Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation - wzmocnienie światła poprzez wymuszoną emisję promieniowania) 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.
Mechnizm generowania światła przez lasery opiera się na zjawisku wymuszonej emisji promieniowania w ośrodku po odwróceniu (inwersji) obsadzeń.
Zasadniczymi elementami lasera są: ośrodek czynny, rezonator optyczny, 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 występuje to gdy w ośrodku jest więcej atomów w stanie
wzbudzonym niż w stanie podstawowym (inwersja obsadzeń poziomów energetycznych).
Uzyskanie takiego 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 metatrwałe 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 metatrwałego. Akcja laserowa rozpoczyna się od emisji spontanicznej lub
wprowadzenia fotonu inicjującego z zewnątrz.
Układ pompujący :
Zadaniem układu jest przeniesienie jak największej liczby elektronów w substancji
czynnej do stanu wzbudzonego. Układ musi być wydajny tak by doszło do inwersji obsadzeń.
Pompowanie lasera odbywa się poprzez błysk lampy błyskowej (flasha), błysk innego lasera,
przepływ prądu w gazie, reakcję chemiczną, zderzenia atomów, wstrzelenie wiązki elektronów
do substancji.
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.
Rezonator optyczny (laser CO2)
Jest kilka metod wytwarzania stanu inwersji obsadzeń poziomów energetycznych.
Po włączeniu lasera katoda generuje strumień elektronów, który przepływa przez ośrodek aktywny (ośrodek optycznie czynny) , którym jest zazwyczaj jakiś gaz szlachetny, do anody.
Rezonator CO2 w trakcie pracy
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. Fotony zderzają się z kolejnymi wzbudzonymi atomami, na skutek czego 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 (także za pomocą światła (pompowanie optyczne)). Układ pompujący wytwarza w ośrodku czynnym umieszczonym wewnątrz rezonatora optycznego odwrócenie obsadzeń. Promieniowanie rozchodzące się wzdłuż osi optycznej rezonatora ulega wzmocnieniu w procesie emisji wymuszonej na skutek odbić od zwierciadeł rezonatora. Gdy wzmocnienie promieniowania jest większe od strat występujących w rezonatorze, następuje generowanie promieniowania. Wyprowadzenie strumienia generowanego promieniowania następuje na ogół przez jedno ze zwierciadeł rezonatora w postaci wiązki o małym kącie rozbieżności.
Ze względu na rodzaj ośrodka czynnego rozróżnia się lasery gazowe , cieczowe ( laser barwnikowy ) , krystaliczne ( laser rubinowy ) lub tez szklane ( laser neodymowy ) . Ze względu na charakter pracy lasery można podzielić na pracujące w sposób ciągły ( CW - continuous work ) oraz impulsowo ( P - pulse ) . Lasery impulsowe umożliwiają uzyskanie olbrzymich mocy światła ( ultrakrótkich impulsów gigantycznych ) .
minimalna rozbieżność wiązki, gdyż światło laserowe jest spójne i koherentne;
monochromatyczność; w laserze rubinowym szerokość linii widmowej nie przekracza na ogół 0,01 mm;
równoległość - w laserach stałych rozbieżność wiązki nie przekracza zwykle 10 miliradianów, natomiast w laserach CO2 utrzymuje się poniżej 2-5 miliradianów;
