Laser

De la Wikipedia, enciclopedia liberă
Salt la: Navigare, căutare
laser
Un exemplu de laser microscopic (sus) şi unul gigantic (jos).
Un laser reglat pe lungimea de undă din galben a sodiului, folosit pentru a excita atomii de sodiu din păturile superioare ale atmosferei.
Un laser cu heliu-neon. Segmentul luminos din centru nu este raza laser, ci tubul de descărcare; pe ecranul din dreapta se poate observa punctul luminos produs de fascicului laser.

Laserul este un dispozitiv optic care generează un fascicul coerent de lumină. Fasciculele laser au mai multe proprietăți care le diferențiază de lumina incoerentă produsă de exemplu de Soare sau de becul cu incandescență:

  • monocromaticitate — un spectru în general foarte îngust de lungimi de undă;
  • direcționalitate — proprietatea de a se propaga pe distanțe mari cu o divergență foarte mică și, ca urmare, capacitatea de a fi focalizate pe o arie foarte mică;
  • intensitate — unii laseri sunt suficient de puternici pentru a fi folosiți la tăierea metalelor.

La origine termenul laser este acronimul LASER format în limba engleză de la denumirea light amplification by stimulated emission of radiation (amplificare a luminii prin stimularea emisiunii radiației), denumire construită pe modelul termenului maser care înseamnă un dispozitiv similar, funcționând în domeniul microundelor.

În limba română forma de plural recomandată de dicționare este lasere; cercetătorii implicați în acest domeniu preferă însă pluralul laseri.[1]

Istoric[modificare | modificare sursă]

Principiile de funcționare ale laserului au fost enunțate în 1916 de Albert Einstein, printr-o evaluare a consecințelor legii radiației a lui Max Planck și introducerea conceptelor de emisie spontană și emisie stimulată. Aceste rezultate teoretice au fost uitate însă pînă după cel de-al doilea război mondial.

În 1953 fizicianul american Charles Townes și, independent, Nikolai Basov și Aleksandr Prohorov din Uniunea Sovietică au reușit să producă primul maser, un dispozitiv asemănător cu laserul, dar care emite microunde în loc de radiație laser, rezultat pentru care cei trei au fost răsplătiți cu Premiul Nobel pentru Fizică în 1964.

Primul laser funcțional a fost construit de Theodore Maiman în 1960 și avea ca mediu activ un cristal sintetic de rubin pompat cu pulsuri de flash.

Primul laser cu gaz a fost construit de fizicianul iranian Ali Javan în 1960 folosind un amestec de heliu și neon, care producea un fascicul cu lungimea de undă de 1,15 μm (infraroșul apropiat), spre deosebire de laserii actuali cu He-Ne care emit în general în domeniul vizibil, la 633 nm.

Primul laser românesc[modificare | modificare sursă]

România a fost a patra țară din lume în care s-au realizat laseri,[necesită citare] în urma unor cercetări întreprinse de un colectiv condus de Ion I. Agârbiceanu (fiul scriitorului Ion Agârbiceanu). Rezultatul lor a fost raportat în 1961.

Principiul funcționării laserului[modificare | modificare sursă]

Laserul este un dispozitiv complex ce utilizează un mediu activ laser, ce poate fi solid, lichid sau gazos, și o cavitate optică rezonantă. Mediul activ, cu o compoziție și parametri determinați, primește energie din exterior prin ceea ce se numește pompare. Pomparea se poate realiza electric sau optic, folosind o sursă de lumină (flash, alt laser etc.) și duce la excitarea atomilor din mediul activ, adică aducerea unora din electronii din atomii mediului pe niveluri de energie superioare. Față de un mediu aflat în echilibru termic, acest mediu pompat ajunge să aibă mai mulți electroni pe stările de energie superioare, fenomen numit inversie de populație. Un fascicul de lumină care trece prin acest mediu activat va fi amplificat prin dezexcitarea stimulată a atomilor, proces în care un foton care interacționează cu un atom excitat determină emisia unui nou foton, de aceeași direcție, lungime de undă, fază și stare de polarizare. Astfel este posibil ca pornind de la un singur foton, generat prin emisie spontană, să se obțină un fascicul cu un număr imens de fotoni, toți avînd aceleași caracteristici cu fotonul inițial. Acest fapt determină caracteristica de coerență a fasciculelor laser.

Rolul cavității optice rezonante, formată de obicei din două oglinzi concave aflate la capetele mediului activ, este acela de a selecta fotonii generați pe o anumită direcție (axa optică a cavității) și de a-i recircula numai pe aceștia de cît mai multe ori prin mediul activ. Trecerea fotonilor prin mediul activ are ca efect dezexcitarea atomilor și deci micșorarea factorului de amplificare optică a mediului. Se ajunge astfel la un echilibru activ, în care numărul atomilor excitați prin pompare este egal cu numărul atomilor dezexcitați prin emisie stimulată, punct în care laserul ajunge la o intensitate constantă. Avînd în vedere că în mediul activ și în cavitatea optică există pierderi prin absorbție, reflexie parțială, împrăștiere, difracție, există un nivel minim, de prag, al energiei care trebuie furnizată mediului activ pentru a se obține efectul laser.

În funcție de tipul mediului activ și de modul în care se realizează pomparea acestuia laserul poate funcționa în undă continuă sau în impulsuri. Primul maser și primul laser funcționau în regim de impulsuri.

Caracteristicile fasciculului laser[modificare | modificare sursă]

Intensitate[modificare | modificare sursă]

Simbolul „Pericol de radiaţie laser”.

În funcție de tipul de laser și de aplicația pentru care a fost construit, puterea transportată de fascicul poate fi foarte diferită. Astfel, dacă diodele laser folosite pentru citirea discurilor compacte este de ordinul a numai 5 mW, laserii cu CO2 folosiți în aplicații industriale de tăiere a metalelor pot avea în mod curent între 100 W și 6000 W. În mod experimental sau pentru aplicații speciale unii laseri ajung la puteri mult mai mari; cea mai mare putere raportată a fost în 1996 de 1,25 PW (petawatt, 1015 W).

Monocromaticitate[modificare | modificare sursă]

Majoritatea laserilor au un spectru de emisie foarte îngust, ca urmare a modului lor de funcționare, în care numărul mic de fotoni inițiali este multiplicat prin „copiere” exactă, producînd un număr mare de fotoni identici. În anumite cazuri spectrul este atît de îngust (lungimea de undă este atît de bine determinată) încît fasciculul își păstrează relația de fază pe distanțe imense. Aceasta permite folosirea laserilor în metrologie pentru măsurarea distanțelor cu o precizie extrem de bună, prin interferometrie. Aceeași calitate permite folosirea acestor laseri în holografie.

Direcționalitate[modificare | modificare sursă]

În timp ce lumina unei surse obișnuite (bec cu incandescență, tub fluorescent, lumina de la Soare) cu greu poate fi transformată într-un fascicul paralel cu ajutorul unor sisteme optice de colimare, lumina laser este în general emisă de la bun început sub forma unui fascicul paralel. Aceasta se explică prin acțiunea cavității optice rezonante de a selecta fotonii care se propagă paralel cu axa cavității. Astfel, în timp ce un reflector obișnuit de lumină, orientat de pe Pămînt spre Lună, luminează pe suprafața Lunii o suprafață de aproximativ 27.000 km în diametru, fasciculul unui laser nepretențios cu heliu-neon luminează pe Lună o suprafață cu diametrul mai mic de 2 km. Folosind laseri mai performanți și avînd la dispoziție pe suprafața Lunii retroreflectoare (colțuri de cub, care reflectă lumina incidentă pe aceeași direcție) a fost posibilă determinarea cu foarte mare precizie a distanței de la Pămînt la Lună.

Măsuri de securitate[modificare | modificare sursă]

Pentru protecția muncii, cei care folosesc laseri trebuie să știe întotdeauna cu ce tip de laser au de a face. Din punctul de vedere al pericolului pe care îl reprezintă fasciculul laser asupra omului (în principal retina și pielea), laserii sînt clasificați în patru clase. În prezent clasificarea laserilor nu se face la fel în toate țările, dar se fac pregătiri pentru ca aceste clase să fie definite la fel la nivel internațional. Lucrul cu laseri periculoși impune folosirea de ochelari de protecție, care absorb radiația luminoasă la lungimea de undă a laserului folosit și permit vederea în celelalte regiuni ale spectrului.

Clasa I este specifică echipamentelor industriale care au zona de acționare a fascicolului laser acoperită în totalitate, deci nu există posibilitatea apariției unor reflexii nedorite. Această clasă de laseri este cea mai sigură și nu necesită din partea operatorilor umani care deservesc echipamentul laser să poarte echipament de protecție optică (ochelari speciali sau mască).

Clasa II

Clasa IIIa

Clasa IIIb

Clasa IV - sunt laseri care nu sunt prevăzuți cu nici o formă de protecție optică, fiind echipamente care pot fi ușor adaptate oricărui tip de prelucrări industriale. Identificarea unor astfel de echipamente laser se poate reliza privind eticheta lipită pe camera rezonantă pe care este inscripționat cuvântul OEM, alături de care se regăsește cuvântul CLASS IV.

Utilizare[modificare | modificare sursă]

Note[modificare | modificare sursă]

  1. ^ Situl oficial al Institutului Național pentru Fizica Laserilor, Plasmei și Radiației


Commons
Wikimedia Commons conține materiale multimedia legate de Laser