Ta strona używa plików cookies.
Polityka Prywatności    Jak wyłączyć cookies? AKCEPTUJĘ

Historia lasera

Od podstaw teoretycznych do powstania lasera

Wiązka światła laserowego zabłysła po raz pierwszy w roku 1960, ale pierwsze kroki na drodze do stworzenia lasera poczyniono dużo wcześniej. Wszystko zaczęło się w roku 1917, kiedy słynny uczony Albert Einstein stwierdził, że jest możliwe pobudzanie najmniejszych cząsteczek materii - atomów, do emisji światła. Okazało się to wtedy bardzo trudne do sprawdzenia. Musiało minąć wiele lat, zanim udało się tego dokonać. Przełom nadszedł, gdy trzech amerykańskich naukowców, Charles Townes, James Gordon i Herbert Zeiger, odkryło sposób pobudzania atomów do emisji nie światła, ale mikrofal. W roku 1954 skonstruowali pierwszy maser (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation - wzmacnianie mikrofal przez wymuszoną emisję promieniowania) - urządzenie emitujące silną, dającą się sterować wiązkę mikrofal. Osiągniecie to zachęciło wielu naukowców do prób budowy laserów, czyli maserów emitujących światło zamiast mikrofal. Pierwszym, któremu się to udało, był amerykański naukowiec Theodore Maiman. 15 maja 1960 roku pobudził do emisji pierwszej wiązki światła laserowego pręt z rubinu, umieszczony wewnątrz potężnej lampy błyskowej. Wraz z tym jaskrawym impulsem głęboko czerwonej barwy rozpoczęła się era laserów.

Krótką ale jakże treściwą historię lasera przedstawia wikipedia:

  • Często podaje się datę 1954 skonstruowania masera, pierwszego wzmacniacza kwantowego,
  • W 1957 Gordon Gould ogłosił pomysł (jak też i nazwę) lasera, równolegle z niezależnymi pracami nad maserami optycznymi (Arthur Leonard Schawlow, Charles Townes),
  • Pierwszy laser (rubinowy) zbudował i uruchomił 16 maja 1960 roku Theodore Maiman, ośrodkiem czynnym był kryształ korundu domieszkowany chromem - rubin,
  • Pierwszy laser gazowy helowo-neonowy zbudowano w 1961,
  • W roku następnym Snitzer uruchomił laser na bazie szkła neodymowego, a w roku 1964 Gaisik i Karkos skonstruowali laser na bazie granatu itrowo-glinowego domieszkowanego neodymem. Wtedy też irański fizyk, Ali Javan, zbudował pierwszy laser helowo-neonowy,
  • Nagroda Nobla z fizyki - 1964 - N. G. Basow i A. M. Prochorow (ZSRR) oraz C. H. Townes (USA) za prace będące podstawą działania laserów i maserów,
  • W tym samym roku zbudowany został pierwszy laser półprzewodnikowy z pompowaniem diodowym,
  • W latach 1967-69 Bagdasarow i Kamiński zbudowali laser na bazie kryształu perowskitu itrowo-glinowego domieszkowanego neodymem, a Homer, Linz i Gabbe wykorzystali fluorek litowo-itrowy (YLF),
  • Kilka lat później (w 1979 roku) skonstruowano laser z przestrajaniem częstotliwości na krysztale aleksandrytu, a w roku 1982 Moulton zaprezentował laser, w którym ciałem roboczym był szafir domieszkowany jonami tytanu (w żargonie nazywany skrótowcem tikor od ti – tytan) i kor – korund,
  • Pierwszy polski laser powstał w Wojskowej Akademii Technicznej w 1963 (laser gazowy He-Ne, generujący promieniowanie podczerwone o długości fali 1,15 µm). Uruchomiono go po raz pierwszy 20 sierpnia 1963 roku.

LASER – zasada działania

Nazwa LASER jest akronimem od (ang.) Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation: wzmocnienie światła poprzez wymuszoną emisję promieniowania. Promieniowanie jest w zakresie światła widzialnego, poczerwieni lub ultrafioletu. Promieniowanie lasera jest spójne, zazwyczaj spolaryzowane i ma postać wiązki o bardzo małej rozbieżności.

Najprościej zasadę działania lasera można wytłumaczyć, iż jest on urządzeniem które wymusza emisje promieniowania z materiału zwanego ośrodkiem czynnym. Wymuszanie promieniowania z ośrodka czynnego odbywa się dzięki dostarczaniu energii za które odpowiedzialny jest tzw. układ pompujący. Dostarczanie energii do ośrodka czynnego powoduje powielanie fotonów, które zachodzi dzięki zjawisku absorbcji a następnie emisji spontanicznej. Ważną rolę odgrywa kolejny układ optyczny zwany rezonatorem optycznym, który odpowiada za uporządkowaną emisję promieniowania laserowego.

Zgodnie z powyższym wynika, że każdy laser posiada:

  • ośrodek czynny,
  • układ pompujący,
  • rezonator optyczny.
Powstawanie akcji laserowej

Ośrodek czynny

Oddziaływanie promieniowania z materią można wyjaśnić za pomocą trzech zjawisk: pochłaniania fotonów (absorpcji), emisji spontanicznej oraz emisji wymuszonej fotonu. Foton wyemitowany w wyniku emisji wymuszonej ma taką samą częstotliwość i polaryzację jak foton wywołujący emisję. Przykładowy foton wzbudzający musi mieć energię równą energii wzbudzenia atomu ośrodka. Atomy w stanie podstawowym pochłaniają takie fotony. Gdy w ośrodku jest więcej atomów w stanie wzbudzonym niż w stanie podstawowym zachodzi inwersja obsadzeń poziomów energetycznych. Stan wzbudzony jest stanem metastabilnym co zapewnia magazynowanie energii do czasu wyemitowania jako wiązki laserowej i jest warunkiem funkcjonowania urządzenia.

Atomy niektórych pierwiastków mają poziomy energetyczne, na których elektron pozostaje znacznie dłużej (kilkaset µs, kilka ms). Wskutek pobudzania zewnętrznym polem elektrycznym elektrony w atomach przechodzą do stanu metatrwałego, wytwarzając inwersję obsadzeń, która zapewnia lawinową emisję promieniowania koherentnego, czyli o tej samej długości fali.

Układ pompujący

Zadaniem układu jest przeniesienie jak największej liczby elektronów w substancji czynnej do stanu wzbudzonego. Układ musi być wydajny by zapewnić inwersję obsadzeń. Pompowanie lasera odbywa się poprzez błysk lampy błyskowej (flesza), błysk innego lasera, przepływ prądu (wyładowanie) w gazie, reakcję chemiczną, zderzenia atomów, wstrzelenie wiązki elektronów do substancji.

Rezonator optyczny

Wzbudzony ośrodek czynny stanowi wprawdzie potencjalne źródło światła laserowego, jednak do powstania uporządkowanej akcji laserowej potrzebny jest jeszcze odpowiedni układ optyczny, zwany rezonatorem. Układ ten pełni rolę dodatniego sprzężenia zwrotnego dla światła o wybranym kierunku i określonej długości fali. Spośród wszystkich możliwych kierunków świecenia i wszystkich dostępnych dla ośrodka długości fal, jedynie światło o parametrach ustalonych przez rezonator będzie wzmacniane na tyle mocno, by doprowadzić do akcji laserowej.

Sprzężenie zwrotne polega na możliwości wielokrotnego przepływu fotonów przez ośrodek, połączonego z ich kaskadowym powielaniem wskutek emisji wymuszonej, dzięki czemu laser generuje spójne światło. Układ optyczny rezonatora składa się zazwyczaj z dwóch dokładnie wykonanych i odpowiednio ustawionych zwierciadeł. Dla określonego kierunku możliwe jest wielokrotne odbicie pomiędzy zwierciadłami, i tylko fotony o takim kierunku, mogą wielokrotnie przebiegać przez ośrodek czynny, powodując akcję laserową. Jeśli rezonator ma postać dwóch równoległych zwierciadeł płaskich, to emitowane światło może leżeć w dość szerokim przedziale częstotliwości, zależnym od charakterystyki ośrodka. Aby dodatkowo określić tę częstotliwość z dużą precyzją, stosuje się dodatkowe elementy układu optycznego, ograniczające możliwość wielokrotnego odbicia fal o długościach innych, niż zadana. Mogą to być na przykład siatki dyfrakcyjne pełniące rolę selektywnego zwierciadła tylko dla określonej długości fali, a także dodatkowe lustra tworzące filtry interferencyjne (interferometry). W zależności od szczegółów technicznych budowy rezonatora, możliwe jest uzyskanie światła laserowego o bardzo różnych własnościach, takich jak kątowa rozbieżność wiązki, określony stopień jej spójności przestrzennej i czasowej, określony profil spektralny linii, czy wreszcie określony rozkład gęstości mocy w poprzecznym przekroju wiązki (tzw. mody poprzeczne).

Aby emitowane światło laserowe mogło wydostać się poza rezonator (na zewnątrz lasera), przynajmniej jedno z luster powinno być częściowo przepuszczalne. W laserach impulsowych stosuje się często modulację czasową przepuszczalności luster, dzięki czemu cała energia wiązki zostaje uwolniona w chwili "otwarcia" lustra.

Rodzaje laserów

Klasyfikacje laserów można dokonywać według wielu kryteriów.

Tak więc ze względu na rodzaj pracy:

  • ciągłe, emitujące promieniowanie o stałym natężeniu,
  • impulsowe, emitujące impulsy światła.

ze względu na widma promieniowania:

  • Lasery w podczerwieni,
  • Lasery w części widzialnej,
  • Lasery w nadfiolecie.

w zależności od ośrodka czynnego:

  • lasery gazowe,
  • lasery na ciele stałym,
  • lasery na cieczy,
  • lasery półprzewodnikowe,
  • laser na wolnych elektronach.

Zastosowanie laserów

Lasery szybko znalazły praktyczne zastosowanie w wielu dziedzinach, a dzięki rozwojowi technologii CNC czyli komputerowego sterowania procesów produkcyjnych wręcz zrewolucjonizowały niektóre procesy wytwórcze. Szczególne miejsce lasery znalazły w następujących dziedzinach:

  • przemysł,
  • medycyna,
  • technologii wojskowa,
  • telekomunikacja.

Zastosowanie laserów w przemyśle

Przemysł bardzo wdzięcznie docenił osiągnięcia techniki laserowej a zastosowanie technologii CNC (pol. komputerowe sterowanie urządzeń numerycznych) otworzyły drogę do budowy nowych maszyn i urządzeń, które zrewolucjonizowały proces wytwarzania. Wymieniając branże które szczególnie wykorzystały laser należy wymienić:

poligrafię:

  • Computer-to-Film CtF czyli w naświetlarkach filmów poligraficznych,
  • Computer-to-Plate CtP w naświetlarkach offsetowych form drukowych,
  • Computer-to-Press CtPress czyli w naświetlarkach zintegrowanych z maszyną drukarską,
  • Computer-to-Print CtPrint czyli w jednym z typów druku cyfrowego, tj. w technologii analogicznej do używanych w cyfrowych kserokopiarkach.

znakowanie produktów

Używa się ich przy liniach produkcyjnych posiadających bardzo wysokiej wydajności oraz gdy chcemy uzyskać trwały i estetyczny nadruk. Podstawowym założeniem stosowania lasera do znakowania jest jego trwałość oraz nieusuwalność znaku. Aby zniszczyć np. datę przydatności do produkcji na towarze spożywczym wykonaną laserem, należałoby zniszczyć także opakowanie lub usunąć etykietę.

cięcie materiałów w tym metali

Cięcie różnych materiałów takich jak laminat, pleksi, sklejka oraz metale stanowi nowoczesną metodę obróbki, która cechuje się łatwą do osiągnięcia powtarzalnością dowolnego kształtu.

grawerowanie laserowe

Wiązką lasera można także grawerować metale, drewno, pleksi, laminaty co znalazło szerokie zastosowanie przy produkcji tabliczek znamionowych oraz rozmaitych rodzajów oznaczeń.

drążenie laserowe

Za pomocą lasera można drążyć bardzo małe otwory w bardzo twardych materiałach np. w diamencie, a także w bardzo kruchych np. w ceramice. Otwory są wykonywane z dużą prędkością i mają powtarzalny kształt. Wiązka laserowa topi metal, tworzy się jeziorko płynnego metalu, a strumień gazu częściowo spala i usuwa stopiony metal z obszaru oddziaływania wiązki laserowej.

laserowe spawanie

Spawanie laserowe polega na łączeniu detali przez stopienie obszarów ich styku przy pomocy skoncentrowanej wiązki lasera. Duża gęstość mocy wiązki laserowej gwarantuje, że energia spawania jest na poziomie minimalnym potrzebnym do stopienia złącza. Strefy wpływu ciepła i stopienia są bardzo wąskie. Odkształcenie materiału jest bardzo małe, a po procesie spawania nie trzeba wykonywać dodatkowej obróbki mechanicznej.

Zastosowanie laserów w technologii wojskowej

Laser ma bardzo szerokie zastosowanie w technologii wojskowej a niektóre rozwiązania można następnie wykorzystać w technologii cywilnej. Wymieniając przykładowe zastosowania laserów należy wymienić:

dalmierze laserowe

Dalmierze laserowe, stosowane do oceny odległości od celu, wchodzą w skład systemów kierowania ogniem lub systemów rozpoznawczych czołgów i niektórych innych pojazdów bojowych, samolotów i śmigłowców, mogą być także przenośne.

systemy naprowadzające

W systemach naprowadzających cel jest oświetlany wiązką laserową, promieniowanie odbite jest emitowane praktycznie we wszystkich kierunkach (z uwagi na rozpraszanie wiązki na powierzchni). Pocisk rakietowy, artyleryjski lub bomba kierowana, wyposażony w czujnik laserowy, określa źródło odbitej wiązki, i za pomocą układów elektronicznych naprowadza się na podświetlony cel.

broń laserowa

Systemy laserowe są zdolne do uwalniania skoncentrowanej energii w postaci wiązki świetlnej w bardzo krótkim przedziale czasu. Powoduje to, iż cała energia jest wyzwalana w bardzo krótkim czasie, co przy prędkości światła powoduje, iż praktycznie jest niemożliwe uniknięcie trafienia z takiej broni. Laser jako broń energetyczna jest najmniej rozpowszechniony - dopiero wprowadzany jedynie w USA na platformach powietrznych (Airborne Laser), aczkolwiek jest jednym z ulubionych tematów twórczości science-fiction.

mierniki

Mierniki laserowe wykorzystuje się głównie w lotnictwie, są to pomiary:

  • wysokości (altimetry),
  • składowych szybkości gazu (aneometry),
  • przyspieszenia,
  • szybkości lotu.

Zastosowanie laserów w medycynie

Medycyna dość szybko zainteresowała się wykorzystaniem laserów do celów leczniczych. Funkcjonalny laser rubinowy w zakresie medycyny stosowany był już w drugiej połowie lat 60. Pierwszym dermatologiem, który badał działanie lasera w medycynie był Leo Goldman.

Obecnie obszar zastosowań laserów to:

  • diagnostyka (lasery diagnostyczne),
  • terapia schorzeń (lasery stymulacyjne i chirurgiczne),
  • oświetlanie pola operacji.

W zakresie terapii schorzeń wykorzystuje się go w następujące sposoby:

  • cięcia,
  • koagulacji,
  • odparowania (fotoablacji oraz ablacji stymulowanej plazmą),
  • obróbki mechanicznej (rozrywania, fragmentacji czy kawitacji).

Lasery w okulistyce wykorzystywane są m.in. do przyklejenia siatkówki do dna oka, która może się odkleić na skutek uderzenia w tył głowy. Obie tkanki są punktowo łączone za pomocą koagulacji. Wiązkę lasera nakierowuje się na miejsce, gdzie ma być wytworzony punkt koagulacji. Impuls świetlny skleja w tym miejscu odwarstwioną siatkówkę. Koagulator laserowy stosuje się także do leczenia zmian naczyniowych i krwotoków do wnętrza gałki ocznej. Laser stosuje się także do przecinania cyst powiek i spojówek, naczyń wrastających w spojówkę, zrostów tęczówkowo – rogówkowych. Stosuje się go przy korekcji wad refrakcji (krótkowzroczność, dalekowzroczność, astygmatyzm) oraz zabiegów przeciwjaskrowych i przeciwzaćmowych.

W dermatologii laserów używa się do usuwania niektórych nowotworów i naczyniaków powstałych np. po odmrożeniach. W leczeniu nowotworów wykorzystuje się lasery o dużej gęstości mocy i małych rozmiarach wiązki laserowej. Wiązką można zniszczyć chore komórki nie naruszając zdrowych. Skalpel laserowy pomocny jest przy leczeniu oparzeń. Przy jego pomocy można zdejmować naskórek lub warstwę spalonej skóry i odsłonić zdrową aby mogła się zagoić. Laser pomocny jest też przy usuwaniu tatuaży i włosów, rozjaśnianiu skóry, przywracaniu jej gładkości i sprężystości

Zastosowanie lasera w telekomunikacji

Laser doskonale wpisał się w erę rewolucji cyfrowej. Dzięki wykorzystaniu lasera możliwe jest m.in. zapisywanie danych na płytach DVD, przesyłanie danych światłowodami. Technologia laserowa pchnęła telekomunikację na nowe tory, prze co przepływ informacji w dzisiejszym świecie nabrał nowego wymiaru. Technologię laserową wykorzystuje się w telekomunikacji głównie w 2 obszarach:

  • pracy nadajników laserowych do transmisji światłowodowej,
  • odczycie i zapisie informacji na płytach kompaktowych.