Ласер

Ласер (англиски: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation или засилување на светлината со стимулирана емисија на зрачење) е оптички извор кој емитира фотони во истофрекфентен зрак. Просторната истоветност овозможува ласерот да се насочи во мал сноп при што се „ создава истофрекфентна светлина“ со која пак може да се сече и гравира. Ласерската светлина е скоро еднобојна, т.е. се состои од единечна бранова должина односно боја емитирана во тесен сноп. Ова е спротивно на вообичаените извори на светлина, како обичната светилка која емитира неистофрекфентни фотони во скоро сите правци, и вообичаено во широк спектар на бранови должини.

Ласер

Ласерите варираат во големина од микроскопски диодни ласери (горе) со разни примени, сè до неодиумски стаклени ласери со големина на фудбалско игралиште (долу) кои се користат за инерцијално соединување, истражувања за јадрени оружја и други висико енергетски експерименти поврзани со густина.

Историја

Во 1916, Алберт Ајнштајн ги постави темелите за пронаоѓањето на ласерот и неговиот претходник, масерот, со револуционерно математичко изведување на Планковиот закон за зрачење заснован на концептите на спонтана и поттикната емисија. Теоријата остана заборавена сè до Втората светска војна.

Во 1953, Чарлс Таунс и неговите студенти Џејмс Гордон и Херберт Цајгер го создадоа првиот масер, направа која функционираше на сличен начин како и ласерот, но создаваше микробраново наместо оптичко зрачење. Таунсовиот масер не беше способен за непрекинато зрачење, односно беше непостојан. Николај Басов и Александар Прохоров од СССР работеа независно на квантниот осцилатор и го решија проблемот на системите со непрекината емисија со користење на повеќе од две енергетски нивоа. Овие системи можеа да ослободуваат непрекината поттикната емисија без да паднат до основното ниво, така зачувувајќи ја инверзната населеност - бројот на поттикнати фотони е поголем во возбудена состојба . Таунс, Басов и Прохоров ја поделија Нобеловата награда за физика во 1964 за „фундаментална работа на полето на квантната електроника, која доведе до создавањето на осцилатори и засилувачи засновани на принципот ласер-масер“. Во 1957 Чарлс Таунс и Артур Леонард Шаулоу, кој работеше во Бел лабораториите, започнаа сериозно испитување на инфра-црвениот масер. Како што се развиваа идеите, инфра-црвените честоти беа напуштени, и наместо нив се фокусираа на видливата светлина. Концептот беше изворно наречен „оптички масер“. Бел лабораториите поднесоа пријава за патент за нивниот предложен оптички масер подоцна таа година.

Истовремено, Гордон Гулд, апсолвент на универзитетот Колумбија, работеше на докторатска теза на енергетските нивоа на возбуден талиум. Гулд и Таунс се сретнаа разговараа на општата тема на емисијата на зрачење. Во 1958 Прохоров предложи отворен резонатор кој стана важен дел од идните ласери. Првото претставување на поимот „ласер“ на јавноста беше во извештајот на Гулд од 1959 насловен "The LASER, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation". Гулд имаше намера зборот „асер“ да претставува наставка, која ќе се користи со соодветна претставка за спектарот на светлина оддаден од направата (на пример: ласер со икс зраци = „иксасер“; ласер со ултравиолетови зраци = „увасер“). Никои од другите поими не станаа популарни, иако „расер“ се користи понекогаш за направи кои емитираат радио честоти.

Гулдовите белешки вклучуваа можни примени за ласер, како на пример спектрометрија, интерферометрија, радар и јадрено соединување. Тој продолжи да работи на неговата идеја и пополни пријава за патент во април 1959. Американската канцеларија за патенти ја одби и ја додели на Бел лабораториите во 1960. Ова разгоре легална битка која што траеше три декади, со научен престиж и многу пари во игра. Гулд го доби неговиот прв и помал патент во 1977, но не беше сè до 1987 додека тој не ја доби неговата прва позначајна победа за патент кога судот одлучи тој да добие патент за оптички засилуваните ласери и ласерите со гасно празнење.

Првиот фунцкионален ласер беше создаден од Теодор Мајман во 1960 во истражувачките лаборатории Хјуз, во Малибу, Калифорнија, САД, успевајќи во тоа повеќе истражувачки тимови како оној на Таунс во универзитетот Колумбија, и на Шаулоу во Бел лаборатории. Мајман користеше синтетички рубински кристал засилуван од флеш-ламба во цврста состојба за произведување на црвена ласерска светлина со 694 нанометри бранова должина. Но Мајмановиот ласер беше способен само за пулсирачко дејство поради неговите три транзиции на енергетски нивоа. Подоцна во истата година иранскиот физичар Али Џаван, заедно со Вилијам Бенет и Доналд Хериот го направи првиот гасен ласер користејќи хелиум и неон. Џаван подоцна ја доби наградата на Алберт Ајнштајн во 1993.

Концептот на полупроводничка ласерска диода беше предложен од Басов и Џаван; и првите ласерски диоди беа демонстрирани од страна на Роберт Хол во 1962. Неговата направа беше составена од галиум арсенид и создаваше емисија на 850 нанометри бранова должина, близу до инфрацрвениот регион на спектарот. Првиот полупроводнички ласер со видлива емисија беше демонстриран истата година подоцна од Ник Холонијак Џуниор. Како и кај првите гасни ласери, овие рани полупроводнички ласери можеа да се користат само со пулсирачки операции, и само кога беа ладени до температура на течен азот (77 К).

Во 1970, Жорес Алферов од СССР и Изуо Хајаши и Мортон Пениш од Бел телефонски лаборатории независно создадоа ласерски диоди со непрекината емисија на собна температура, користејќи ја структурата на хетеро премин. Првата примена на ласерите видлива во секојдневните животи на обичните луѓе беше бар код читачот во супермаркетите, првпат претставен во 1974. Читачот на ласерски дискови, претставен во 1978, беше првиот успешен потрошувачки производ кој содржи ласер, но читачот на компакт дискови е првата направа опремена со ласер која стана навистина секојдневие во потрошувачките домови, уште од 1982.

Физика

Главни делови: 1. Работна (активна) средина
2. Енергија за пумпање на атомите
3. Огледало
4. Полупропустливо огледало
5. Ласерски сноп

Сферна аберација со ласери.

Ласерот се состои од работна (активна) околина, или медиум за засилување, и резонантна (оптичка) шуплина. Медиумот за засилување принесува надворешна енергија кон ласерскиот сноп. Тој е материјал со определена чистота, големина и форма, којшто го засилува зракот преку квантно-механичкиот процес на поттикната емисија откриен од Алберт Ајнштајн за време на истражувањето на фотоелектричниот ефект.

Медиумот за засилување е енергизиран, или пумпан од надворешен извор на енергија. Примери за извори на енергија на пумпање се електрицитет и светлина, на пример флеш ламба од друг ласер. Енергијата на пумпање е впиена од медиумот создавајќи возбудени состојби. Кога бројот на честички во една возбудена состојба го надмине боројот на честички во некоја пониска состојба се постигнува инверзна населеност. Во оваа состојба, оптички сноп кој минува низ медиумот создава повеќе поттикната емисија отколку поттикната апсорпција, па така снопот се засилува. Возбуден ласерски медиум може да се користи и како оптички засилувач.

Светлината создадена со стимулирана емисија е многу слична на влезниот сигнал во смисла на бранова должина, фаза и поларизација. Ова ѝ ја дава на ласерската светлина нејзината карактеристична истофрекфентност, и ѝ дозволува да ја зачува поларизацијата и монохроматноста воспоставена од дизајнот на оптичката шуплина.

Оптичката шуплина, пример на тип на шуплив резонатор, содржи истофрекфентен сноп на светлина помеѓу рефлективни површини така што секој еден фотон минува низ медиумот на засилување повеќепати пред да биде емитиран од излезната апертура или изгубен поради дифракција или апсорпција. Светлината циркулира низ шуплината минувајќи низ медиумот на засилување, при што доколку засилувањето во медиумот е посилно отколку загубите на резонаторот моќноста на циркулирачката светлина може да се зголеми експоненцијално. Но, секој настан на поттикната емисија враќа честичка од нејзината возбудена состојба до основната состојба, намалувајќи го капацитетот на медиумот на засилување за понатамошно засилување. Кога овој ефект станува силен се вели дека ефектот на засилување е заситен (настанува заситување). Балансот на моќ на пумпање наспроти заситувањето и загубите на шуплината прозиведува една вредност во истоветност на интрашуплиновата ласерска моќ која што ја определува точката на оперирање на ласерот. Доколку избраната моќ на пумпање е многу мала, засилувањето не е доволно да ги надмине загубите на резонаторот и ласерот ќе емитува само многу мали светлински моќи.

Минималната моќ на пумпање потребна за започнување на дејство на ласерот се вика ласерски праг. За забелешка е тоа што медиумот за засилување ќе ги засили сите фотони кои минуваат низ него, без разлика на правец, но само оние коишто се подредени во иста насока со шуплината ќе успеат да направат повеќе премини низ медиумот и да имаат значајно засилување. Излезот на еден ласер може да биде континуиран (непрекинат), со константна амплитуда, или пак пулсирачки (користејќи разни техники). Со пулсирачко дејство може да се постигнат многу повисоки максимални моќи.

Некои типови на ласери, како обоените ласери и вибронските ласери во цврста состојба може да создадат светлина преку широк домет на бранови должини; ова својство ги прави соодветни за генерацијата на екстремно кратки пулсови на светлина, од редот на фемтосекунда (10-15).

Иако ласерскиот феномен беше откриен со помош на квантната физика, во суштина не е ништо повеќе квантно механичен во однос на другите извори на светлина. Всушност, функционирањето на слободен електронски ласер може да се објасне без осврнување на квантната механика.

Треба да се знае дека зборот светлина во акронимот „засилување на светлината со стимулирана емисија на зрачење“ вообичаено се користи во експанзивна смисла, како фотони на било која енергија, т.е. не е ограничен само на фотоните во видливиот спектар. Така, постојат ласери на икс зраци, инфрацрвени зраци, ултравиолетови зраци, и така натаму. Поради тоа што микробрановиот еквивалент на ласерот - масерот беше создаден попрво, направите кои емитираат микробранови и радио честоти обично се нарекуваат масери. Во раната литература, особено од истражувачите во Бел телефонските лаборатории, ласерот често беше именуван како оптички масер. Оваа употреба оттогаш стана невообичаена, и од 1998 дури и Бел лабораториите го користат поимот ласер.

Скорешни пронајдоци

HeNe ласерска демонстрација во Кастлер Бросел лабораторијата во универзитетот во Париз. Светлечкиот зрак во средината е електрично празнење кое создава светлина прилично на истиот начин како и неонска светилка; иако е медиумот на засилување оној низ кој минува ласерот, она што е видливо внатре не е самиот ласерскиот сноп. Ласерскиот сноп минува низ воздухот и означува црвена точка на екранот десно.

Од раниот период на историјата на ласерите, истражувањето за ласерите прозиведе разновидни подобрени и специјализирани типови на ласери оптимизирани за разни цели на делување вклучувајќи:

• Нови бранови должини на фунцкионирање
• Максимум во просечната излезна моќ
• Максимум во максималната излезна моќ
• Минимум во траењето на излезниот пулс
• Максимум во потрошувачката на енергија

Создавањето на ласер без да се создаде инверзна населеност во медиумот беше откриено во 1992 во натриумски гас и повторно во 1995 во рубидиум гас од страна на разни меѓународни тимови. Ова беше постигнато со користење на надворешен масер кој индуцира „оптичка проѕирност“ во медиумот преку деструктивно попречување на транзициите на електроните на основно ниво помеѓу две патеки, така што можноста за основните електрони да апсорбираат каква било енергија е отстранета.

Во 1985 во лабораторијата за ласерска енергетика на универзитетот во Рочестер се случи откритие на полето на создавање на ултра кратки пулсови. Високоинтензитетни (тераватни) ласерски пулсови беа создадени од страна на Жерард Муру користејќи нова техника. Овие високоинтензитетни пулсови можат да создадат филаментна пропагација во атмосферата, односно да не се прекршуваат.

Категории

По тип

Гасни ласери

HeNe ласерот (хелиумско-неонски) емитува 543 нанометри и 633 нанометри и е многу распространет во образованието поради неговата мала цена. Јаглерод диоксидните ласери емитуваат до 100 kW на 9,6 микрометри и 10,6 микрометри, и се користат во индустријата за сечење и заварување. Аргон јонските ласери емитурваат 458 нанометри, 488 нанометри или 514,5 нанометри. Јаглерод моноксидните ласери мораат да бидат ладени, но можат да постигнат до 500 kW. Постојат и онакви кои создаваат ултра виолетова светлина на мали должини.

Хемиски ласери

Хемиските ласери се движени од хемиска реакција и можат да достигнат високи енергии во непрекинато дејство. На пример, во водородниот флуориден ласер (2700-2900 нанометри) и деутериумскиот флуориден ласер (3800 nm) реакцијата е комбинација од водороден и деутериумски гас со производи на согорувањето на етилен во азот трифлуорид.

Ласери на возбудени димери

Ласерите на возбудени димери создаваат ултра виолетова светлина и се користат при прозиводството на полупроводници и при операциите на очи. Најчесто користени молекули на возбудени димери се F2 (157 нанометри), ArF (193 нанометри), KrCl (222 нанометри), KrF (248 нанометри), XeCl (308 нанометри) и XeF (351 нанометри).

Ласери во цврста состојба

Ласерите во цврста состојба обично се користат со допинг на кристалинен тврд домаќин со јони кои ги овозможуваат потребните енергетски состојби. На пример, првиот функционален ласер беше направен од рубин, односно сафир допингуван со хром. Друг распространет тип на ласери е итриум алуминиум силикат допингуван со неодиум. Ваквите ласери можат да произведуваат енергии во инфрацрвениот спектар на 1064 нанометри. Тие се користат за сечење, заварување и означување н аметали и други материјали, и исто така и во спектроскопијата и за пумпање на обоените ласери. Овие ласери често се користат со удвоена честота од 532 нанометри кога е потребен видлив (зелен) извор на светлина. Итербиум, холмиум, тулиум и ербиум се чести супстанции кои се користат за допинг на цврстите ласери. Кај цврстите ласери се појавуваат и оние кај кои домаќин е стакло или оптички фибер, на пример со ербиум или итербиум јони како активни видови. Овие материи се многу флексибилни и издржливи и затоа се користат.

Полупроводнички ласери

Комерцијалните ласерски диоди емитуваат на бранови должини од 375 нанометри до 1800 нанометри, а и бранови должини од над 3 микрометри се исто така забележани. Ласерските диоди со мала моќност се користат кај ласерските печатачи и ЦД/ДВД читачите. Помоќните ласерски диоди се користат за оптичко пумпање на другите ласери со висока ефикасност. Најмоќните индустриски ласерски диоди, со моќ до 10 kW се користат во индустријата за сечење и заварување.

Обоени ласери

Обоените ласери користат органиски бои како медиум за засилување. Широкиот спектар на засилување на достапни бои им овозвможува на овие ласери да бидат високо приспособливи или да создаваат пулсови со многу кратка трајност (од редот на неколку фемтосекунди).

По излезна моќност

• 5 mW – ласери во CD читач
• 5-10 mW – ласер во DVD читач
• 100 mW – ласер во CD снимач
• 250 mW – ласер во Sony црвена ласерска диода
• 1 W – зелен ласер во моменталниот развоја на холографските дискови.
• 100 W до 500 W (максимум 1.5 kW) – типични јаглерод диоксидни ласери кои се користат во индустриските машини за сечење или заварување. Овие се вообичаено компактни, екстремно функционални, евтини за употреба и можат да овозможат преку 20 000 часа непрекината работа пред да имаат потреба од поправка и сервисирање.

Дополнителна литература

Книги

• Кехнер, Валтер (1992). Solid-State Laser Engineering, 3rd ed., Спрингер-Ферлаг. ISBN 0-387-53756-2
• Зигман, Антони Е. (1986). Lasers, Научни универзитетски книги. ISBN 0-935702-11-3
• Сифваст, Вилијам Т. (1996). Laser Fundamentals, печат на универзитетот Кембриџ ISBN 0-521-55617-1
• Свелто, Орацио (1998). Principles of Lasers, 4th ed. (прев. Дејвид Хана), Спрингер. ISBN 0-306-45748-2
• Јарив, Амнон (1989). Quantum Electronics, 3rd ed., Вајли. ISBN 0-471-60997-8
• Целе, Марк (2004). Fundamentals of Light Sources and Lasers, Вајли. ISBN 0-471-47660-9

Списанија

• Applied Physics B: Lasers and Optics (ISSN 0946-2171)
• IEEE Journal of Lightwave Technology (ISSN 0733-8724)
• IEEE Journal of Quantum Electronics (ISSN 0018-9197)
• IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics (ISSN 1077-260X)
• IEEE Photonics Technology Letters
• Journal of the Optical Society of America B: Optical Physics (ISSN 0740-3224)
• Laser Focus World (ISSN 0740-2511)
• Optics Letters (ISSN 0146-9592)
• Photonics Spectra (ISSN 0731-1230)

Надворешни врски

• ЧПП на Сем за ласерите од Самуел М. Голдвасер
• Енциклопедија за ласерска физика и технологија од д-р Рудигер Пашота
• Ласерска активност без инверзна населеност Архивирано на 22 април 2006 г. од Филип Ф. Шеве и Бен Стајн
• Ласирање без инверзија Архивирано на 22 април 2006 г. од Филип Ф. Шеве и Бен Стајн
• Мрежното место на самоделни ласери Архивирано на 1 јуни 2009 г. од професор Марк Целе
• Основите на светлинските извори и ласери Архивирано на 9 септември 2006 г. курс на магистерско ниво по ласерска технологија
• Вести за ласерите и технолошки информации
• Централна ласерска установа, ОК
• Историја на ласерско остранување на перде Архивирано на 27 октомври 2006 г.