Laser

Iz Vikipedije, slobodne enciklopedije
Skoči na: navigacija, pretraga
Starfire Optical Range у Новом Мексику

Ласер од (енгл. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) ili u prevodu „pojačanje svetlosti pomoću stimulisane emisije zračenja“ je izvor svetlosnog zračenja koji emituje koherentan snop fotona, kao izvor stabilan je po frekvenciji, talasnoj dužini i snazi. Za razliku od svetlosti koju emituju uobičajeni izvori, kao što su sijalice, laserska svetlost je uglavnom monohromatska, tj. samo jedne talasne dužine (boje) i usmerena je u uskom snopu. Snop je koherentan, što znači da su elektromagnetni talasi međusobno u istoj fazi i šire se u istom smeru. Sastavljen je od rezonatorske šupljine i aktivne sredine koja ga ispunjava. Otkriven je u SAD 1960. godine. Ranije je nazivan i Maser (engl. Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation).

Podela lasera[uredi]

Možemo izvršiti nekoliko klasifikacija lasera:[1]

  • Prema vrsti materijala od kojeg je napravljen izvor
  • Prema režimu rada:
  • Prema vrsti pumpe (pobuda radne zapremine) koja se koristi:
    • Optički pumpan
    • Pumpan električnim putem
      • Jednosmernim naponom
      • Naizmeničnim naponom
      • Električnim pražnjenjem
    • Pumpan hemijskim reakcijama
    • Nuklerano pumpan (α i β čestice, produkti nuklearnih reakcija, γ zračenje i neutroni)
  • Prema oblasti spektra u kojoj emituje svetlost
    • Laseri u vidljivom delu spektra
    • Laseri u bliskoj infracrvenoj oblasti
    • Laseri u dalekoj infracrvenoj oblasti
    • X laseri, zračenje u X oblasti

Osnovni elementi lasera[uredi]

Sastavni delovi lasera su:

Laser se pušta u rad tako što se uključi sistem pumpe (pobuda), time nastaje inverzija naseljenosti radnih nivoa, čime se stvaraju uslovi za stimulisanu emisiju unutar aktivne sredine. Da bi ponašao kao generator, još je potrebno da radi u režimu povratne sprege, što se realizuje uz pomoć rezonatora. Prag pri kome laser počinje sa radom (engl. Treshold) dobijamo kada pojačanje u rezonatoru kompenzuje sve ostale gubitke, gubitke usled propagacije zraka i usled pojave laserskog snopa.

Princip rada lasera[uredi]

Laserski zrak se proizvodi fenomenom stimulisane emisije. Kao prvi uslov emisije fotona je Borov uslov: tj. laserski medijum mora imati eneretske nivoe čija energija (razlika energija) odgovara energiji emitovanih fotona. Drugi uslov je da većina atoma (ili molekula) bude u pobuđenom stanju. Moramo imati na umu da se u laserskom medijumu mogu događati različiti procesi interakcije elektromagnetskog zračenja i materije: najviše dolaze do izražaja apsorpcija i spontana emisija zračenja. Ukoliko dovedemo deo atoma (ili molekula) laserskog medijuma u pobuđeno stanje, oni će emitovati fotone spontanom emisijom. Ti fotoni se dalje mogu apsorbovati na nepobuđenim atomima, ili izazavati stimulisanu emisiju na preostalim pobuđenim atomima. Laserski zrak se može proizvesti jedino ako je stimulisana emisija izraženija u odnosu na apsorpciju i spontanu emisiju zračenja. To se postiže inverzijom naseljenosti atoma (ili elektona) u laserskom medijumu: broj atoma u pobuđenom stanju mora biti veći od broja atoma u osnovnom stanju.

Prikaz nivoa Nd:YAG lasera

Inverzija naseljenosti se može postići samo u specifičnim slučajevima, pa se samo retki materijali mogu iskoristiti kao laserski medijumi. Inverzija naseljenosti se može postići ako u materijalu postoji metastabilno stanje. Metastabilno stanje je pobuđeno stanje u kojem se atom (ili molekul) zadržava duže nego u normalnim pobuđenim stanjima. U laserskom medijumu mora postojati još barem jedno pobuđeno stanje, što sa osnovnim stanjem čini sistem od tri energetska nivoa - tronivoski laser. U laserskom sistemu sa tri nivoa, atomi (molekul ili elektroni) se određenim načinom pobuđuju u pobuđeno stanje. Pobuđeno stanje, traje vrlo kratko i brzo se relaksira u nešto niže metastabilno stanje. Atomi (molekuli) se ne mogu brzo relaksirati u osnovno stanje, pa laserskim medijumom počinju da dominiraju atomi u metastabilnom stanju. Inverzija naseljenosti se postiže između metastabilnog i osnovnog stanja, pa se lasersko delovanje postiže prelazom između ta dva stanja. Pobuđeno stanje koje se koristi za popunjavanje metastabilnog stanja ne mora biti jedno stanje, već se može koristiti niz energetski stanja.

Postoje i laseri koji rade na principu četiri nivoa – četvoronivoski laseri. Metastabilno stanje se naseljava na isti način kao i kod tronivoskog lasera, ali inverzija naseljenosti se postiže između metastabilnog i drugog pobuđenog stanja niže energije. Kako se pobuđeno stanje niže energije brzo relaksira i ostaje prazno, inverzija populacije je sigurna čak i ako je pobuđen relativno mali broj atoma u laserskom medijumu.

Šema rubinskog lasera, 1. izlazni laserski snop, 2. optička pumpa, 3. Izvor zračenja (u ovom slučaju rubin), 4. Visoko reflektivno ogledalo, 5. Rezonator, 6. Propusno ogledalo

Povevećavanjem temperature pobuđena stanja se počinju zauzimati, što može narušiti inverziju populacije. (Zagrevanjem nije moguće postići inverziju populacije.) Zbog toga je lasere često potrebno hladiti.

Laserski medijum je smešten između dva paralelna ogledala, tako da svetlosni snop koji prolazi između dva ogledala formiea stojeći talas. Prostor između dva ogledala se naziva i laserska šupljina, rezonantna šupljina ili rezonator, po analogiji sa šupljinama koje se korise u akustici prilikom rada sa zvučnim talasima. Fotoni koji nastaju spontanom emisijom u laserskom medijumu emituju se u svim smerovima, ali samo oni koji su emitovani u smeru ogledala će se reflektirati između ta dva ogledala i biti zarobljeni u laserskoj šupljini. Ti fotoni, koji veliki broj puta prolaze kroz laserski medijum, će izazivati stimulisanu emisiju, prilikom prolaska blizu atoma u metastabilnim stanjima u laserskom medijumu. Jedno od dva ogledala se obično napravi tako da nema koeficijent refleksije 100%, već da propušta određenu količinu svetla (obično manje od 1%), pa fotoni mogu izaći iz laserske šupljine. Na taj način laserski snop sadrži skup koherentnih fotona, što joj daje veliki intenzitet.

Formiranje laserskog snopa je jedan od retkih primera manifestacije kvantne mehanike u makroskopskim sistemima: u kvantnoj mehanici razlikuju se dve vrste čestica: Fermi-Dirakove čestice – fermioni i Boze-Ajnštajnove čestice – bozoni. Fotoni se ponašaju kao bozoni. Fermioni ne mogu biti u istom kvantnom stanju, dok bozoni to mogu. Štaviše, što je više bozona u istom kvantnom stanju, veća je verovatnoća da će im se pridružiti još njih.

Čvrstotelni laseri[uredi]

Čvrstotelni laseri imaju jezgro napravljeno od kristala ili amorfnog materijala, često u obliku cilindra. Ogledala mogu biti izvedena kao tanki srebreni filmovi napareni na krajeve ovog cilindra. Na taj način on čini lasersku šupljinu. Pobuđivanje atoma od kojeg se sastoji jezgro se obično vrši nekim intenzivnim izvorom svetla. U tu svrhu se često koriste ksenonske bljeskalice, a u novije vrieme LED diode, ili poluprovodnički laseri, čime se povećava energetska efikasnost. Prvi laser koji je davao vidljivu svjetlost je bio rubinski laser, koji koristi jezgro od rubina kao izvor zračenja. Rubinski laser daje crvenu svetlost talasne dužine 694.3 nm. Danas se često koristi Nd:YAG laser, koji za jezgro ima itrijum aluminijum granat (YAG), dopiranog atomima neodijuma. Nd:YAG laser daje infracrveno zračenje.

Gasni laseri[uredi]

HeNe (helijum-neonski) Laser. Svetleći snop u sredini slike potiče od svetlosti koja nastaje električnim pražnjenjem potpuno isto kao u neonskoj lampi. Taj snop potiče od medijuma za pojačanje laserskog zraka ali nije laserski zrak. Laserski zrak izleće iz tog medijuma, prolazi kroz vazduh i na zaklonu u dnu slike, desno, ostavlja trag u obliku crvene tačkice.

Gasni laseri imaju laserski medijum u gasovitom stanju, obično se sastoje od cevi ispunjene gasom ili smesom gasova pod određenim pritiskom. Krajevi cevi opremljeni su ogledalima kako bi se formirao rezonator. Pobuđivanje atoma gasa se nejčešće obavlja električnim pražnjenjima kroz gas unutar cevi. Gasni laseri se često hlade strujanjem gasa kroz cev. Najčešće korišteni gasni laseri su: He-Ne ласер (Helijum-Neon), argonski laser ili CO2 laser.

Poluprovodnički laseri[uredi]

Vista-xmag.png Za više informacija pogledajte članak Poluprovodnički laseri

Poluprovodnički laser predstavlja laser malih dimenzija proizveden od poluprovodničkih materijala, izveden na različitim strukturama kao što su kvantna jama, kvantna žica ili kvantna tačka. Najjednostavniju strukturu ima diodni poluprovodnički laser, kod koga na n-strani višak elektrona predstavlja nosioce struje, dok na p-strani prevladavaju šupljine koje predstavljaju nedostatak elektrona. Kad se na p stranu primeni pozitivan napon, a na n-stranu negativan, elektroni i šupljine se kreću jedni prema drugima. Čestice se sretnu u ultratankom prostoru koji se naziva kvantna jama, gde se vrši rekombinacija elektrona i šupljina pri čemu dolazi do emisije fotona. Ako su krajevi diode ujedno i visokoreflektirajuća ogledala dolazi do laserskog efekta, emitovanja istovrsnih koherentnih fotona. Energija fotona (boja svjetlosti) određena je svojstvima poluvodičkog spoja, iznosom energijskog procepa (engl. band-gap). Npr. za lasere na GaAs taj energijski procep iznosi oko 1,45 eV, što odgovara emisiji fotona talasne dužine 885 nm. Plavi laser je pojam (sintagma) koji označava poluvodičke lasere u području 400-450 nm, a čije bi ostvarenje predstavlja značajan napredak u razvoju laserskih displeja i povećanju kapaciteta optičkih memorija.

Hemijski laseri[uredi]

Određene hemijske reakcije mogu proizvesti molekule u pobuđenom stanju. Hemijski laseri koriste takve reakcije kako bi se postigla inverzija naseljenosti. Primer je fluorovodonični laser koji koristi reakciju vodonika i fluora, za proizvodnju fluorovodonika u pobuđenom stanju. Laserski zrak nastaje u reakciskoj komori, u koju stalno dotiču reaktanti, a produkti izlaze napolje. Na taj način je postignuta inverzija naseljenosti, jer je u reakcijskoj komori stalno prisutno više pobuđenih molekula od onih u osnovnom stanju. Ovakvi laseri mogu postići jako veliku snagu u kontinualnom modu. Jedna vrsta hemijskih lasera koristi ekscimere. Ekscimer je molekul koji je stabilan samo u pobuđenom stanju. Laser se sastoji od smese gasova kroz koje se narine visoki napon, slično kao kod gasnih lasera. Električna struja stvara mnoštvo iona i pobuđenih atoma u laserskoj šupljini, koji mogu reagovati i stvoriti ekscimer. Nakon što ekscimer doživi laserski prelaz, on se raspada jer ne može postojati u osnovnom stanju. To je i razlog inverzije naseljenost u ovom laserskom medijumu.

Laseri na bojama[uredi]

Laseri na bojama koriste određena organska jedinjenja, koja služe kao aktivni laserski medijum. Molekuli, za razliku od atoma imaju trakast spektar, koji se sastoje od mnogo spektralnih linija. Kod ovih jedinjenja, energetskim nivoima se može manipulisati (električnim poljem, magnetskim poljem, temperaturom ...). Na taj način je moguće podesiti laser za rad na odgovarajućoj talasnoj dužini. Pobuda molekula se obavlja pomoću nekog drugog lasera.

Laseri na slobodnim elektronima[uredi]

Laseri na slobodnim elektronima koriste snop relativističkih elektrona koji prolazi kroz magnetsko polje koje naizmenično menja smer duž puta elektrona. U normalnim okolnostima, relativistički elektroni, koji prolaze kroz magnetsko polje emituju sinhrotronsko zračenje. Kod lasera sa slobodnim elektronima, put koji elektroni prolaze između naizmeničo postavljenih magneta se stavlja u lasersku šupljinu, tako da fotoni, koji su uhvaćeni između ogledala, izazivaju stimulisanu emisiju slobodnih elektrona u magnetnom polju, kao i kod elektrona u pobuđenim atomima. Laseri na slobodnim elektronima se mogu podešavati promenom gustine rasporeda magneta, jačine njihovog magnetnog polja i promenom energije elektrona. Tako da se mogu napraviti i laseri na slobodnim elektronima koji rade na talasnim dužinama koje su nedostupne klasičnim laserima, jer ne postoji pogodan laserski medijum koji bi mogao proizvesti svetlost zadate talasne dužine. Moguće je napraviti i laser sa jako dugačkom laserskom šupljinom, bez ogledala, čiji fotoni onda ne bi trebali prolaziti veliki broj puta duž optičkog puta lasera, već bi prošli samo jedanput. Takav laser se naziva superradijantni laser. Danas se pokušava napraviti superradijantni laseri na slobodnim elektronima, koji bi radili u spektralnim područjima, u kojima ne postoje ogledala koja bi to zračenje reflektovala; npr. u rendgenskoj oblasi spektra.

Istorijat[uredi]

Godine 1917, Albert Ajnštajn je postavio temelje za pronalaženje lasera, odnosno njegovog predaka masera, svojim revolucionarnim izvođenjem iz Plankovog zakona radijacije zasnovanog na konceptu spontane i stimulisane emisije. Ova teorija nije našla svoju primenu sve do pred Drugi svetski rat.

1939. godine konstruisana je prva negativna apsorcija sa gasnim smešama (Fabrikant). 1954. godine Čarls Tauns (engl. Charles Townes) i njegovi studenti Džejms Gordon i Herbert Cajger napravili su prvi maser, kvantni generator u mikrotalasnom dijapazonu, što je interesantno za etalone frekvencije i vremena. Taunsov maser nije bio sposoban za rad u kontinualnom režimu zračenja. Sa čuvenom trojkom Nikolaj Basov, Aleksandar Prohorov i nezavisno Tauns demonstrirali su rad kvantnog oscilatora koji je radio u neprekidnom režimu koristeći dvonivoski sistem. Ovaj sistem je postigavši neprekidnu stimulisanu emisiju bez pada na osnovni nivo, u stvari uspreo da uspostavi inverziju naseljenosti. Tauns, Basov i Prohorov su podelili Nobelovu nagradu za fiziku 1964. godine za „fundamentalan doprinos na polju kvantne elektronike, koji je doveo do konstruisanja oscilatora i pojačavača zasnovanog na laser-maser principu“.

1957. godine Čarls Tauns i Artur Leonard Šaulou koji su tada radili u Belovim laboratorijama, započinju niz ispitivanja na infracrvenom maseru. Kako se ideja razvijala, rad na infracrvenim frekvencijama biva napušten, i umesto taga se preusmeravaju na vidljiv deo spektra. Koncept je izvorno nazvan „optički maser“. Istraživači iz Belove laboratorije su kasnije podneli patentnu prijavu za ovaj novi uređaj.

Istovremeno Gordon Guld, apsolvent na Kolumbija univerzitetu razgovara sa Taunsom na temu emisije i radijacije. 1958. godine Prohorov je predložio primenu rezonatora koji je danas važan deo lasera. Prvi put naziv „laser“ pominje se u jevnosti u izveštaju Gulda iz 1959. godine u radu pod naslovom "The LASER, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation". Guld je imao nameru da već postojećem „aser“ doda sufiks, koji bi se koristio kako bi se označio deo spektra u kome uređaj emituje svetlost, pa otuda laser koji emituje X zrake bi bio „iksaser"; laser za rad u ultraljubičastom delu spektra bi bio „uvaser“. Nijedan od ovih predloga nije postao popularan, iako se ponekad „raser“ koristi kako bi se označio laser koji emituje radio frekvencije.

Prva strana Guldove beleške na kojoj je prvi put zapisan naziv „LASER“

U Guldovim beleškama navedene su mnoge moguće primene lasera, kao na primer u spektroskopiji, interferometriji, radarima i nuklearnoj fuziji. Na ovu temu je i predao patentnu prijavu 1959. godine. Američki patentni zavod je je 1960. godine odbio njegovu prijavu i prava dodelio Belovim laboratorijama. Ovo je bio povod pravnog procesa koji je trajao tri decenije, a ticao se naučnog prestiža i velike količine novca u igri. Guld je dobio prvi spor, deo na prava 1977. godine, ali tek za proces 1987. godine možemo da kažemo da je dobio značajnu pobedu kada je Federalni sud naredio vladi da dodeli prava na patent njemu za optički pumpan i laser sa gasnim pražnjenjem.

Prvi funkcionalni laseri su proradili 1960. godine, kada je proradio prvi Majmanov laser na rubinu (istraživačka laboratorija Hjuz, Kalifornija, SAD) ili prvi Javanov laser na smeši Helijuma i Neona koji se pojavljuje sa sve tri svoje karakteristične talasne dužine (0.63μm, 1.15μm i 3.39μm). Majman koristi sintetički rubinov kristal kao čvrtim jezgrom, pumpan optički, bljeskalicom za proizvodnju crvene laserske svetlosti talasne dužine 694nm. Ipak, Majmanov laser je bio sposoban za rad samo u impulsnom režimu, na tronivoskom sistemu. Kasnije te godine iranski fizičar Ali Javan zajedno sa Vilijam Benetom i Donald Heriotom napravili su gasni laser na helijumu i neonu. Javan je kasnije dobio nagradu Albert Ajnštajn 1993. godine.

Koncept poluprovodničkog lasera predložen je od strane Basova i Javana; rad prve laserske diode je demonstriran od strane Robert Hola 1962. godine. Njegov laserski uređaj je bio konstruisan od Galijum-Arsenida i emitovao je svetlost talasne dužine 850nm u bliskom infracrvenom delu spektra. Prvi poluprovodnički laser za rad u vidljivom delu spektra bio je demonstriran iste godine od strane Nik Holonjaka, mlađeg. Kao i prvi gasni laseri ovi rani poluprovodnički laseri moglisu da rade samo u impulsnom režimu, i samo uz hlađenje na temperaturu tečnog azota od (77 K).

1970. godine, Sovjetski naučnik Ž. Alferov i istraživači Izo Hajaši i Morton Peniš iz Belove telefonske laboratorije nezavisno su demonstrirali rad prvog kontinualnog poluprovodničkog lasera na sobnoj temperaturi, zasnovanih na predlogu o laserskim diodama sa heterostukturom. Prva primena lasera dugoživećeg sa vidljivom svetlošću je bila kao bar-kod čitač u super-marketima, na patentu iz 1974. godine. Laserski čitač diskova, patentiran je 1978. godine, bio je prvi uspešan potrošački uređaj koji je u sebi imao laser, pa je on time prva naprava koja je imala laser, a da se našla u domovima korisnika za svakodnevnu upotrebu, od 1982. godine.

Primena[uredi]

Industrijska primena lasera

Laseri, zbog kvaliteta svetlosti koju proizvode danas imaju primenu u gotovo svim ljudskim delatnostima. Čvrstotelni laseri (posebno Nd:YAG) se koriste za rezanje, bušenje i varenje. Zbog kolimiranosti laserskog snopa, moguće je postići veliku preciznost prilikom obrade materijala, pa se često koriste u hiurgiji; npr. moguće je laserom obraditi kapilar u oku bez oštećenja okolnog tkiva i bilo kakve operacije na oku. Laserima se može lečiti i kratkovidost i dalekovidost, obradom očnog sočiva. Laserima se je moguće i spaliti mastilo na papiru, a ostaviti papir neoštećen.

Zbog svoje monohromatičnosti, laseri su koriste i za novu defeneciju metra. Metar je pre bio definisan preko talasne dužine spektralne linije u atomskom spektru kriptona. Pokazalo se da laseri imaju neuporedivo oštrije spektralne linije od spomenute linije kriptona, koja je odabrana jer je to najoštrija poznata spektralna linija u prirodi, a primenom lasera, pokazalo se da ta linija nije simetrična, pa je nastao problem: koji dio linije uzeti kao definiciju metra. Danas je metar redefinisan, pa imamo definiciju:

Metar je dužina putanje koju u vakuumu pređe svetlost za vreme od 1/(299 792 458) sekundi.
Laserski nivelar

Brzina svjetlosti se meri pomoću lasera: laseru se određenom metodom odredi talasna dužina i frekvencija njegovog zračenja. Njihov umnožak daje brzinu svetlosti. Laseri se upotrebljavaju za označavanje položaja na nekom udaljenom mestu, a čak i prilikom predavanja predavači pokazuju na tablu ili platno laserskim pokazivačima. Za tu svrhu se koriste poluprovodnički laseri, jer su relativno jeftini. Laserom je izmerena udaljenost od Zemlje do Meseca sa preciznošću od nekoliko milimetara! Astronauti iz jedne od misija Apollo su postavili ogledalo na površini Mjeseca. Istraživači su usmerili laser prema tom ogledalu i merili vrieme potrebno laserskom zraku da sa površine Zemlje dođe do ogledala na površini Meseca i nazad. Prilikom povratka za Zemlju, lasreski zrak je imalo dijametar od oko 2 km, što je uglavnom uzrokovano rasipanjem zraka u Zemljinoj atmosferi. Laseri se koriste za optičko skladištenje i očitavanje podataka na različitim medijumima CD, DVD, Blue Ray. Laseri se koriste i u laserskim štampačima. U tu svrhu se koriste mali poluprovodnički laseri. Laseri se koriste u spektroskopiji, kao intenzivni izvori monohromatičnog svetla. Najčešće se koriste: argonski laser u Ramanovoj spektroskopiji i laseri na bojama. He-Ne laseri se koriste u Majkelsonovim interferometrima, za precizno merenje položaja ogledala. Impulsni laseri se koriste za proučavanje super-brzih procesa. U femtosekundnoj spektroskopiji se na objekat proučavanja istovremeno pošalju dva laserska zraka iz impulsnog lasera vrlo kratkog impulsa. Jedan zrak se šalje direktno na uzorak, a drugom se poveća optički put za nekoliko centimetara koristeći se zgodno postavljenim ogledalima. Tak zrak će kasniti nekoliko femtosekundi, jer je svetlosti potrebno određeno vreme da prijeđe taj put. Prvi laserski zrak će uzrokovati reakciju u uzorku, a drugim se može posmatrati što se u tom trnutku događa u uzorku. Pomeranjem ogledala, moguće je kontrolisati kašnjenje drugog laserskog zraka i na taj način dobiti sliku o procesu unutar uzorka. Na taj način se istražuju najbrže hemijske reakcije u prirodi. Jako veliki laseri se koriste za istraživanja materije u uslovima ekstremnog pritiska i temperature. Pomoću takvih lasera moguće je provesti nuklearnu fusiju na malim količinama vodonika. Takvi laseri su najčešće čvrstotelni laseri sa jezgrom napravljenom od stakla u koji su stavljeni određeni materijali koje služe kao aktivni laserski medijum. Isto tako, laseri su našli svoje mesto i u vojnoj primeni.

Vidi još[uredi]

Reference[uredi]

  1. ^ Milesa Srećković: Kvantna elektronika: Izvori, naprave i sistemi, Beograd 1998

Spoljašnje veze[uredi]

Vikiostava
Vikimedijina ostava ima još multimedijalnih datoteka vezanih za: Laser