Przegląd laserów

f t P

P_śr = _imp⋅ _imp⋅ (7)

Energia E (w dżulach [J]) emitowana przez laser impulsowy określana jest jako

iloczyn mocy średniej ciągu impulsów P_śr (w watach [W]) i czasu emisji t (w

sekun-dach [s]): t P E= _śr⋅ . (8)

6.2.4. Przegląd laserów

Laser helowo-neonowy (He-Ne) należy do laserów gazowych – atomowych. Ośrodkiem czynnym w tym laserze są atomy neonu, a atomy helu stanowią tzw. gaz buforowy. Mieszanina tych gazów znajdująca się w rurze szklanej jest pobudzana wyładowaniem elektrycznym. Podczas wyładowania w gazie na skutek zderzeń elek-tronów zostają wzbudzane głównie atomy helu. Atomy te przechodzą przy tym do poziomów wzbudzonych, które pokrywają się z poziomami wzbudzonymi atomów neonu. W wyniku zderzeń między wzbudzonymi atomami helu i atomami neonu na-stępuje pompowanie atomów neonu ze stanu podstawowego do stanu wzbudzonego. W ten sposób zostaje osiągnięta inwersja obsadzeń między poziomami 3s i 2s a po-ziomami 3p i 2p atomów neonu, energetycznie niższymi.

Atomy helu służą więc tylko do selektywnego przenoszenia energii od rucho-mych elektronów do mogących wywołać akcję laserową atomów neonu. Opróż-nienie dolnych poziomów laserowych dokonuje się na skutek spontanicznego przejścia promienistego do metastabilnego poziomu 1s neonu, a przejścia do stanu podstawowego dokonują się w wyniku zderzeń atomów neonu ze ścianką rury laserowej.

Na rysunku 6.6 zobrazowano przejścia laserowe, możliwe do realizacji w laserze He-Ne. Najsilniejszą emisję uzyskuje się dla długości fali 632,8 nm, która jest wyko-rzystywana w układach terapeutycznych do wzbudzania reakcji fotodynamicznej z pochodnymi hematoporfiryny.

Maksymalne moce wyjściowe osiągane w laserze He-Ne wynoszą ok. 100 mW dla rury laserowej o długości 2 m. Stosowane są również układy zbudowane z kilku

mniejszych rur laserowych (np. 20 mW, długość rury ok. 80 cm), w których moce poszczególnych wiązek laserowych są sumowane do wartości 100÷200 mW za pomo-cą systemu pryzmatów lub w wyniku zastosowania soczewki skupiającej.

Rys. 6.6. Schemat poziomów energetycznych lasera He-Ne (według [8])

6.2.4.2. Laser argonowy

Laser argonowy (Ar⁺) należy do laserów gazowych – jonowych. Ośrodkiem czyn-nym w tym laserze są zjonizowane atomy argonu. W przeciwieństwie do lasera He-Ne, w laserze argonowym atomy aktywne są wzbudzane w stanie zjonizowanym.

Jonizacja i wzbudzanie atomów argonu mają miejsce podczas wyładowania łukowe-go na skutek zderzeń z elektronami. Górny poziom laserowy jest bezpośrednio obsadzo-ny przez przejścia promieniste z wyższych wzbudzaobsadzo-nych poziomów (patrz rys. 6.7). Dolny poziom jest opróżniany przez przejścia optyczne w ultrafiolecie oraz przez re-kombinację. Laser argonowy generuje na ogół kilka długości fal jednocześnie, gdyż są możliwe różne przejścia między poziomami laserowymi. Całkowita moc rozkłada się na poszczególne długości fal w następujących (w przybliżeniu) proporcjach: 488,0 nm – 55%, 514,5 nm – 30%, 496,5 nm – 8%, inne długości fal – 7%.

W czasie pracy lasera w zależności od warunków pobudzania, występują nieznacz-ne fluktuacje w rozkładzie mocy wiązek poszczególnych genieznacz-nerowanych długości fal.

Emitowane długości fal można wybrać wewnątrz lub na zewnątrz rezonatora za po-mocą pryzmatu lub siatki dyfrakcyjnej.

Rys. 6.7. Schemat poziomów energetycznych lasera argonowego (na podstawie [9])

Moc wyjściowa lasera zależy od natężenia prądu i średnicy rury. Wymagane w tym przypadku wyładowanie łukowe i duże gęstości prądu stanowią o złożoności kon-strukcyjnej tego lasera. Technologia wykonania rury wyładowczej lasera argonowego, na skutek dużego obciążenia prądowego, stwarza wiele trudności, co ma wpływ na duży koszt tego lasera. Moce wyjściowe komercyjnie dostępnych laserów argonowych wynoszą od kilku do kilkunastu watów.

6.2.4.3. Laser kryptonowy

Laser kryptonowy (Kr+), podobnie jak laser argonowy, należy do laserów gazo-wych – jonogazo-wych. Ośrodkiem czynnym w tym laserze są zjonizowane atomy krypto-nu. Laser kryptonowy ma zupełnie podobne wymagania co do warunków wzbudzania, jak laser argonowy i umożliwia generację wielu długości fal, z których najintensyw-niejsze to: 406,7 nm, 461,9 nm, 647,1 nm, 676,5 nm.

W wielu handlowych typach laserów stosuje się mieszaninę argonu i kryptonu, tak że jest możliwa praca kombinowana na odpowiednich przejściach laserowych.

W metodzie fotodynamicznej lasery kryptonowe stosowane są w układach diagno-stycznych (λ = 406,7 nm) oraz w układach terapeutycznych (λ = 647,1 nm) do wzbu-dzenia m.in. pochodnych chlorofilu i ftalocyjanin.

6.2.4.4. Laser helowo-kadmowy

Laser helowo-kadmowy He-Cd należy do grupy laserów jonowych. W porównaniu do omawianych wcześniej laserów jonowych gazowych ma tę zaletę, że jego plazma ma stosunkowo niską temperaturę, tak że dużo łatwiejsze do rozwiązania są problemy technologiczne.

Podobnie, jak w przypadku lasera He-Ne, przenoszenie energii z wyładowania w gazie do aktywnych atomów kadmu odbywa się przez atomy helu, chociaż wystę-puje również, w niewielkim stopniu, wzbudzenie jonów Cd wskutek zderzeń z elek-tronami. Jak pokazano na rys. 6.8, atomy helu wzbudzone do stanów metastabilnych (23s lub 21s), za pomocą zderzeń elektronowych, oddają swoją energię atomom kadmu w stanie podstawowym. Atomy kadmu są przy tym jonizowane i wzbudzane do po-ziomu 5s2 jonu kadmu.

Możliwe są trzy przejścia laserowe, którym odpowiada generacja promieniowania o długościach fal: 325,0 nm, 354,0 nm i 441,6 nm. Opróżnienie dolnych poziomów laserowych dokonuje się w wyniku przejść promienistych.

Rys. 6.8. Schemat poziomów energetycznych lasera He-Cd (na podstawie [8])

Specyficznym problemem laserów He-Cd i innych laserów jonowych na parach metali jest uzyskanie stałej w czasie i możliwie jednorodnej na całej długości rury koncentracji par metalu. Aby otrzymać stałe ciśnienie par metalu, należy utrzymywać dokładnie stałą temperaturę rury laserowej i ogrzewanego zbiornika z metalem.

6.2.4.5. Laser na parach złota

Laser na parach złota należy do grupy laserów gazowych, w których ośrodkiem ak-tywnym są pary złota w stanie atomowym. Inwersję obsadzeń w ośrodku akak-tywnym uzy-skuje się poprzez impulsowe wyładowanie elektryczne w mieszaninie par złota i gazu buforowego (hel lub neon), który stabilizuje wyładowanie. Laser ten należy do grupy określanej mianem laserów „cyklicznych” na parach metali. Lasery „cykliczne” pra-cują w reżimie impulsowym, który wynika z krótkiego czasu życia poziomu wzbudzo-nego (kilkaset ns); typowe częstotliwości powtarzania impulsów zawarte są w prze-dziale 2–20 kHz, przy czasach trwania impulsów od 10 do 60 ns.

Moce wyjściowe handlowych laserów na parach złota generujących promienio-wanie o długości fali 627,8 nm wynoszą do 10 W przy chłodzeniu wodnym. Przy chłodzeniu powietrznym – do 1,5 W. Czas życia rury wyładowczej wynosi powyżej 300 godzin dla każdego napełnienia metalem

Jak pokazano na rys. 6.9, atomy złota w wyniku zderzeń z elektronami powstałymi w wyniku wyładowania łukowego (wzbudzenie zderzeniowe), zostają wzbudzone do stanów 2P3/2 i 2P1/2. Możliwe są dwa przejścia laserowe ze stanów wzbudzonych do dwóch poziomów metastabilnych, którym odpowiada generacja promieniowania o dłu-gościach fal: 312,2 nm (ultrafiolet) i 627,8 nm (linia czerwona). Z poziomów metasta-bilnych atomy złota wracają do poziomu podstawowego w wyniku objętościowej dez-aktywacji i dyfuzji.

6.2.4.6. Lasery barwnikowe

Lasery barwnikowe są laserami, w których ośrodkiem aktywnym jest barwnik or-ganiczny rozpuszczony najczęściej w metanolu lub etanolu. Roztwór barwnika znaj-dujący się w specjalnej kuwecie, pobudzony np. lampą błyskową lub laserem fluory-zuje, a jeśli znajdzie się pomiędzy dwoma zwierciadłami rezonatora optycznego, może zostać zainicjowana akcja laserowa.

Cząsteczki barwników organicznych mają złożoną strukturę, z wieloma możli-wościami drgań między poszczególnymi atomami i grupami atomów. Stąd na sche-macie poziomów energetycznych (patrz rys. 6.10) na poziomy elektronowe S₀, S₁, ... nakłada się duża liczba poziomów oscylacyjnych, między którymi dochodzi do wy-miany energii przez szybkie przejścia relaksacyjne. W wyniku pompowania optyczne-go, najczęściej z wykorzystaniem laserów impulsowych (azotowy, ekscymerowy, argonowy, II harmoniczna Nd:YAG) lub laserów ciągłego działania (argonowy, miedziowy), może być osiągnięta inwersja obsadzeń między górnymi poziomami oscylacyjnymi elektronowego stanu podstawowego S₀ a dolnymi wzbudzonymi po-ziomami elektronowymi S1.

Rys. 6.10. Uproszczony schemat poziomów energetycznych lasera barwnikowego (według [11]

Cechą charakterystyczną laserów barwnikowych jest możliwość płynnego prze-strajania długości fali, zarówno w laserach ciągłego działania, jak i impulsowych. Przestrajanie może odbywać się za pomocą siatek dyfrakcyjnych lub pryzmatów.

Na rysunku 6.11 zilustrowano przykładowo zakresy generacji i osiągane moce wyjściowe lasera barwnikowego CR-599-21 firmy COHERENT z różnymi barwni-kami pompowanymi laserem argonowym INNOVA 200-10.

Rys. 6.11. Krzywe generacji lasera barwnikowego CR-599-21 firmy COHERENT

W metodzie fotodynamicznej lasery barwnikowe ze względu na możliwość szero-kiego przestrajania generowanej długości fali (praktycznie od 360 do 800 nm), są uniwersalnymi źródłami promieniowania w układach diagnostycznych do wzbudzenia fluorescencji barwników endo- i egzogennych oraz w układach terapeutycznych do wzbudzenia reakcji fotodynamicznej praktycznie wszystkich fotosensybilizatorów.

6.2.4.7. Laser azotowy

Laser azotowy jest przykładem lasera gazowego molekularnego. Inwersję obsa-dzeń w tym laserze realizuje się w impulsowym wyładowaniu elektrycznym na przej-ściach między stosunkowo wysoko położonymi wzbudzonymi poziomami elektrono-wymi cząsteczki azotu N₂. Laser azotowy pracuje w zakresie ultrafioletu, najczęściej generuje długość fali 337 nm. Czas trwania impulsu wynosi zwykle od 5 do10 ns, energia wyjściowa kilka mJ i częstotliwość generacji od 50 do 100 Hz.

W metodzie fotodynamicznej lasery azotowe stosowane są w układach diagno-stycznych do wzbudzenia autofluorescencji oraz jako źródło wzbudzenia laserów barwnikowych stosowanych w układach diagnostycznych i terapeutycznych.

6.2.4.8. Lasery ekscymerowe

Lasery ekscymerowe są laserami gazowymi molekularnymi, w których ośrodek aktywny pod stosunkowo wysokim ciśnieniem w postaci niestabilnego związku jonów (tzw. ekscymerów – (ang. excimers)) powstaje w wyniku wyładowania elektrycznego

Ekscymer charakteryzuje się tym, że nie istnieje w stanie podstawowym. Do naj-bardziej efektywnych laserów ekscymerowych zaliczyć można lasery kryptonowo-fluorowe KrF (λgen = 248 nm), lasery ksenonowo-chlorowe XeCl (λgen = 308 nm), argonowo-fluorowe ArF (λgen = 193 nm). Lasery te emitują impulsy promieniowania o czasie trwania od 10 do 300 ns, o energii do ok. 0,3 J z częstotliwością powtarzania generacji do 100 Hz. Do zalet tych laserów należy wysoka sprawność; rzędu 10%, długość generowanej fali (ultrafiolet), duża moc generacji i możliwość przestrajania. Lasery ekscymerowe stosowane są do pompowania laserów barwnikowych, a także w oftalmologii.

6.2.4.9. Lasery SHG Nd:YAG

Laser Nd:YAG jest laserem zbudowanym na ciele stałym, w którym materiałem aktywnym jest kryształ granatu itrowo-aluminiowego (YAG – Yttrium Aluminium Garnet) domieszkowany jonami neodymu Nd3+. Laser ten generuje promieniowanie podczerwone o długości fali 1064 nm. W wyniku oddziaływania tego promieniowania z kryształem nieliniowym, przy spełnieniu określonych warunków fazowych, zacho-dzi proces generacji II harmonicznej (SHG – Second Harmonic Generation) i na wyj-ściu rezonatora z kryształem nieliniowym otrzymuje się promieniowanie o długości fali 532 nm.

Często lasery SHG Nd:YAG nazywane są laserami KTP/532, ze względu na nazwę najczęściej stosowanego kryształu, w którym zachodzi, z wysoką wydajnością, kon-wersja promieniowania podczerwonego na światło zielone.

Lasery SHG Nd:YAG w metodzie fotodynamicznej są stosowane do pompowania laserów barwnikowych i niektórych laserów przestrajalnych z ciałem stałym (laser na szafirze tytanowym, laser forsterytowy). Mogą być również stosowane w układach terapeutycznych do naświetlania powierzchniowych nowotworów.

6.2.4.10. Lasery półprzewodnikowe i diody elektroluminescencyjne

W wyniku przepływu prądu elektrycznego (strumienia elektronów) przez złącze p-n na granicy dwóch obszarów półprzewodnika o różnym stopniu domieszkowania (ob-szar n – nadmiar elektronów, ob(ob-szar p – niedomiar elektronów), zachodzi generacja promieniowania. Zjawisko to nazywane jest elektroluminescencją. Elektroluminescencja złącza p-n bezpośrednio wykorzystywana jest w diodach LED, które w zależności od charakterystyk materiałowych półprzewodników tworzących złącze p-n (rodzaj mate-riału, rodzaj domieszki, stopień domieszkowania itp.), generują promieniowanie od ok. 500 nm do ok. 30 μm.

Aby powstała akcja laserowa na złączu p-n, konieczne jest zastosowanie układu zwierciadeł tworzących rezonator. W laserze półprzewodnikowym rolę zwierciadeł pełnią dwie wypolerowane ściany kryształu półprzewodnika prostopadłe do

płaszczy-zny złącza. Wiązka promieniowania laserowego powstaje w złączu, prostopadle do wypolerowanych ścian. W niektórych wypadkach funkcję zwierciadeł spełniają natu-ralne ściany kryształu, doskonale równoległe i gładkie. Zalety lasera półprzewodni-kowego są następujące:

a) może być łatwo i wygodnie wzbudzany prądem elektrycznym, a tym samym łatwo modulowany,

b) wykazuje wysoką wydajność kwantową, można uzyskać dużą sprawność kon-wersji energii elektrycznej w promienistą,

c) długość fali generowanego promieniowania może być zmieniana poprzez zmia-nę prądu zasilania,

d) ma małe wymiarami i masę, niskie napięcie zasilania, wysoką niezawodność i trwałość.

Jedną z niedogodności promieniowania emitowanego przez lasery półprzewodni-kowe jest rozkład poprzeczny generowanej wiązki. Jest ona bardziej rozbieżna w po-równaniu do innych laserów. Zwykle w jednej płaszczyźnie rozbieżność jest większa, co wynika z kształtu i wymiarów poprzecznych generującego złącza p-n, stąd też owalny rozkład poprzeczny promieniowania tych laserów, który czasem wymaga ko-rekcji za pomocą specjalnych układów optycznych.

Przez odpowiedni dobór półprzewodników można generować promieniowanie w zakresie widzialnym (635 nm, 670 do 690 nm), w bliskiej podczerwieni (780 do 960 nm), w średniej i dalekiej podczerwieni (do 12 μm) [12].

6.2.4.11. Lasery przestrajalne na ciele stałym

Materiałem aktywnym laserów przestrajalnych na ciele stałym są kryształy domieszkowane jonami metali o charakterystycznych właściwościach, wynikają-cych z ich struktury atomowej. Są to zwykle jony chromu Cr, tytanu Ti lub kobaltu Co, a więc metali z niezapełnionymi wewnętrznymi powłokami elektronowymi, wskutek czego w wyniku oddziaływania takich jonów z polem elektrycznym sieci krystalicznej następuje rozszczepienie poziomów energetycznych. Na schemacie poziomów energetycznych, który przypomina strukturę poziomów kwantowych barwników, na stany elektronowe nakłada się duża liczba poziomów oscylacyj-nych, między którymi dochodzi do wymiany energii przez szybkie przejścia relak-sacyjne.

W wyniku pompowania optycznego, najczęściej z wykorzystaniem laserów, mo-że być osiągnięta inwersja obsadzeń. Materiały te charakteryzują się szerokim wid-mem luminescencji i mogą generować dowolną długość fali. Wynika stąd możli-wość płynnego przestrajania generowanej długości fali. Przestrajanie może odbywać się za pomocą siatek dyfrakcyjnych lub pryzmatów. Na rysunku 6.12 zilustrowano zakresy generacji niektórych laserów przestrajalnych z ciałem stałym.

Rys. 6.12. Obszary generacji promieniowania

przez niektóre przestrajalne lasery na ciele stałym (na podstawie [13])

Praktyczne zastosowanie lasery przestrajalne znalazły w fotodynamicznej meto-dzie leczenia PDT, szczególnie laser tytanowy z szafirem tytanowym Al₂O₃:Ti3+

i laser forsterytowy z forsterytem Mg2SiO4:Cr4+. Zakresy długości fal 700 do 1200 nm lasera Al₂O₃:Ti3+ i 1150 do 1350 nm lasera Mg₂SiO₄:Cr4+, można znacznie rozszerzyć, wykorzystując oddziaływanie generowanego przez te lasery promieniowania z krysz-tałami nieliniowymi i generację II harmonicznej tego promieniowania, czyli długości fal 350 do 600 nm w przypadku lasera tytanowego i 575 do 675 nm w przypadku lase-ra forsterytowego.

6.2.4.12. Lasery kaskadowe

Kwantowe lasery kaskadowe (ang. quantum cascade laser, QCL) stanowią nową

klasę unipolarnych laserów półprzewodnikowych, których działanie oparte jest na przejściach wewnątrzpasmowych. W odróżnieniu od klasycznych laserów półprze-wodnikowych, wykorzystujących przejścia międzypasmowe, długość fali emitowane-go przez nie promieniowania praktycznie nie zależy od materiału, z któreemitowane-go są wyko-nane, a jedynie od geometrii wnęk kwantowych, stanowiących obszar czynny. Pozwala to generację szerokiego spektrum długości fal od bliskiej poprzez średnią do dalekiej podczerwieni, za pomocą struktur wytwarzanych na bazie materiałów GaAs i InP, których technologia wytwarzania jest doskonale opanowana.

Kaskadowa natura generacji promieniowania pozwala na powielanie fotonów i po-tencjalnie umożliwia uzyskanie dużych mocy. Z kolei obecność tylko jednego rodzaju nośników (elektronów) eliminuje większość niekorzystnych procesów rekombinacji niepromienistej. Listę zalet laserów kaskadowych zamyka ich sub-pikosekundowa szybkość działania wynikająca z ultraszybkiej dynamiki przejść wewnątrzpasmowych.

Lasery kaskadowe są idealnym źródłem promieniowania w układach detekcji zanie-czyszczeń gazowych, spektroskopii molekularnej i systemach telekomunikacji w swo-bodnej przestrzeni. Można również myśleć o ich zastosowaniach w medycynie, do wczesnego wykrywania skażeń i substancji biologicznych. Na rysunku 6.13 pokazano czuły analizator metanu z wykorzystaniem lasera kaskadowego o długości fali 7,85 μm. i komórki wielokrotnych przejść.

Rys. 6.13. Konstrukcja analizatora metanu na poziomie sub-ppm z wykorzystaniem lasera kaskadowego i komórki wielokrotnych przejść