dat, cteva din particulele excitate (atomi/ioni/molecule) vor trece pe un nivel energetic inferior. n acest proces, fiecare vor emite cate un foton ntr-o direcie aleatoare. Acest lucru se numete "emisie spontan", dar fenomenul ca atare nu este foarte folositor. Este acelai proces prin care se aprinde o lamp cu neon (fig. 18, c).

Fig. 18. Principiul de functionare a laserului.Cu toate acestea, Einstein a artat c dac unul din aceti fotoni se ntmpl s se ciocneasc cu o particul excitat, aceasta va trece si ea pe un nivel energetic inferior si va emite un foton cu nite proprieti foarte utile: noul foton va avea exact aceeasi lungime de und, faz, direcie i polarizare. Polarizarea nu este important pentru crearea unui laser, dar daca rezonatorul favorizeaz o anumit polarizare (printr-un cmp magnetic, printr-o fereastr la unghiul Brewster) atunci si raza laser va fi polarizat. Ne imaginm mediul laser emind spontan fotoni n toate direciile. Cei mai muli se vor pierde ieind sub diferite unghiuri din rezonator. Cu toate acestea, unii vor avea o traiectorie paralel cu direcia rezonatorului. (fig. 18,c) n acest caz vor ajunge pn la oglinzi, de unde vor fi reflectai n rezonator. De-a lungul rezonatorului acetia ntalnesc alte particule excitate, pe care le stimuleaz s cedeze fotoni. ( fig. 18, d) n acest mod, ceea ce a fost doar un foton este o "avalan" de fotoni. Raza rezultant este monocrom i coerent, aproape paralel i poate fi manipulat foarte uor, ceea ce cu lumin normal este imposibil. (fig. 18, e)

3.1.1. Tipuri de laseri

Dac sursa de energie are destul putere i destule particule sunt aduse pe nivelul superior de energie, aciunea laserului va continua la nesfrit. Acesta va fi un laser continuu. Daca energizarea nu poate fi meninut, rezultatul va fi un laser care lucreaz n impulsuri.

n funcie de tipul mediului activ i de modul n care se realizeaz pomparea acestuia laserul poate funciona n und continu sau n impulsuri. Primul maser i primul laser funcionau n regim de impulsuri.

Instalaiile laser se mpart in funcie de modul lor de funcionare in 2 grupe, si anume:

Instalaii cu funcionare intermitent, la care emisiunea stimulat se face prin impulsuri cu fascicule. Intervalul de timp dintre impulsuri este de ordinul a 10-6...10-8 secunde, corespunznd strilor energetice pe care se situeaz sistemele atomice excitate.

Instalaii cu funcionare continu, la care emisiunea stimulat se face prin radiaii n mod continuu, la trecerea sistemelor atomice de pe nivelele energetice de excitaie pe nivelul energetic fundamental.

Toate aceste tipuri de instalaii, indiferent de modul de emisie (continuu sau n impulsuri), se difereniaz prin caracteristicile tipice ale radiaiei emise: intensitate, monocromaticitate, putere focal, randament energetic etc.

Laserii cu mediul activ solid folosesc pentru producerea de radiaii, materiale dielectrice, la care elementul activ l constituie ionii de crom (Cr) sau ai diferitelor pmnturi rare: neodimul (Nd), europiul (Eu), samaraiul (Sa). Aceti ioni sunt dispersai ntr-o concentraie foarte mic ntr-o reea cristalin pur sau sunt incorporai n alte materiale (sticl, plastic etc.).

Principalele tipuri de laseri cu mediu activ solid sunt urmtoarele:

Laserul cu rubin - emite radiaii coerente n lungimea de und egal cu 6943 Anstrom;

Laserul cu sticl dopat cu neodim - emite radiaii coerente n lungimea de unda egal cu 1,6 micrometri.

a)

b)

Fig. 19. Raza unui laser cu rubin (a); Laserul cu rubin in laboratoarele de la "Bell Telephone" (b).

Laserul cu granai de itriu i aluminiu (YAG) dopai cu niodim - emite radiaii coerente n lungimea de unda de 1,06 micrometri.

Primul laser cu gaz (heliu-neon) a fost realizat in cadrul acelorai laboratoare de la "Bell Telephone".

3.2. Principii fundamentale

3.2.1. Coerena radiaiei

Coerenta radiaiei laser se poate explica prin similitudine cu fenomenul de interfa: dac ntre dou unde provenite din dou regiuni deosebite ale spaiului se produc interfee, rezultnd franje de interferen , se afirm c cele dou unde sunt coerente.

Fig. 20. Principiul corentei radiatiei.

3.2.2. Monocromaticitatea radiatiei

Monocromaticitatea radiatiei laser este determinata de procesul emisie stimulate, de modul de oscilatie a rezonamentului in care are loc fenomenul de amplificare, precum si de lrgimea liniei radiatiei comparat cu lrgimea mult mai mare a tranzitiei atomice.

Majoritatea laserilor au un spectru de emisie foarte ngust, ca urmare a modului lor de funcionare, n care numrul mic de fotoni iniiali este multiplicat prin copiere exact, producnd un numr mare de fotoni identici. n anumite cazuri spectrul este att de ngust (lungimea de und este att de bine determinat) nct fasciculul i pstreaz relaia de faz pe distane imense. Aceasta permite folosirea laserilor n metrologie pentru msurarea distanelor cu o precizie extrem de bun, prin interferometrie. Aceeai calitate permite folosirea acestor laseri n holografie.

3.2.3. Directionalitatea radiatiei

Este proprietatea acesteia de a se propaga rectiliniu si cu o divergenta extrem de redusa.

n timp ce lumina unei surse obinuite (bec cu incandescen, tub fluorescent, lumina de la Soare) cu greu poate fi transformat ntr-un fascicul paralel cu ajutorul unor sisteme optice de colimare, lumina laser este n general emis de la bun nceput sub forma unui fascicul paralel.

Aceasta se explic prin aciunea cavitii optice rezonante de a selecta fotonii care se propag paralel cu axa cavitii. Astfel, n timp ce un reflector obinuit de lumin, orientat de pe Pmnt spre Lun, lumineaz pe suprafaa Lunii o suprafa de aproximativ 27.000 km n diametru, fasciculul unui laser nepretenios cu heliu-neon lumineaz pe Lun o suprafa cu diametrul mai mic de 2 km.

Folosind laseri mai performani i avnd la dispoziie pe suprafaa Lunii retro-reflectoare (coluri de cub, care reflect lumina incident pe aceeai direcie) a fost posibil determinarea cu foarte mare precizie a distanei de la Pmnt la Lun.

3.2.4. Intensitatea radiatiei

Intensitatea radiatiei laser este o proprietate care deriva din caracteristicile de coerenta spatiala si directionalitate. Aceasta caracteristica se defineste ca fiind puterea transportata de laser prin unitatea de suprafata.

n funcie de tipul de laser i de aplicaia pentru care a fost construit, puterea transportat de fascicul poate fi foarte diferit. Astfel, dac diodele laser folosite pentru citirea discurilor compacte este de ordinul a numai 5 mW, laserii cu CO2 folosii n aplicaii industriale de tiere a metalelor pot avea n mod curent ntre 100 W i 3000 W. n mod experimental sau pentru aplicaii speciale unii laseri ajung la puteri mult mai mari; cea mai mare putere raportat a fost n 1996 de 1,25 PW (petawatt, 1015 W).

3.3. Principii constructive ale dispozitivelor laser

Pentru realizarea unei emisiuni de tip laser, se impune ndeplinirea ctorva conditii absolut necesare, care sa permit obtinerea de radiatii optice coerente pe baza emisie stimulate, si anume, adoptarea unei metode care s va asigure realizarea inversiunii de populatie ntre dou niveluri energetice ale unui mediu activ, la care trecerea de pe un nivel pe altul s se fac prin emisia unui foton n spectrul vizibil. Acest fenomen de transformare a sistemelor atomice din stare fundamentala n stare excitat poart numele de pompaj.

Existenta unei cavitti rezonante, suficient de mare, care s poat include n interiorul ei mediul amplificator (activ) necesar sustinerii oscilatiilor sistemelor atomice. Mediul amplificator s fie de natur s permit o cretere de energie suficient de mare, astfel nct, prin eliminarea pierderilor din cavitatea rezonant, sistemul s functioneze n regim oscilatoriu. El se poate caracteriza prin doua, trei sau mai multe niveluri energetice, putnd fi de natura solida, lichida sau gazoasa.

Fig. 21. Principiul pompajului.

Realizarea pompajului se face prin diverse metode, dintre care cele mai importante sunt:

iradierea optica;

disociatia chimica;

inductia magnetica;

descrcarea electrica.

Dintre cavitatile rezonante utilizate, n functie de forma oglinzilor O1 O2, cele mai des ntlnite sunt urmtoarele:

rezonatorul plan paralel (fig. 22, a);

rezonatorul cu raze mari;

rezonatorul confocal (fig. 22, c);

rezonatorul concentric (fig. 22, b);

rezonatorul semisferic;

rezonatorul confocal generalizat (fig. 22, d).

Fig. 22. Rezonatori: plan-paralel (Perot-Fabri) (a); concentric (b); confocal (c); confocal generalizat (d).

Acesti rezonatori nu sunt stabili dect daca intervalul cuprins intre o oglinda si centrul sau de curbura contine cea de a doua oglinda sau mcar centrul sau de curbura.

Pentru toti rezonatorii confocali generalizati, infasuratoarea profilului fasciculului, numita umbra optica (caustique), este un hiperboloid de revolutie si suprafatele de faza constanta se pot aproxima foarte bine cu suprafete sferice avnd raza proportionala cu distanta de-a lungul axei de propagare Oz. (fig. 23)

Fig. 23. Infasuratoarea profilului fasciculului, numita umbra optica (caustique).

3.4. Emisia stimulata. Efectul laser.

Este necesar sa pornim de la ideea reprezentrii schematice a nivelelor atomice de energie: electronii plasati pe cercuri in jurul nucleului - doi pe primul nivel, opt pe al doilea etc.

Nivelele apar pentru ca un electron nu poate avea orice valoare a energiei ci ea este limitata la o serie de valori fixe acesta este un exemplu de cuantificare. Alte efecte fizice limiteaz numrul de electroni pe fiecare nivel.

Se vor considera doua nivele de energie E1 si E2 apartinand unui atom: in prima tranzitie se absoarbe iar in a doua tranzitie se emite o cantitate de energie sub forma de lumina sau de foton. Lumina este, de asemenea, cuantificata. Fiecare foton poarta o cuanta de energie luminoasa. Cantitatea de energie dintr-o cuanta depinde de lungimea de unda (culoarea) a luminii:

,(65)

unde este lungimea de unda si h este constanta lui Planck si c viteza luminii.

a) b) c)

Fig. 24. Absorbtie (a) si emisie de energie: spontana (b) si stimulata (c).

Se observa, astfel, ca o lungime de unda scurta, ca de exemplu cea a luminii albastre de 470 nm are o energie mare iar o lumina rosie cu lungimea de unda de 670 nm va avea o energie mai mica pentru fiecare foton. Ceea ce este important este de a retine ca lungimea de unda este direct legata de cantitatea de energie transportata de foton si, deci, electronul din exemplul de mai sus a eliberat un foton de o anumita energie definita, adic de o anumita lungime de unda sau culoare. Aceasta poate fi observata in cazul lmpilor de pe strada care contin atomi de sodiu si care vor folosi energia electrica pentru a mpinge electronii pe nivele superioare. Acesti electroni vor cdea napoi pe nivelul lor initial dnd o lumina galben oranj cu lungimea de unda de 589 nm. Acest proces este cunoscut ca emisie spontana. Electronii emit lumina in mod spontan fara o influenta exterioara.

Daca, totusi, atomul nu este izolat pot sa apara alte efecte: fotonii cu aceeasi energie ca energia unui nivel superior pot sa-si foloseasc propria energie pentru a deplasa un electron pe un nivel superior. Acest fenomen este cunoscut sub numele de absorbtie si fotonul dispare in acest proces.

Daca un foton cu energie adecvata face ca un electron sa treac pe un nivel superior ca, apoi, sa l fac sa revin pe nivelul sau initial atunci avem de a face cu emisie stimulata. Aceasta este diferita de emisia spontana: in procesul spontan fotonul poate sa se deplaseze in orice directie si poate fi emis in orice moment, in timp ce in emisia stimulata fotonul emis se va deplasa in aceeasi directie ca si fotonul de pasaj si in acelasi timp.

Aceste trei procese, descrise mai sus, se produc daca dintr-un grup de N atomi pe N2 electronii se afla pe nivele superioare si pe N1 electronii se gsesc pe nivele inferioare. Intr-un laser, intentia este de a provoca emisia stimulata la cel mai nalt nivel.

Emisia spontana depinde doar de electronii situati pe nivele mai nalte. O anumita proportie a va emite la un moment dat si atunci:

Rata de emisie spontana = aN2.

Absorbtia depinde de electronii situati pe nivele mai joase unde se gsesc fotoni. Daca numrul fotonilor prezenti este n si considernd ca egala cu b proportia interactiunilor posibile, atunci:

Rata de absorbtie = bN1n.

Emisia stimulata este similara absorbtiei dar electronul trebuie sa porneasca de pe nivele superioare:

Rata emisiei stimulate = bN2n.

Avem nevoie ca membrul drept al acestei expresii sa fie maxim. a si b sunt constante ce depind de natura atomului si deci nu pot fi controlate. Atunci, pentru ca emisia stimulata sa fie mai mare dect emisia spontana este nevoie ca n sa fie mare, adic avem nevoie de multi fotoni in laser. Pentru emisia stimulata sa fie mai mare dect absorbtia este necesar ca N2 sa fie mai mare dect N1 adic mai multi atomi sa aib electroni pe nivele superioare dect atomi care au electroni pe nivele inferioare. Aceasta este cunoscuta sub numele de inversiune si trebuie sa accentuam ca pentru electroni este normal sa se gseasc intr-o stare de minima energie. Aceasta este evidenta in faptul ca in absenta oricror actiuni externe, ca de exemplu, absenta oricarui foton n=0, singurul proces care poate sa apar este emisia spontana ce va permite oricrui electron care se gsete la nceput pe un nivel superior sa coboare pe nivelul sau normal de energie si nu invers.

Dificultatea cea mai mare in producerea unui laser este tocmai crearea inversiunii necesare in populatia a doua nivele. Menionam ca, in acest exemplu, s-au considerat mai multi atomi, fiecare avnd un singur electron ce se poate afla pe unul dintre cele doua nivele atomice.

Presupunnd ca dispunem de o inversiune, adic N2>N1 , am putea avea SE (emisia stimulata = Stimulated Emission) ca parte a laSEr.

Acum ne punem problema cum am putea amplifica lumina folosind aceasta?

Sa consideram un singur foton care intra intr-o zona ce contine atomi. Acest foton va trece printr-un atom al crui electron se gsete pe nivelul superior si l va face sa emit un al doilea foton care se deplaseaz in aceeasi directie ca si el prin procesul de emisie stimulata. Acum exista doi fotoni care ar putea produce emisia stimulata in alti doi atomi si astfel vom obtine patru fotoni, si asa mai departe. (fig. 25)

Fig. 25. Reprezentarea intuitiva a emisiei stimulate.

Astfel, se va produce amplificarea care este cunoscuta si sub numele de ctig (gain). Regiunea care contine acesti atomi este cunoscuta si sub denumirea de mediu amplificator. Ultima faza intr-un laser este obtinerea primului foton pentru amplificare. Aceasta se realizeaz prin plasarea mediului amplificator intre doua oglinzi (fig. 26) care formeaz ceea ce este numit cavitate.

Fig. 26. Cavitate.

Initial, in cavitate, nu exista lumina. Singurul proces posibil sa o creeze este emisia spontana si aceasta apare foarte rar. Aceasta emisie poate fi pierduta pe oricare directie in afara mediului amplificator. Totusi din milioanele de fotoni emisi de ctre milioanele de atomi dintr-un mediu real se va gsi pana la urma unul care sa se ndrepte perpendicular pe o oglinda si sa fie reflectat napoi spre mediul amplificator acesta va fi primul nostru foton. Trecnd spre cealalt oglinda, va produce prin emisie stimulata, sa zicem, zece alti fotoni. Acum, lucrul cel mai important este ca ei sa se deplaseze in aceeasi directie ca primul foton si astfel vor fi si ei reflectati napoi, producnd la rndul lor, prin emisie stimulata, nc 100 de fotoni etc. (fig. 27)

Fig. 27. Emisia stimulata in cavitate.

Astfel, se obtin foarte numerosi fotoni ce se deplaseaz nainte si napoi in cavitate. Evident, in acest caz ideal, nici un foton nu este pierdut din fasciculul constant amplificat, numrul de fotoni crescnd continuu.

In orice caz real, o parte din fotoni se pierd din diferite cauze, iar unii dintre ei sunt favorizati sa ias din cavitate. Una dintre oglinzi este astfel construita nct sa reflecte doar o parte din fasciculul de fotoni si sa permit celorlalti sa ias aceasta este exact fasciculul laser emis. O stare stabila a laserului este atinsa atunci cnd amplificarea nlocuiete exact fotonii emii si in orice moment in cavitate se gsete un numr constant de fotoni.

De exemplu, pentru un laser cu o amplificare de 1,12 (mai realista dect amplificarea egala cu 10 din cazul precedent) si cu un dispozitiv de iesire ce reflecta doar 80 % din lumina avem structura din figura 28.

Fig. 28. Laser cu amplificare de 1,12.

3.5. Tipuri de lasere

3.5.1 Laserele semiconductoare.

Acestea sunt alimentate de la o surs de curent continuu de putere mic. De obicei n aceeai capsul este inclus i o fotodiod care, prin reacie negativ, este folosit la stabilizarea puterii. Lungimile de und sunt de la 635nm (rou ctre portocaliu) la 670nm (rou intens) i ajung chiar n IR (780n, 800nm, 900nm, 1550nm), pana la civa um. Lasere UV, violet i albastru exist, dar sunt foarte scumpe. Lasere verzi semiconductoare au fost construite n laboratoare dar funcioneaza doar la temperaturi atinse cu ajutorul azotului lichid i au durat de via foarte redus (~100h). Calitatea razei este bun, depinznd de concepie. Raza este eliptic i astigmatic, avnd nevoie de instrumente optice auxiliare pentru a o focaliza. Puterea de ieire este de la 0.1mW pn la 100W. Puteri mai mari se pot realiza cu o matrice de lasere, iar acestea pot depi 10.000W. Sunt folosite n CD playere, LaserDisc, MiniDisc, alte sisteme de stocare optic, imprimante cu laser, fax-uri, instrumente de masur, transmisii de date prin fibra optic, scannere de coduri de bare, surse de amorsare pentru alte lasere i n lightshow-uri de putere mic.

Fig. 29. Diferite tipuri de lasere semiconductoare.

Fig. 30. Cap laser de la un CD player SONY.

3.5.2 Laserele cu Heliu-Neon (HeNe)

Sunt cele mai rspndite lasere cu gaz. Tubul lor este nchis, conin oglinzile interne i sursa de alimentare de putere. Lasere cu oglinzi externe sunt disponibile, dar sunt scumpe. Lungimea de und este de 632.8nm (portocaliu-rou). Exist lasere HeNe i cu alte lungimi de und, dar acestea nu sunt la fel de eficiente si cost mai mult.

Fig. 31. Spectrul heliului i a neonului.Calitatea razei este extrem de bun, nu necesit instrumente optice exterioare, Puterea este de la 0.5mW la 200mW. Exist si lasere HeNe mai puternice, dar sunt mai scumpe. Sunt folosite, ca i cele cu semiconductori, la msurri, la tratri de boli, lasershow-uri medii. Nu mai sunt folosite la CD playere si LaserDisc-uri.

Fig. 32. Un laser cu heliu-neon. Segmentul luminos din centru nu este raza laser, ci tubul de descrcare; pe ecranul din dreapta se poate observa punctul luminos produs de fasciculului laser.

Fig. 33. Tub laser HeNe.3.5.3 Lasere cu ioni de argon i kripton (Ar/Kr).

Acestea difer de cele cu HeNe prin gaz. De asemenea, pot fi cu oglinzi interioare sau exterioare. Diferena const n putere, care este mult mai mare, de la 10mW pn la chiar 100W. Acest tip de laser poate produce atat rou, verde, albastru, care combinat rezult culoarea alb. De asemenea, unele modele au lungimea de und ajustabil. Calitatea razei este foarte bun. Sunt folosite la imprimare de mare performan, medicin legal, operaii, holografie, lasershow-uri mari, ct i pentru amorsarea altor lasere.

Fig. 34. Diferitele raze ale unui laser Ar/KrFig. 35. Prism Brewster folosit pentru ajustarea lungimii de unda.

3.5.4 Lasere cu dioxid de carbon (CO2)

Necesit o surs electric de alimentare de foarte mare putere. Lungimea de unda este n domeniul IR (10.6um). Calitatea razei este foarte bun, i, datorit puterii de pn la 100kW sau chiar mai mult sunt folosite la tierea, sudarea sau tratarea metalelor, la fabricarea materialelor plastice, tierea lemnului, cat i la operaii medicale.

3.5.5 Lasere cu heliu-cadmiu (HeCd)

Au tuburile sigilate, cu oglinzi interne. Sunt mai complexe decat alte tipuri de lasere din cauza faptului c trebuie controlat presiunea i temperatura vaporilor de cadmiu. Descrcarea la aceste tipuri de lasere este la o tensiune cuprins ntre 1kV - 2kV i la un curent n jur de 100mA. Lungimea de und a razei se situeaza spre spectrul violet i ultraviolet (442nm sau 325nm). Raza generat de acest tip de laser are o calitate foarte mare, iar puterea este de la cteva zeci pn la cteva sute de mW. Din cauza sistemului de control, aceste lasere nu sunt foarte rspndite. Se folosesc n spectroscopie.

Fig. 36. Laser HeCd.

3.5.6 Lasere cu elemente solide

Elementele solide pot fi: materiale cristaline sau amorfe, de obicei amorsate cu ajutorul lmpilor cu xenon sau a laserelor semiconductoare) Aceste lasere pot lucra n impulsuri sau continuu, depinznd de construcia i scopul lor. Lungimea de und variaz de la infrarou (1064nm - Nd tratat) pn n spectrul vizibil (694.1nm rubin). Puterea acestor lasere ajung n domeniul pentawatilor (cele care lucreaz n impulsuri), dar n medie au n jur de 1000W. Sunt folosite la prelucrarea materialelor (gurit, tiat, sudur, ajustare), studierea fuziunii nucleare, lasershow-uri, armament, spectroscopie si multe altele.

Fig. 37. Laser cu elemente solide.

Cel mai mare laser este cel construit la Lawrence Livermore National Laboratory. Este un laser care lucreaz n impulsuri, produce 1.8 MJ per impuls cu o putere de vrf de peste 500 TW. Este de mrimea unui stadion, are 192 de raze i conine peste 7,300 componente optice. Costurile de construire estimate depesc $1,200,000,000, cu un buget de ntreinere anual de $60.000.000. Cu toate c poate fi folosit i la vaporizarea instantanee a narilor, cele 192 de raze pot converge ntr-un punct microscopic i este folosit la studiul fuziunii nucleare.

Cele mai mari lasere care funcioneaz continuu sunt urmatoarele:

- Unul bazat pe CO2 la Troisk Institute for Thermonuclear Research (n Troisk, cam la 150 km de Moscova). Se zice c puterea sa ar fi de 10 MW.

- nc un laser de tipul CO2 la Institute of Physics, Savanoriu, Lithuania. Acest laser a fost aa de puternic nct a avut o linie de curent special pentru el tras de la centrala electric.

Fig. 38. Laser cu CO2.

Cele mai mici lasere sunt cele folosite n mod curent n CD playere, n scannere de bare i echipamente de telecomunicaii. Regiunea activa este lunga de o fraciune de milimetru i 1 x 3 micrometrii de lata i nalta. ntreg chip-ul este de mrimea unui fir de praf. Chiar i lasere mai mici sunt n producie. n teorie, chiar i un atom poate fi suficient pentru a putea realiza efectul laser.

(a) (b)

Fig. 39. Laser microscopic (a) i unul gigantic (b).

3.6. Msuri de securitate

Pentru protecia muncii, cei care folosesc laseri trebuie s tie ntotdeauna cu ce tip de laser au de a face. Din punctul de vedere al pericolului pe care l reprezint fasciculul laser asupra omului (n principal retina i pielea), laserii sunt clasificai n patru clase. n prezent clasificarea laserilor nu se face la fel n toate rile, dar se fac pregtiri pentru ca aceste clase s fie definite la fel la nivel internaional. Lucrul cu laseri periculoi impune folosirea de ochelari de protecie, care absorb radiaia luminoas la lungimea de und a laserului folosit i permit vederea n celelalte regiuni ale spectrului.

Clasa I este specific echipamentelor industriale care au zona de acionare a fascicolului laser acoperit n totalitate, deci nu exist posibilitatea apariiei unor reflexii nedorite. Aceast clas de laseri este cea mai sigur i nu necesit din partea operatorilor umani care deservesc echipamentul laser s poarte echipament de protecie optic (ochelari speciali sau masc).

Clasa a II-a

Clasa a III-a, a

Clasa aIII-a, b

Clasa IV - sunt laseri care nu sunt prevzui cu nici o form de protecie optic, fiind echipamente care pot fi uor adaptate oricrui tip de prelucrri industriale. Identificarea unor astfel de echipamente laser se poate realiza privind eticheta lipit pe camera rezonant pe care este inscripionat cuvntul OEM, alturi de care se regsete cuvntul CLASS IV.

11415

_1332503624.doc

_1336915812.doc

_1336928467.unknown

_1332503548.doc

EMBED Word.Picture.8

_1332503547.doc