Witamy!

Jesteśmy grupą z fizyki w klasie 2TH1. Witamy na naszym blogu poświęconym głównie laserom półprzewodnikowym.

Laser rubinowy

Podstawowym elementem laser rubinowego jest monokryształ tlenku glinu Al₂ O₃ z domieszką  atomów chromu, w kształcie walca (pręta) o średnicy  0,5 - 1 cm i długości 5 - 10 cm. Atomy chromu nadają rubinowi charakterystyczną czerwoną barwę, ponieważ silnie absorbują żółto-zieloną częścią widma. Schemat poziomów energetycznych atomów  chromu jest przedstawiony na rys.4. Absorbując światło o długości fali  l = 560 nm atomy chromu przechodzą w stan wzbudzenia E₂, który  tworzy pasmo energetyczne o pewnej szerokości. Przejście z pasma E₂ na poziom E₁ zachodzi dwuetapowo. W pierwszym etapie energia wzbudzenia przekazywana jest sieci krystalicznej rubinu i w postaci przejścia bezpromienistego następuje przejście na poziom E₃. Poziom E₃  jest poziomem metastabilnym, o czasie życia      3 ms (rys. 2), podczas gdy czas życia poziomu E₂ wynosi ok. 0,05 ms. Różnica w czasach życia tych poziomów umożliwia zaistnienie inwersji obsadzeń poziomu E₃. Oświetlenie rubinu silną wiązką światła białego powoduje masowe wzbudzenie atomów chromu do poziomu E₂. Proces ten nazywamy pompowaniem optycznym. Aby uzyskać silną emisję wymuszoną konieczne jest utworzenie optycznej komory rezonansowej. Komorę tę tworzy pręt rubinowy, którego powierzchnie czołowe są  wypolerowane, ściśle równoległe i prostopadłe do osi pręta. Jedna z powierzchni pokryta jest nieprzepuszczalną warstwą srebra, druga  zaś taką warstwą aby  przepuszczała  około 8% padających na nią fotonów. Pojawienie się w pręcie jednego tylko fotonu o częstości hn = E₃ – E₁ , poruszającego się równolegle do osi pręta prowadzi do powstania procesu emisji  wymuszonej (rys.3b). Foton ten wymusza emisję w atomach położonych wzdłuż jego drogi, a  powstająca przy tym wiązka fotonów odbija się wielokrotnie od powierzchni lustrzanych  pręta rubinowego i oddziaływuje z nowymi, wzbudzonymi atomami (rys.3c). Prowadzi to do powstania lawinowego wzrostu natężenia promieniowania (rys.3d i 3e). Gdy wiązka ta stanie się dostatecznie silna, część  jej wychodzi przez  półprzezroczysty koniec kryształu (rys.3f).

Lasery rubinowe pracują impulsowo (z częstością rzędu kilku impulsów na minutę). Wewnątrz kryształu wydziela się duża ilość energii (ciepła), konieczne jest zatem jego intensywne chłodzenie. Uproszczony schemat lasera rubinowego pokazuje rys.5. Rubinowy pręt otoczony jest kilkoma zwojami spiralnej lampy błyskowej, której światło służy do pompowania optycznego. Wysyłana wiązka laserowa ma barwę czerwoną długości fali  l = 694,3 nm. 
Link do animacji: http://web.phys.ksu.edu/vqm/software/online/vqm/html/rubylaser.html 

      

Układ pompujący

Zadaniem układu jest przeniesienie jak największej liczby elektronów w substancji czynnej do stanu wzbudzonego. Układ musi być wydajny tak by doszło do inwersji 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.
Link do animacji: http://www.edumedia-sciences.com/en/a392-laser

Zastosowania militarne

Laser ma potrójne zastosowanie militarne:

• dalmierz
  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.
• naprowadzanie
  Jako system naprowadzający, wiązka laserowa działa na zasadzie odbicia od celu. Cel jest oświetlany wiązką laserową, która zgodnie z prawami odbicia jest emitowana 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. Podobne zastosowanie ma laserowy wskaźnik celu, lecz w tym przypadku laser wskazuje cel, a operator broni (strzelec) samodzielnie naprowadza promień lasera na cel.
• broń energetyczna
  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 pojedynczym impulsie, 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. Lasery mniejszej mocy stosowane są też do niszczenia układów optycznych pojazdów. Prowadzone są prace nad laserami mogącymi krótkotrwale oślepiać żołnierzy.

Namiernik laserowy IR




do obejrzenia niszczącej mocy laserów zapraszamy na YouTube wysego:

http://www.youtube.com/user/konradwysog

W najbliższym czasie na kanale pojawi się laser RGBW!!! ZAPRASZAMY!

Bezpieczeństwo użytkowania z laserami

Ponieważ promieniowanie laserowe o tej samej mocy lecz o różnych długościach fal może wywołać różne skutki podczas oddziaływania z tkanką biologiczną, lasery podzielono na klasy. Zasady bezpiecznej pracy z urządzeniami laserowymi podano w Polskiej Normie PN-EN 60825-1:2005 (Bezpieczeństwo urządzeń laserowych -- Część 1: Klasyfikacja sprzętu, wymagania i przewodnik użytkownika). Nowy podział na siedem klas (1, 1M, 2, 2M, 3R, 3B, 4):

• 1 - Lasery które są bezpieczne w racjonalnych warunkach pracy
• 1M - Lasery emitujące promieniowanie w zakresie długości fal od 302,5 nm do 4000 nm, które są bezpieczne w racjonalnych warunkach pracy, ale mogą być niebezpieczne podczas patrzenia w wiązkę przez przyrządy optyczne.
• 2 - Lasery emitujące promieniowanie widzialne w przedziale długości fal od 400 do 700 nm. Ochrona oka jest zapewniona w sposób naturalny przez instynktowne reakcje obronne
• 2M - Lasery emitujące promieniowanie widzialne w przedziale długości fal od 400 do 700 nm. Ochrona oka jest zapewniona w sposób naturalny przez instynktowne reakcje obronne, ale mogą być niebezpieczne podczas patrzenia w wiązkę przez przyrządy optyczne
• 3R - Lasery emitujące promieniowanie w zakresie długości fal od 302,5 nm do 10⁶ nm, dla których bezpośrednie patrzenie w wiązkę jest potencjalnie niebezpieczne.
• 3B - Lasery, które są niebezpieczne podczas bezpośredniej ekspozycji promieniowania. Patrzenie na odbicia rozproszone jest zwykle bezpieczne.
• 4 - Lasery, które wytwarzają niebezpieczne odbicia rozproszone. Mogą one powodować uszkodzenie skóry oraz stwarzają zagrożenie pożarem. Podczas obsługi laserów klasy 4 należy zachować szczególną ostrożność.

Jednym z najważniejszych elementów oznakowania urządzeń laserowychsą etykiety informujące o klasie lasera. Tekst na tych etykietach powinien być napisany czarnymi literami na żółtym tle.

Laser neodymowy Nd:YAG

Pompowanie odbywa się za pomocą półprzewodnikowych diod laserowych. Długość aktywnego ośrodka objętościowego jest rzędu 1mm. Możliwość budowy lasera o tak małych wymiarach powstała w wyniku opanowania technologii diod generujących wiązkę o mocy rzędu watów z możliwością dopasowania pasma emisji tych diod do pasma maksymalnej absorpcji neodymu (λ=0.81 μm). Długość fali emitowanej przez laser wiązki λ=1.06 μm.

Przejścia kwantowe realizowane są na jonach neodymu. Dichroiczne zwierciadła tworzą układ rezonatora otwartego dla mikrolasera objętościowego i falowodowego. Wiązka pompująca (λ=0.81 μm) powinna być transmitowana przez pierwsze zwierciadło i całkowicie odbijana przez drugie. Natomiast wiązka generowana przez laser (λ=1.06 μm), jak w typowym rezonatorze, powinna być całkowicie odbijana przez drugie zwierciadło i częściowo transmitowane przez pierwsze.

Mikrolaser objętościowy w połączeniu z kryształem nieliniowym tworzy laser o zwartej budowie, emitujący linię zieloną (druga harmoniczna, λnbsp;=nbsp;0,533nbsp;μm) o mocy nawet kilkunastu miliwatów. Tą drogą można uzyskać również harmoniczne wyższe niż druga i uzyskać promieniowanie w nadfiolecie.

Laser półprzewodnikowy

Laser półprzewodnikowy – nazywany również laserem diodowym lub diodą laserową - laser, którego obszarem czynnym jest półprzewodnik. Najczęściej laser półprzewodnikowy ma postać złącza p-n w którym obszar czynny jest pompowany przez przepływający przez złącze prąd elektryczny. Są to najbardziej perspektywiczne lasery

z punktu widzenia ich zastosowań w fotonice ze
względu na małe wymiary, dość wysokie moce,
łatwość modulacji prądem sterującym o wysokiej
częstotliwości (rzędu gigaherców) i możliwość
uzyskania promieniowania od pasma bliskiej
podczerwieni (diody laserowe dla telekomunikacji
światłowodowej) do skraju fioletowego pasma
widzialnego.

Laser helowo-neonowy (He-Ne) - laser gazowy o działaniu ciągłym. Substancją roboczą wewnątrz rury próżniowej jest mieszanina neonu pod ciśnieniem parcjalnym 0,1 mm Hg i helu pod ciśnieniem parcjalnym 1 mm Hg. Hel wzbudzany jest do wyższego stanu przez wyładowanie elektryczne za pomocą elektrod. W wyniku zderzeń z helem atomy neonu wzbudzane są na poziom typu 3, co umożliwia zainicjowanie akcji laserowej. Układ rezonujący tworzą dwa zwierciadła płaskie. Laser helowo-neonowy emituje wiązkę światła o długości fali λ = 632,8 nm (część widma widzialnego odpowiadająca czerwieni). Laser helowo-neonowy był pierwszym działającym typem lasera gazowego. W 1960 zespół z Laboratorium Bella uzyskał falę ciągłą emitowaną przez ten laser.

Wiązka laserowa

Promieniowanie lasera ma charakterystyczne właściwości, trudne lub wręcz niemożliwe do osiągnięcia w innych typach źródeł promieniowania. Jest spójne w czasie i przestrzeni, zazwyczaj spolaryzowane i ma postać wiązki o bardzo małej rozbieżności. W laserze łatwo jest otrzymać promieniowanie o bardzo małej szerokości linii emisyjnej, co jest równoważne bardzo dużej mocy w wybranym, wąskim obszarze widma. W laserach impulsowych można uzyskać bardzo dużą moc w impulsie i bardzo krótki czas trwania impulsu.

Trochę o laserze

Laser to generator promieniowania, wykorzystujący zjawisko emisji wymuszonej. Nazwa jest akronimem od Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation — wzmocnienie światła poprzez wymuszoną emisję promieniowania.