Zasada działania źródła laserowego

W dzisiejszym artykule chciałbym szczegółowo omówić na jakiej zasadzie działa źródło laserowe. W publikacji „Budowa Lasera Czyszczącego” poznaliśmy tajemnice wnętrza urządzenia, dzisiaj chciałbym skupić się na rezonatorze, w którym zachodzi cała akcja laserowa.

Żeby zrozumieć na czym polega kształtowanie promieniowania laserowego musimy skupić się przez chwilę na elementarnych budulcach otaczającego nas świata jakim są atomy. Atom składa się z gęstego jądra złożonego z chmury dodatnich ładunków oraz z otaczających go na różnych orbitach elektronów o ładunkach ujemnych. I to właśnie zachowanie elektronów na poszczególnych orbitach atomu odgrywa najistotniejszą rolę w całym procesie kształtowania promieniowania laserowego.

Na początku XX wieku fizyka zakładała istnienie jedynie dwóch zjawisk jakie mogą zajść na orbicie atomu,  pochłanianie energii z otoczenia (absorbcję) oraz spontaniczne emitowanie jej w postaci pojedynczych fotonów.  

W momencie gdy elektrony krążące po orbicie podstawowej pochłoną energie z otoczenia „wskakują” na wyższą orbitę i przechodzą w tzw. stan wzbudzony. Po pewnym czasie powracają na  poprzednią orbitę emitując przy tym foton w losowym kierunku. Emisję takiego fotonu nazywamy spontaniczną, jest ona bezpośrednio odpowiedzialna za świecenie każdego ciała, rozgrzanego gazu, topionego materiału itp.

W 1917 roku Albert  Einstein rozważając teorię spontanicznej emisji promieniowania doszedł do wniosku, że poza procesami absorbcji energii z otoczenia przez elektron i jego spontanicznego powrotu na orbitę podstawową musi jeszcze występować zjawisko, w którym wymuszamy na elektronie przejście do stanu podstawowego. Okazało się, że miał rację i takie zjawisko również występuję w momencie gdy pobudzimy elektron na orbicie wzbudzonej fotonem o podobnej energii. „Przeskakuję” on wtedy na niższą orbitę emitując przy tym dodatkowy foton o takim samym kierunku i parametrach jak foton, którym wzbudziliśmy elektron.

Założenia Einsteina były prawidłowe udowodnił, że poza spontaniczną emisją fotonu istnieje jeszcze zjawisko emisji wymuszonej. Jednak na praktyczne wykorzystanie jego założeń trzeba było czekać około 40 lat aby zbudować urządzenie dziś nazywane LASER, które dokładnie oznacza Light Amplification by Stimuleted Emission of Radioation i można tłumaczyć to jako Wzmocnienie Światła przez Wymuszoną Emisję Promieniowania.

Wiemy już jak przebiega proces emisji wymuszonej, teraz chciałbym omówić w jaki sposób to zjawisko wykorzystywane jest w rezonatorze laserowym i jak przyczynia się do ukształtowania wiązki promieniowania. Zacznijmy od budowy rezonatora laserowego, najważniejszym jego składnikiem jest ośrodek czynny, gdzie następuję pobudzanie atomów w celu zapoczątkowania emisji wymuszonej i wywołania lawiny wygenerowanych tym sposobem jednakowych fotonów.

Atomy w ośrodku czynnym są dobierane w taki sposób aby zapewnić odpowiednią długość fali generowanego promieniowania. Odległość pomiędzy poziomami energetycznymi (podstawowym i wzbudzonym) równa jest długości fali w jakiej pracować będzie dane urządzenie laserowe. Ze względu na rodzaj ośrodka czynnego lasery możemy podzielić na następujące typy:

NA CIELE STAŁYM, gdzie atomy w ośrodku czynnym mają postać kryształu o konkretnych parametrach.

GAZOWE, gdzie ośrodkiem czynnym jest odpowiednio dobrana mieszanina gazów z odpowiednio reagującymi na emisję światła atomami.

CIECZOWE, które wykorzystują mieszankę barwników i rozpuszczalników do uzyskania odpowiedniego czynnika aktywnego w ośrodku.

PÓŁPRZEWODNIKOWE, gdzie pompowanie odbywa się zazwyczaj za pomocą złączy p-n zasilanych elektrycznie, nazywane również laserami diodowymi.

NA SWOBODNYCH ELEKTRONACH, gdzie w odróżnieniu od pozostałych typów laserów generowanie promieniowania laserowego odbywa się za pomocą bardzo szybko poruszających się elektronów w specjalnie ukształtowanych polu magnetycznym.

Kolejnym ważnym elementem rezonatora jest tzw. układ pompujący. Jest to system, który zapewnia ciągłe pobudzanie kolejnych atomów w ośrodku czynnym i wywołuję w nich emisję. W rzeczywistości „pompowanie” odbywa się za pomocą lamp błyskowych, wyładowań elektrycznych, szeregu diod laserowych, reakcji chemicznych, a w niektórych urządzeniach przeprowadzane jest z wykorzystaniem innych laserów.

Ośrodek czynny ograniczony jest na swoich końcach dwoma zwierciadłami, jedno z nich całkowicie odbija promieniowanie drugie z kolei jest częściowo przepuszczające, mają one za zadanie zapętlić atomy w ośrodku czynnym do momentu uzyskania odpowiedniego stanu nazywanego inwersją obsadzeń.

W skrócie należy doprowadzić do momentu, w którym większość atomów posiada elektrony na orbitach wzbudzonych. Dzięki temu wyemitowanie przez jeden taki atom fotonu w wyniku emisji wymuszonej doprowadzi do powstania lawiny fotonów o takiej samej energii wyrzucanych przez sąsiadujące atomu. W efekcie dochodzi do powstania ogromnej ilości nowych fotonów o takiej samej energii, kierunku oraz długości fali. To właśnie wtedy rozpoczyna się akcja laserowa.

W ECL Tech Polska do czyszczenia wykorzystujemy laser włóknowy nazywany również fibrowym (ang. fiber = włókno), który jest typem urządzenia półprzewodnikowego. Lasery te cieszą się coraz większą popularnością z uwagi na swoją długą żywotność, która wynika ze specyficznie skonstruowanego ośrodka czynnego. W laserach tego typu jest nim światłowód, który bezpośrednio jest połączony ze źródłem laserowym. Pompowanie odbywa się z wykorzystaniem szeregu diod, które wysyłają kolejne porcje światła bezpośrednio do światłowodu. Składa się on z 4 warstw:

POWŁOKA , która jest ochronną warstwą całego światłowodu. Jest odpowiedzialna za ochronę światłowodu przed uszkodzeniami mechanicznymi.

BUFOR nie posiada specjalnych własności transmisyjnych, posiada najmniejszy współczynnik załamania światła, jego zadaniem jest uniemożliwienie wydostania się promieniowania na zewnętrze światłowodu.

PŁASZCZ  posiada mniejszy współczynnik załamania światła niż rdzeń, umożliwia on dostanie się promieniowania do najgłębszej warstwy światłowodu i zapewnia optymalnej transmisji energii pompowania rdzenia.

RDZEŃ posiada najwyższy współczynnik załamania światła ponadto domieszkowany jest pierwiastkami ziem rzadkich, w przypadku naszego lasera są to aktywne jony iterbu, którego atomy gwarantują powstanie fali o długości 1064 nanometrów.

Podsumowując, budowa źródła laserowego jest ograniczona do kilku elementów, które spełniają dość proste funkcje jednak parametry urządzenia jakie chcemy uzyskać bezpośrednio wpływają na budowę ośrodka czynnego i sposób w jaki będziemy go pompować.

Opracowanie modelu teoretycznego emisji wymuszonej było niezwykłym osiągnięciem co doprowadziło do powstania wielu odmian urządzeń laserowych, które cały czas są rozwijane. Lasery włóknowe dopiero od jakiejś dekady prężnie zdobywają przemysł, już teraz z roku na rok charakteryzują się znacznie większymi mocami i lepszą stabilnością. Otwiera to wiele możliwości zastosowania tego typu urządzeń. Jedną z nich jest coraz lepiej rozwijane czyszczenie laserowe.

Mam nadzieję, że powyższy artykuł przybliżył was jeszcze bardziej do świata laserów i pokazał, że ta dziedzina techniki ma przed sobą jeszcze wiele do zaoferowania. Wkrótce na stronie pojawi się kolejny artykuł z dziedziny kompendium wiedzy o laserach.

-Karol Woźniak-