Budowa i zasada działania lasera
Laser wzmacnia światło poprzez wymuszoną emisję promieniowania. Jest to kwantowy generator monochromatycznej, spójnej (koherentnej) i spolaryzowanej wiązki światła.
Obecnie istnieją lasery zdolne do emisji światła z zakresu widma od nadfioletu do dalekiej podczerwieni. Mechanizm generowania światła przez lasery opiera się na zjawisku wymuszonej emisji promieniowania w ośrodku po odwróceniu obsadzeń elektronów.
Zasadniczymi elementami lasera są: ośrodek czynny, rezonator optyczny i układ pompujący.
Ośrodek czynny: Oddziaływanie światła z materią można wyjaśnić za pomocą trzech zjawisk: pochłanianie fotonów (absorbcja), emisji spontanicznej oraz emisji wymuszonej fotonu. Foton wyemitowany w wyniku emisji wymuszonej jest spójny (ma taką samą częstotliwość, polaryzację) z fotonem wywołującym emisję. Foton wzbudzający musi mieć odpowiednią energię równą energii wzbudzenia ośrodka. Atomy w stanie podstawowym pochłaniają fotony wzbudzające (także te wyemitowane). Aby laser działał, proces emisji wymuszonej musi przeważyć nad pochłanianiem i występuje, gdy w ośrodku jest więcej atomów w stanie wzbudzonym niż w stanie podstawowym. Uzyskanie nienaturalnego stanu, w którym poziomy o wyższej energii są częściej obsadzone niż poziomy o niższej energii, utrudnia także zjawisko emisji spontanicznej powodujące, że atomy w stanie wzbudzonym pozostają bardzo krótko, przechodząc szybko do stanu podstawowego. Niektóre atomy posiadają poziomy energetyczne meta-trwałe, na których elektron pozostaje znacznie dłużej, ale w takiej sytuacji przejście ze stanu podstawowego do wzbudzonego jest też utrudnione, co pokonuje się przez wzbudzanie atomów do poziomów o energii niewiele większej od poziomu metatrwałego. Atomy w przejściach bezpromienistych przechodzą do stanu meta-trwałego. Akcja laserowa rozpoczyna się od emisji spontanicznej lub wprowadzenia fotonu inicjującego z zewnątrz.
Układ optyczny: Jeżeli ośrodek czynny traktujemy jako generator fali elektromagnetycznej, to układ optyczny pełni rolę sprzężenia zwrotnego dla wybranych częstotliwości, dzięki czemu laser generuje światło tylko o jednej częstotliwości. Układ optyczny składający się zazwyczaj z dwóch zwierciadeł, z czego przynajmniej jedno jest częściowo przepuszczalne, dokładnie wykonane i odpowiednio ustawione zwierciadła stanowią rezonator dla wybranej częstotliwości fali i określonego kierunku ruchu. Tylko te fotony, dla których układ optyczny jest rezonatorem wielokrotnie przebiegają przez ośrodek czynny, wywołując emisję kolejnych fotonów spójnych z nimi, pozostałe fotony zanikają w ośrodku czynnym lub układzie optycznym.
W najprostszym przypadku rezonator stanowią dwa płaskie, doskonale odbijające zwierciadła, które są ustawione idealnie równolegle do siebie w odległości 2 L = n • C (n jest liczbą całkowitą, C jest długością fali światła laserowego), umożliwiającej powstanie w nim fal stojących.
Jest kilka metod wytwarzania stanu inwersji obsadzeń poziomów energetycznych. Po włączeniu lasera katoda generuje strumień elektronów, który przepływa przez ośrodek aktywny (ośrodek optycznie czynny) do anody, którym jest zazwyczaj jakiś gaz szlachetny. Elektrony zderzają się z atomami, przekazując im swoją energię kinetyczną. Wskutek zderzenia jeden z elektronów w atomie gazu zostaje wzbudzony, uzyskuje wyższą energię i przeskakuje na wyższy poziom orbitalny, po czym powraca do poziomu wyjściowego, emitując foton o wysokiej energii. Pod wpływem zderzenia się fotonu z innym wzbudzonym atomem, generuje on kolejny foton o identycznej energii jak pierwszy itd., aż zostaje uruchomiona reakcja łańcuchowa. Krążąca między dwoma zwierciadłami coraz to większa liczba fotonów wytwarza wiązkę promieniowania o dużym natężeniu. Natężenie promieniowania rośnie aż do momentu, gdy w postaci wiązki promieniowania laserowego przebija się przez półprzepuszczalne zwierciadło. Jedną ze współcześnie stosowanych metod generowania wiązki laserowej jest tzw. pompowanie za pomocą promieniowania elektromagnetycznego a także za pomocą światła (pompowanie optyczne).
Komentarze (0)