15 49.0138 8.38624 arrow 0 bullet 0 4000 1 0 horizontal https://zopi.ro 300 true 4000 1
theme-sticky-logo-alt
Bucurie, veselie si mult ROZ!
Cele mai importante lucruri de stiut despre lasere

Cele mai importante lucruri de stiut despre lasere

iulie 26, 2021
213 Vizualizari
Un laser este un dispozitiv care emite lumina printr-un proces de amplificare optica bazat pe emisia stimulata de radiatii electromagnetice. Cuvantul „laser” este un acronim pentru „amplificarea luminii prin emisie stimulata de radiatii”. Primul laser a fost construit in 1960 de Theodore H. Maiman la Hughes Research Laboratories, pe baza lucrarilor teoretice ale lui Charles...

Un laser este un dispozitiv care emite lumina printr-un proces de amplificare optica bazat pe emisia stimulata de radiatii electromagnetice. Cuvantul „laser” este un acronim pentru „amplificarea luminii prin emisie stimulata de radiatii”. Primul laser a fost construit in 1960 de Theodore H. Maiman la Hughes Research Laboratories, pe baza lucrarilor teoretice ale lui Charles Hard Townes si Arthur Leonard Schawlow.

Un laser difera de alte surse de lumina prin faptul ca emite lumina coerenta. Coerenta spatiala permite focalizarea unui laser intr-un punct restrans, permitand aplicatii precum taierea cu laser si litografia. Coerenta spatiala permite, de asemenea unui fascicul laser sa ramana ingust pe distante mari (colimare), permitand aplicatii precum indicatori laser si lidar.

Laserele pot avea, de asemenea, o coerenta temporala ridicata, care le permite sa emita lumina cu un spectru foarte ingust. Alternativ, coerenta temporala poate fi utilizata pentru a produce impulsuri de lumina ultra-scurte cu un spectru larg, dar cu durate la fel de scurte (femtosecunde).

Laserele sunt utilizate in unitati de disc optice, imprimante laser, scanere de coduri de bare, instrumente de secventiere a ADN-ului, fibra optica, fabricarea cipurilor semiconductoare (fotolitografie) si comunicare optica in spatiu liber, chirurgie laser si tratamente cutanate, materiale de taiere si sudare militare si civile, dispozitive pentru marcarea tintelor si masurarea intervalului si vitezei, si in afisajele de iluminare cu laser pentru divertisment.

Laserele semiconductoare au fost de asemenea folosite in locul diodelor emitatoare de lumina (LED) pentru a excita fluorescenta ca sursa de lumina alba. Acest lucru permite o zona de emisie mult mai mica datorita luminozitatii mult mai mari a unui laser si evita degradarea suferita de LED-uri; astfel de dispozitive sunt deja utilizate in unele faruri auto.

Fundamente

Telescoapele moderne folosesc tehnologii cu laser pentru a compensa efectul de estompare al atmosferei Pamantului.

Laserele se disting de alte surse de lumina prin coerenta lor. Coerenta spatiala (sau transversala) este de obicei exprimata prin iesire – aceasta fiind un fascicul ingust, care este limitat de difractie. Fasciculele laser pot fi focalizate pe locuri foarte mici, obtinand o iradiere foarte mare sau pot avea o divergenta foarte mica pentru a-si concentra puterea la o distanta mare.

Coerenta temporala (sau longitudinala) implica o unda polarizata la o singura frecventa, a carei faza este corelata pe o distanta relativ mare (lungimea coerentei) de-a lungul fasciculului. Un fascicul produs de o sursa de lumina termica sau de alta natura incoerenta are o amplitudine si o faza instantanee care variaza aleatoriu in raport cu timpul si pozitia, avand astfel o lungime de coerenta scurta.

Laserele sunt caracterizate in functie de lungimea lor de unda in vid. Majoritatea laserelor cu „o singura lungime de unda” produc de fapt radiatii in mai multe moduri cu lungimi de unda usor diferite. Desi coerenta temporala implica un anumit grad de monocromaticitate, exista lasere care emit un spectru larg de lumina sau emit diferite lungimi de unda ale luminii simultan.

Unele lasere nu sunt un mod spatial unic si au fascicule de lumina care diverg mai mult decat este necesar de limita de difractie. Toate aceste dispozitive sunt clasificate ca „lasere” pe baza metodei de producere a luminii prin emisie stimulata. Laserele sunt utilizate in cazul in care lumina coerentei spatiale sau temporale necesare nu poate fi produsa folosind tehnologii mai simple.

laser cu infrarosu

Terminologie

Primul dispozitiv care utiliza amplificarea prin emisie stimulata a functionat la frecvente de microunde si a fost numit „maser”, un acronim pentru „amplificare cu microunde prin emisie stimulata de radiatii”. Cand au fost dezvoltate dispozitive optice similare, acestea au fost cunoscute mai intai ca „masere optice”, pana cand „microunde” a fost inlocuit cu „lumina” in acronim.

Toate aceste dispozitive care functioneaza la frecvente mai mari decat microundele sunt numite lasere (inclusiv laser cu infrarosu, laser cu ultraviolete, laser cu raze X si laser cu raze gamma). Toate dispozitivele care functioneaza in microunde sau la frecvente radio mai mici se numesc masere.

Un laser care produce lumina de la sine este mai degraba un oscilator optic decat un amplificator optic, asa cum sugereaza acronimul. S-a observat cu umor ca acronimul LOSER, pentru „oscilatia luminii prin emisie stimulata de radiatii”, ar fi fost mai corect. Odata cu utilizarea pe scara larga a acronimului original ca substantiv comun, amplificatoarele optice au ajuns sa fie denumite „amplificatoare laser”.

Verbul lase este utilizat frecvent, adica „a emite lumina coerenta”, in special cu referire la mediul de gain (castig) al unui laser; atunci cand functioneaza un laser, se spune ca „laseaza”. Cuvintele laser si maser sunt, de asemenea, utilizate in cazurile in care exista o stare coerenta neconectata cu orice dispozitiv fabricat, ca in maserul astrofizic si laserul atomic.

Proiectare

Un laser consta dintr-un mediu de gain, un mecanism pentru a-l energiza si ceva care sa ofere feedback optic. Mediul de castig este un material cu proprietati care ii permit sa amplifice lumina prin emisie stimulata. Lumina cu o lungime de unda specifica care trece prin mediul de castig, este amplificata (creste puterea). Feedback-ul permite emisiei stimulate sa amplifice predominant frecventa optica la varful curbei castig-frecventa.

Pe masura ce emisia stimulata creste, in cele din urma o frecventa domina asupra tuturor celorlalte, ceea ce inseamna ca s-a format un fascicul coerent. Procesul de emisie stimulata este analog cu cel al unui oscilator audio cu feedback pozitiv care poate aparea, de exemplu, atunci cand difuzorul dintr-un sistem de adresare publica este plasat in apropierea microfonului. Sunetul pe care il auzi este oscilatia audio la varful curbei castig-frecventa pentru amplificator.

Functionare continua a undelor

Unele aplicatii ale laserelor depind de un fascicul a carui putere de iesire este constanta in timp. Un astfel de laser este cunoscut sub numele de unda continua (CW). Multe tipuri de lasere pot fi facute sa functioneze in modul de unda continua pentru a satisface o astfel de aplicatie.

Multe dintre aceste lasere functioneaza in mai multe moduri longitudinale in acelasi timp, iar bataile intre frecventele optice usor diferite ale acestor oscilatii vor produce de fapt variatii de amplitudine pe scale de timp mai scurte decat timpul dus-intors (reciprocitatea frecventei) fenomen numit si spatiere intre moduri, de obicei pe un interval de cateva nanosecunde sau mai putin.

In majoritatea cazurilor, aceste lasere sunt inca denumite „unda continua”, deoarece puterea lor de iesire este constanta atunci cand este mediata pe perioade mai lungi de timp, variatiile puterii de inalta frecventa avand un impact redus sau inexistent in aplicatia dorita. (Cu toate acestea, termenul nu se aplica la laserele blocate in mod, unde intentia este de a crea impulsuri foarte scurte cu viteza timpului dus-intors.)

Pentru functionarea continua a undelor, este necesar ca inversarea mediului de castig sa fie alimentata continuu de o sursa de pompare constanta. In unele medii cu laser, acest lucru este imposibil. In alte lasere, ar fi necesara pomparea laserului la un nivel de putere continuu foarte ridicat, ceea ce ar fi impracticabil sau ar distruge laserul, prin producerea de caldura excesiva. Astfel de lasere nu pot fi rulate in modul CW.

Functionarea pulsata a laserelor

Operatie pulsata

Functionarea pulsata a laserelor se refera la orice laser care nu este clasificat ca unda continua, astfel incat puterea optica apare in impulsuri de o anumita durata, la o anumita rata de repetare. Aceasta cuprinde o gama larga de tehnologii care abordeaza o serie de motivatii diferite. Unele lasere sunt pulsate pur si simplu pentru ca nu pot fi rulate in modul continuu.

In alte cazuri, aplicatia necesita producerea de impulsuri cu o energie cat mai mare posibila. Deoarece energia pulsului este egala cu puterea medie impartita la rata de repetare, acest obiectiv poate fi indeplinit uneori prin scaderea ratei impulsurilor, astfel incat sa se poata acumula mai multa energie intre impulsuri.

In ablatia cu laser, de exemplu, un volum mic de material la suprafata unei piese de lucru poate fi evaporat daca este incalzit intr-un timp foarte scurt, in timp ce furnizarea treptata a energiei ar permite absorbtia caldurii in cea mai mare parte a piesei, neatingand niciodata o temperatura suficient de ridicata intr-un anumit punct.

Alte aplicatii se bazeaza pe puterea impulsului de varf (mai degraba decat energia din puls), in special pentru a obtine efecte optice neliniare. Pentru o anumita energie de impuls, aceasta necesita crearea de impulsuri de cea mai scurta durata posibila utilizand tehnici precum comutarea Q.

Latimea de banda optica a unui impuls nu poate fi mai ingusta decat reciprocitatea latimii impulsului. In cazul impulsurilor extrem de scurte, aceasta implica lasarea pe o latime de banda considerabila, contrar latimilor de banda foarte inguste tipice pentru laserele CW.

Pentru ca mediul de castig sa amplifice lumina, acesta trebuie alimentat cu energie intr-un proces numit pompare. Energia este de obicei furnizata ca un curent electric sau ca lumina la o lungime de unda diferita. Lumina pompei poate fi furnizata de o lampa flash sau de un alt laser.

Cel mai comun tip de laser foloseste feedback-ul de la o cavitate optica – o pereche de oglinzi la fiecare capat al mediului de castig. Lumina ricoseaza inainte si inapoi intre oglinzi, trecand prin mediul de castig si fiind amplificata de fiecare data. De obicei, una dintre cele doua oglinzi – cuplajul de iesire, este partial transparent. O parte din lumina scapa prin aceasta oglinda. In functie de designul cavitatii (indiferent daca oglinzile sunt plate sau curbate), lumina care iese din laser se poate raspandi sau poate forma un fascicul ingust. In analogie cu oscilatoarele electronice, acest dispozitiv este uneori numit oscilator laser.

Cele mai multe lasere practice contin elemente suplimentare care afecteaza proprietatile luminii emise, cum ar fi polarizarea, lungimea de unda si forma fasciculului.

Inovatii recente

De la inceputul perioadei de istorie a laserului, cercetarea laser a produs o varietate de tipuri de laser imbunatatite si specializate, optimizate pentru diferite obiective de performanta, inclusiv:

  • noi benzi de lungime de unda
  • putere medie maxima de iesire
  • energia maxima a impulsului de varf
  • puterea maxima a impulsului de varf
  • durata minima a impulsului de iesire
  • eficienta maxima a energiei
  • cost minim

In 2015, cercetatorii au realizat un laser alb, a carui lumina este modulata de o nanofolie sintetica din zinc, cadmiu, sulf si seleniu care poate emite lumina rosie, verde si albastra in proportii variate, fiecare lungime de unda acoperind 191 nm.

In 2017, cercetatorii de la TU Delft au demonstrat un laser cu microunde cu jonctiune AC Josephson. Deoarece laserul functioneaza in regim supraconductor, este mai stabil decat alte lasere bazate pe semiconductori. Dispozitivul are potential pentru aplicatii in calculul cuantic.