Zasada działania lasera

Zasadę działania lasera wyjaśnia rozwinięcie skrótu LASER – Light Amplification

by Stimulated Emission of Radiation, czyli wzmocnienie światła przez wymuszoną

emisję promieniowania (Słowo laser jest akronimem). Wyjątkowość lasera nie doty-czy sposobu działania doty-czy konstrukcji, ale właściwości światła, jakie urządzenie to emituje. Jest to bardzo skupiona wiązka światła monochromatycznego, czyli o jednej, ściśle określonej barwie (długości fali) i wysokim natężeniu [1]. Zagadnienia dotyczą-ce zasady działania laserów, zostały też omówione w rozdziale 5.

Promieniowanie laserowe jest promieniowaniem optycznym, czyli falą elektroma-gnetyczną, która ma pewną energię E. Jednostką energii jest dżul [1 J]. Ponieważ promieniowanie optyczne jest wiązką fotonów, energia promieniowania jest sumą energii wszystkich fotonów w wiązce laserowej:

(

)

f h

E

E=∑ =∑ ⋅ν , (1)

gdzie:

vf – częstotliwość fotonów, związana z długością fali zależnością λ ν_f = ,^c

h – stała Plancka h = 6,63·10–34 [J·s], c – prędkość światła.

Ilość energii E emitowana w jednostce czasu t nosi nazwę mocy promieniowania P: t

E

P= . (2)

Jednostką mocy jest wat [1 W = 1 J/1 s], czyli dżul na sekundę. Jeżeli promienio-wanie optyczne rozchodzi się w postaci ukierunkowanej wiązki, używa się dodatko-wych określeń wyrażających wielkość energii lub mocy promieniowania

przypada-jących na jednostkę powierzchni przekroju poprzecznego wiązki S wyrażonego

w metrach kwadratowych [m2]. W pierwszym przypadku jest to gęstość energii lub napromienienie H:

S E

H = (3)

wyrażane w dżulach na metr kwadratowy [J/m2].

W drugim przypadku jest to gęstość mocy lub natężenie napromienienia I: S

P

I = (4)

wyrażane w watach na metr kwadratowy [W/m2].

Parametry te są bardzo ważne, gdyż o skuteczności oddziaływania promieniowania optycznego z tkanką decyduje właśnie gęstość mocy lub energii.

W laserze wykorzystuje się efekty wzajemnego oddziaływania promieniowania elektromagnetycznego z materią, tzw. ośrodkiem aktywnym, którym może być ciało stałe, ciecz lub gaz. W wyniku tego oddziaływania zachodzą zjawiska prowadzące do wzmocnienia i generacji promieniowania. Praca generatora promieniowania (lasera) polega na wykorzystaniu przejść kwantowych między dyskretnymi poziomami ato-mów, jonów lub cząsteczek materiału, spełniającego warunki wzmocnienia. Rysu-nek 6.1a przedstawia tzw. boltzmannowski rozkład obsadzenia poziomów energetycz-nych. Gdy układ kwantowy, np. zbiór atomów, znajduje się w stanie równowagi termodynamicznej w temperaturze T, obsadzenie poszczególnych jego poziomów energetycznych wyznacza zależność:

⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ⋅ = kT E C N i i exp , (5) gdzie:

N_i – liczba atomów o energii E_i,

k – stała Boltzmanna,

C – stała charakterystyczna dla danego układu kwantowego.

Na osi poziomej na rys. 6.1 przedstawiono liczbę atomów Ni, a na osi pionowej -najbardziej prawdopodobną energię E_i, jaką mają te atomy; przy czym E₃ > E₂ > E₁. Oznacza to, że najliczniej obsadzone są poziomy energetyczne o najniższej energii. W wyniku pobudzenia ośrodka aktywnego (np. lampą wyładowczą, silnym polem elektrycznym, innym laserem) dochodzi do wzbudzenia atomów tego ośrodka do wyż-szego poziomu energetycznego. Więcej atomów znajduje się w stanie wzbudzonym E₂ niż w podstawowym E1 (przed wzbudzeniem), co z kolei daje efekt tzw. inwersji ob-sadzeń. Stan ten to stan niestabilny. Wzbudzony ośrodek aktywny może powrócić do

stanu podstawowego w wyniku przejścia promienistego (z emisją fotonu) lub przejścia bezpromienistego (zderzenia między atomami).

a) Rozkład obsadzenia poziomów energetycznych układu kwantowego w stanie niewzbudzonym. Najliczniej obsadzone są poziomy energetyczne

o najniższej energii

b) Rozkład obsadzenia poziomów energetycznych układu kwantowego w stanie wzbudzonym. Wynikiem pobudzenia jest inwersja obsadzeń; więcej atomów znajduje się w stanie wzbudzonym

(N2, N3) niż w stanie podstawowym (N1) Rys. 6.1. Poziomy energetyczne układu kwantowego w stanie niewzbudzonym (a)

oraz w stanie wzbudzonym (b) (według [2])

Emisja fotonu może odbywać się w sposób spontaniczny lub wymuszony (stymu-lowany) pod wpływem padającego promieniowania elektromagnetycznego. Jeżeli na ośrodek aktywny znajdujący się w stanie inwersji obsadzeń będzie oddziaływać dalej promieniowanie o częstotliwości

h E E₂− ₁ =

ν , gdzie h jest stałą Plancka (hν – energia kwantu promieniowania), to dochodzi do tzw. emisji wymuszonej, gdzie jeden kwant promieniowania o odpowiedniej energii wyzwala drugi kwant, nie tracąc przy tym swojej energii. Zamiast jednego kwantu wchodzącego do ośrodka aktywnego, na jego wyjściu mamy dwa jednakowe kwanty, co oznacza wzmocnienie promieniowania. Omówioną sytuację wyjaśnia rys. 6.2.

W zależności od rodzaju ośrodka, w którym znajdują się opisane wyżej atomy, stan inwersji obsadzeń można uzyskać w wyniku dostarczania atomom niezbędnej energii różnymi metodami, m.in. poprzez pompowanie optyczne (doprowadzenie do ośrodka promieniowania optycznego, np. z lampy łukowej, błyskowej czy innego lasera), przepływ prądu przez złącze p-n (w półprzewodnikach) lub przez gaz (wyła-dowanie elektryczne), wykorzystanie energii wiązań chemicznych (w gazach).

Układ kwantowy w wyniku pochłonięcia porcji energii o wartości E = hν przechodzi ze stanu podstawowego Ei

do stanu wzbudzonego E_i+1;

Ei+1 – Ei = hν

Układ kwantowy znajdujący się w stanie wzbudzonym o energii Ei+1

przechodzi do stanu podstawowego E_i z emisją kwantu promieniowania

o energii E = hν Układ kwantowy znajdujący się w stanie wzbudzonym o energii Ei+1

po pochłonięciu porcji energii hν przechodzi do stanu podstawowego E_i

z emisją promieniowania o energii

E = 2hν. Zamiast jednego kwantu wchodzącego do układu mamy na jego wyjściu dwa jednakowe kwanty energii, co oznacza wzmocnienie promieniowania Rys. 6.2. Emisja spontaniczna i wymuszona (według [3])

Jeżeli ośrodek zostanie wzbudzony i wytworzona zostanie inwersja obsadzeń, wówczas promieniowanie rozchodzące się w ośrodku, pochodzące z emisji sponta-nicznej, wymusi emisję promieniowania o takich samych właściwościach i ulegnie wzmocnieniu. Na wzmocnienie ma jednak szansę tylko promieniowanie, które biegnie wzdłuż osi pobudzanego obszaru. Pozostałe szybko wychodzi z ośrodka na zewnątrz. Proces ten będzie narastał lawinowo w kierunku propagacji promieniowania. Jednak-że, aby uzyskać duże wzmocnienie promieniowania, ośrodek musiałby być bardzo długi, co byłoby technicznie niewykonalne. Zastosowano więc tzw. dodatnie optyczne sprzężenie zwrotne polegające na tym, że ośrodek umieszcza się pomiędzy dwoma zwierciadłami odbijającymi promieniowanie. Zwierciadła te stanowią tzw. rezonator optyczny. Promieniowanie rozchodzące się wzdłuż osi po wyjściu z ośrodka odbija się od zwierciadła i wraca do ośrodka ulegając dalszemu wzmocnieniu. W ten sposób promieniowanie „krąży” między zwierciadłami, za każdym przejściem ulegając więk-szemu wzmocnieniu. Jeżeli jedno zwierciadło będzie częściowo transmisyjne,

wów-czas część energii promieniowania opuści przez nie rezonator w postaci wiązki lase-rowej. Oczywiście, żeby to nastąpiło, wzmocnienie w rezonatorze musi przewyższać straty rezonatora (promieniowanie wychodzące z rezonatora uważa się też za stratę). Zatem dopiero współdziałanie ośrodka, w którym występuje inwersja obsadzeń z re-zonatorem optycznym, wytwarza wiązkę promieniowania laserowego.

Z powyższego opisu działania lasera wynika, że musi on zawierać materiał aktyw-ny (ośrodek wzmacniający), źródło wzbudzenia (układ pompujący) i obszar umożli-wiający wzmocnienie – rezonator.