Lasery, jako źródła promieniowania elektromagnetycznego

Lasery – podział w zależności od zastosowanego ośrodka czynnego

Laser to akronim od angielskiej nazwy Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Działają na zasadzie wzmocnienia emitowanego światła, poprzez wymuszenie emisji. Emitują promieniowanie elektromagnetyczne z zakresu światła widzialnego, ultrafioletu lub podczerwieni. Działanie laserów opiera się na emisji wymuszonej, która polega na oświetleniu wzbudzonych atomów promieniowaniem o zdefiniowanej energii.

Najbardziej ogólny podział laserów opiera się na zaklasyfikowaniu ich w zależności od ośrodka czynnego lub długości fali emitowanego promieniowania. Biorąc pod uwagę występujący w laserze ośrodek czynny, wyróżnia się lasery gazowe, ciekłe i na ciele stałym. Molekuły, atomy czy jony, które wchodzą w skład takiego ośrodka różnią się pomiędzy sobą budową energetyczną. Decyduje ona o najistotniejszych parametrach lasera.

Poniżej podano najważniejsze przykłady laserów, w zależności od zastosowanego ośrodka czynnego. W nawiasach znajdują się zakresy długości emitowanej fali:

Lasery gazowe

• Helowo-neonowy (543 nm lub 633 nm)
• Arganowy (458 nm, 488 nm lub 514,5 nm)
• Azotowy (337,1 nm)
• Kryptonowy (647,1 nm, 676,4 nm)
• Na dwutlenku węgla (10,6 μm)

Lasery ciekłe

• Laser barwnikowy (400 nm – 700 nm)

Lasery na ciele stałym

• Laser rubinowy (694,3 nm)
• Laser neodymowy na YAG-u
• Laser neodymowy na szkle
• Laser erbowy na YAG-u (1645 nm)
• Laser tulowy na YAG-u (2015 nm)

Charakterystyka wybranych laserów

• Laser argonowy

Laser argonowy należy do grupy gazowych laserów jonowych. Ośrodek czynny w tym przypadku tworzą jony argonu. Laser ten może emitować ponad 30 linii, z zakresu od nadfioletu do światła czerwonego. W rurze wyładowczej utrzymywane są atomy argonu pod ciśnieniem około 0,1 Tora. Powstające podczas wyładowania elektrony, zderzają się z atomami argonu. Mogą bezpośrednio powodować ich jonizację i wzbudzenie, przeprowadzając atomy ze stanu podstawowego do wzbudzonego jonu. Innym, skuteczniejszym procesem jest dwustopniowa jonizacja argonu. Utworzony w ten sposób jon jest następnie przenoszony do jeszcze wyższego stanu wzbudzenia, który jest nazywany górnym stanem laserowym. Daje to możliwość generowania kilkunastu linii widmowych o różnych częstotliwościach.

• Laser helowo – neonowy

Laser helowo – neonowy jest przykładem lasera gazowego, skonstruowanego w 1959 roku. Światło zostaje wyemitowane w wyniku tzw. inwersji obsadzeń. Hel i neon umieszcza się, w stosunku 10:1 (ciśnienie całkowite jest zbliżone do 1,3 hPa), w rurze ze szkła kwarcowego. Na jej końcach przyłożone jest napięcie, które powoduje wyładowania w gazie. W wyniku tego, wewnątrz rury powstaje pole elektrostatyczne. Powoduje ono przyspieszenie elektronów i jonów do dużych prędkości. Ponieważ wewnątrz takiego lasera, więcej jest atomów helu, to rozpędzone elektrony zdecydowanie częściej uderzają w nie i powodują ich wzbudzenie do wyższych stanów energetycznych, które są stosunkowo długo stabilne. Wzbudzone atomy helu zderzają się z kolei z atomami neonu i przekazują im energię wzbudzenia. Dla tego gazu czasy wzbudzenia na wyższym poziomie są większe niż na niższym, dlatego po pewnym czasie dochodzi do tzw. inwersji obsadzeń.

• Laser na dwutlenku węgla (molekularny)

Lasery takie mogą pracować zarówno w trybie ciągłym, jak również impulsowym. Ośrodkiem czynnym w tym przypadku jest mieszanina dwutlenku węgla (CO₂), azotu (N₂) i helu (He) w stosunku objętościowym 1: 1,3 : 1,7. Każdy z nich spełnia określone funkcje. Dwutlenek węgla jest gazem czynnym, w azocie odbywają się wyładowania elektryczne, które dostarczają energii wzbudzenia, natomiast hel ma za zadanie stabilizację plazmy CO₂ i odprowadzanie powstającego ciepła. Wyładowania elektryczne, które mają miejsce w mieszaninie dwutlenku węgla i azotu, powodują bardzo efektywne wzbudzenie cząsteczek N₂. Ponieważ taka molekuła ma identyczne jądra, więc przejście dipolowe jest wzbronione. Utrata energii następuje jedynie w wyniku zderzeń. W przypadku, gdy w rurze lasera molekularnego, znajdują się cząsteczki dwutlenku węgla, to w konsekwencji dobrej koincydencji poziomów wzbudzonych N₂ i CO₂, zderzenia drugiego rodzaju powodują wzbudzanie molekuł CO₂ i powrót do stanu podstawowego cząsteczek N₂. W takim przypadku inwersję w mieszaninie osiąga się znacznie łatwiej niż w czystym CO₂.

• Laser rubinowy

Został skonstruowany w 1960 roku przez Theodore’a Maimana. Substancją czynną odpowiadającą za właściwości lasera rubinowego jest rubin (trójtlenek glinu, Al₂O₃, w którym niektóre z atomów glinu są zastąpione atomami chromu Cr³⁺). Lasery rubinowe pracują impulsowo, wysyłając promieniowanie z zakresu widzialnego światła czerwonego. Centralną częścią lasera jest pręt rubinowy, nad którym znajduje się lampa błyskowa. Pochodzący od niej intensywny błysk światła, wzbudza część atomów rubinu do wyższego stanu energetycznego. Z kolei one wysyłając fotony, pobudzają w ten sposób inne atomy. Po obydwu stronach pręta rubinowego znajdują się lustra, które potęgują ten efekt. Jedno z nich jest półprzepuszczalne, a wydostające się przez nie fotony, to uzyskana wiązka światła laserowego. Lasery rubinowe obecnie mają głównie znaczenie historyczne. Ich zastosowanie ogranicza się do holografii czy usuwania tatuaży.