Lasers als bronnen van elektromagnetische straling

Lasers – verdeling afhankelijk van het gebruikte actieve medium

Laser is een acroniem voor Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation . Ze werken door het uitgezonden licht te versterken door de emissie te forceren. Ze zenden elektromagnetische straling uit in het bereik van zichtbaar, ultraviolet of infrarood licht. De werking van lasers is gebaseerd op gestimuleerde emissie, die bestaat uit het verlichten van aangeslagen atomen met straling van een gedefinieerde energie. De meest algemene indeling van lasers is gebaseerd op hun classificatie afhankelijk van het actieve medium of de golflengte van de uitgezonden straling. Rekening houdend met het actieve medium dat in de laser aanwezig is, kunnen we gas-, vloeistof- en vastestoflasers onderscheiden. Moleculen, atomen of ionen die deel uitmaken van zo’n medium verschillen in hun energiestructuur. Het bepaalt de belangrijkste parameters van de laser. Hieronder staan de belangrijkste voorbeelden van lasers, afhankelijk van het gebruikte actieve medium. Tussen haakjes staan de golflengtebereiken van de uitgezonden golf:

Gas lasers

• Helium-neon (543 nm of 633 nm)
• Argan (458 nm, 488 nm of 514,5 nm)
• Salpeterzuur (337,1 nm)
• Krypton (647,1 nm, 676,4 nm)
• Kooldioxide (10,6 μm)

Vloeibare lasers

• Kleurstoflaser (400 nm – 700 nm)

Lasers in vaste toestand

• Ruby-laser (694,3 nm)
• YAG neodymiumlaser
• Neodymiumlaser van glas
• YAG erbiumlaser (1645 nm)
• YAG thuliumlaser (2015 nm)

Kenmerken van geselecteerde lasers

• Argon laser

De argonlaser behoort tot de groep van gasionenlasers. Het actieve medium wordt in dit geval gevormd door argonionen. Deze laser kan meer dan 30 lijnen uitzenden, variërend van ultraviolet tot rood licht. Argonatomen worden in de ontladingsbuis gehouden onder een druk van ongeveer 0,1 Torr. De elektronen die tijdens de ontlading ontstaan, botsen met argonatomen. Ze kunnen ze direct ioniseren en exciteren, waardoor de atomen van de grondtoestand naar de aangeslagen ionentoestand worden verplaatst. Een ander, effectiever proces is de tweetraps ionisatie van argon. Het op deze manier gevormde ion wordt vervolgens overgebracht naar een nog hogere excitatietoestand, die de bovenste lasertoestand wordt genoemd. Dit maakt het mogelijk om meerdere spectraallijnen met verschillende frequenties te genereren.

• Helium-neon laser

De helium-neonlaser is een voorbeeld van een gaslaser, gebouwd in 1959. Er wordt licht uitgezonden als gevolg van de zogenaamde populatie-inversie. Helium en neon worden in een verhouding van 10:1 (totale druk is bijna 1,3 hPa) in een kwartsglazen buis geplaatst. Aan de uiteinden staat spanning, wat ontladingen in het gas veroorzaakt. Hierdoor ontstaat er een elektrostatisch veld in de buis. Het versnelt elektronen en ionen tot hoge snelheden. Omdat er meer heliumatomen in zo’n laser zitten, raken versnelde elektronen ze veel vaker en veroorzaken ze hun excitatie naar hogere energietoestanden, die relatief lang relatief stabiel zijn. De aangeslagen heliumatomen botsen op hun beurt met de neonatomen en brengen de excitatie-energie daarop over. Voor dit gas zijn de excitatietijden op een hoger niveau groter dan op een lager niveau, daarom treedt na enige tijd de zogenaamde populatie-inversie op.

• Kooldioxidelaser (moleculair)

Dergelijke lasers kunnen zowel in continue als in pulsmodus werken. Het actieve medium is in dit geval een mengsel van kooldioxide (CO ₂ ), stikstof (N ₂ ) en helium (He) in een volumeverhouding van 1: 1,3 : 1,7. Elk van hen vervult specifieke functies. Kooldioxide is het actieve gas, elektrische ontladingen, die excitatie-energie leveren, vinden plaats in stikstof, terwijl helium is ontworpen om het CO ₂ -plasma te stabiliseren en de resulterende warmte af te voeren. Elektrische ontladingen die plaatsvinden in een mengsel van koolstofdioxide en stikstof zorgen voor een zeer effectieve excitatie van N ₂ moleculen. Aangezien zo’n molecuul identieke kernen heeft, is een dipoolovergang verboden. Alleen door botsingen gaat energie verloren. Als er koolstofdioxidemoleculen in de moleculaire laserbuis zijn, als gevolg van het goede samenvallen van de geëxciteerde N _2- en CO ₂ -niveaus, veroorzaken botsingen van het tweede type de excitatie van CO ₂ -moleculen en keren ze terug naar de grondtoestand van N ₂ moleculen. In dit geval wordt inversie in het mengsel veel gemakkelijker bereikt dan in pure CO ₂ .

• Robijnrode laser

Het werd in 1960 gebouwd door Theodore Maiman. De werkzame stof die verantwoordelijk is voor de eigenschappen van de robijnlaser is robijn (aluminiumtrioxide, Al ₂ O ₃ , waarin een deel van de aluminiumatomen is vervangen door Cr ³⁺ chroomatomen). Ruby-lasers werken in pulsen en zenden straling uit in het zichtbare rode lichtbereik. Het centrale deel van de laser is een robijnrode staaf met daarboven een flitslamp. De intense lichtflits die eruit komt, prikkelt enkele robijnrode atomen tot een hogere energietoestand. Op hun beurt prikkelen de robijnatomen op deze manier andere atomen door fotonen te sturen. Aan beide zijden van de robijnstaaf bevinden zich spiegels die dit effect versterken. Een ervan is semi-permeabel en de fotonen die er doorheen ontsnappen zijn de resulterende laserstraal. Ruby lasers zijn nu vooral van historisch belang. Het gebruik ervan is beperkt tot het verwijderen van holografie of tatoeages.