Odpowiedzi

Najlepsza Odpowiedź!
2010-02-04T22:57:28+01:00
Lasery - budowa, zasada działania i
zastosowanie

Laser to nazwa utworzona od angielskiego okre´slenia Light Amplification by
Stimulated Emission of Radiation (wzmocnienie s´wiatła poprzez wymuszona˛emisj
˛e promieniowania). Jak si˛e okazuje laser nie tylko wzmacnia ´swiatło, ale w wi˛eszos
´ci przypadków działa jako specjale z´ródło emituja˛c s´wiatło, którego włas´ciwos
´ci sa˛ zwia˛zane wyła˛cznie z laserem i sa˛ to:
- bardzo wysoki stopie´n monochromatyczno´sci, uzyska´c mo˙zna szeroko´s´c linii
¢º rz˛edu dziesi˛eciu herców,
- wielkie skupienie ´swiatła, ograniczone w zasadzie jedynie przez efekty dyfrakcyjne
na oknie wyj´sciowym lasera,
- du˙ze nat˛e˙zenie promieniowania, które przy działaniu impulsowym mo˙ze
dochodzi´c do 1012 − 1013W,
- mo˙zliwo´s´c generacji ultrakrótkich impulsów ´swietlnych (do 10−14s o du-
˙zym nat˛e˙zeniu.
Pierwszy laser został zbudowany w roku 1960 przez ameryka´nskiego fizyka
Theodore’a Maimana. Był to laser rubinowy, którego o´srodkiem czynnym był
kryształ korundu ( Al2O3 - trójtlenek glinu) domieszkowany chromem. W roku
nast˛epnym Snitzer stworzył laser na bazie szkła neodymowego, a w roku 1964
Gaisik i Karkos skonstruowali laser na bazie granatu itrowo - glinowego domieszkowanego
neodymem - pierwiastkiem chemicznym wchodza˛cym w skład
lantanowców, czyli metali moga˛cych osia˛gac´ maksymalny stopien´ utleniania +4.
W kolejnych latach powstawały mi˛edzy innymi lasery półprzwodnikowe, lasery
na bazie fluorku litowo - itrowego oraz wiele innych.
Działanie lasera najlepiej zrozumiec´ poznaja˛c jego zasadnicze elementy składowe
(Rysunek 1.). Najogólniej rzecz biora˛c, laser składa sie˛ z os´rodka czynnego,
który moz˙e byc´ ciałem stałym, ciecza˛ lub gazem. Z obu kon´ców laser jest zamkni
˛ety przez zwierciadła, z których najcz˛e´sciej jedno jest cz˛e´sciowo przepuszczalne
(układ optyczny). Aby laser mógł działa´c potrzebne jest dostarczanie energii
z zewna˛trz, do czego słuz˙y tak zwany układ pompuja˛cy.
Rysunek 1: Schemat budowy lasera
2
1. O´srodek czynny.
Oddziaływanie s´wiatła z materia˛wyjas´nic´ moz˙na za pomoca˛ trzech zjawisk
mianowicie: pochłaniania ´swaitła (absorpcji), emisji spontanicznej oraz emisji
wymuszonej fotonu. Jak wiadomo foton wyemitowany w wyniku emisji
wymuszonej posiada taka˛ sama˛ polaryzacje˛ i cze˛stotliwos´c´ jak foton wywołuja
˛cy emisje˛. Aby akcja laserowa mogła zajs´c´ foton wzbudzaja˛cy musi
miec´ odpowiednia˛ energie˛, równa˛ energii wzbudzenia os´rodka. Wiadomo
równiez˙, z˙e atomy w stanie podstawowym pochłaniaja˛ fotony wzbudzaja˛-
ce. Zatem by laser mógł działa´c proces emisji wymuszonej musi przewa-
˙za´c nad procesem pochłaniania fotonów. Dzieje si˛e tak tylko wtedy, gdy w
o´srodku znajduje si˛e wi˛ecej atomów w stanie wzbudzonym ni˙z atomów w
stanie podstawowym (inwersja obsadze´n poziomów energetycznych). Uzyskanie
takiego stanu wia˛z˙e sie˛ jednak z pokonaniem pewnych przeszkód,
z których najistotniejsza˛ jest zjawisko emisji spontanicznej, polegaja˛ce na
tym, z˙e atomy w stanie wzbudzonym znajduja˛ sie˛ bardzo krótko przechodza
˛c szybko do stanu podstawowego. Niektóre atomy posiadaja˛ poziomy
energetyczne metatrwałe, czyli takie na których elektron pozostaje znacznie
dłu˙zej, ale w takiej sytuacji znacznie utrudnione jest przej´scie atomu
ze stanu podstawowego do wzbudzonego. Aby laser działał musi doj´s´c do
akcji laserowej, która zaczyna sie˛ od emisji spontanicznej, ba˛dz´ od wprowadzenia
fotonu inicjuja˛cego z zewna˛trz.
2. Układ pompuja˛cy.
Rysunek 2: Schematyczne przedstawienie procesu pompowania: a) atom dwupoziomowy,
b) atom trójpoziomowy ( przej´scia optyczne: 2 -> 1 i 1 -> 0 ), c) atom
czteropoziomowy ( przej´scie 2 -> 1 )
3
Zadaniem układu pompuja˛cego jest przeniesienie jak najwie˛kszej ilos´ci elektronów
w substancji czynnej do stanu wzbudzonego. Układ ten musi by´c
wydajny na tyle by doszło w o´srodku czynnym do inwersji obsadze´n. Pompowanie,
czyli dostarczanie energii do lasera, odbywa´c si˛e mo˙ze na wiele
róz˙nych sposobów, w zalez˙nos´ci od znajduja˛cej sie˛ w laserze substancji
czynnej. Do najbardziej znanych nalez˙a˛:
- pompowanie poprzez błysk lampy błyskowej (flesza),
- pompowanie przez błysk innego lasera,
- pompowanie przez przepływ pra˛du (wyładowanie) w gazie,
- pompowanie reakcja˛ chemiczna˛,
- pompowanie poprzez zderzenia atomów,
i inne.
3. Układ optyczny.
W laserach, opisany wcze´sniej o´srodek czynny traktowany jest jako generator
fali elektromagnetycznej. Układ optyczny natomiast pełni rol˛e sprz˛e-
˙zenia zwrotnego, czyli oddziływania sygnału wyj´sciowego na sygnał wej-
´sciowy, dla wybranych cz˛estotliwo´sci, dzi˛eki czemu ´swiatło generowane
przez laser posiada jedna˛ cze˛stotliwos´c´. Układ optyczny składa sie˛ zazwyczaj
z dwóch zwierciadeł, z których przynajmniej jedno jest cz˛e´sciowo przepuszczalne.
Dokładnie wykonane i odpowiednio ustawione zwierciadła stanowia
˛ rezonator dla wybranej cze˛stotliwos´ci i okres´lonego kierunku ruchu.
Dzi˛eki temu tylko te fotony, dla których układ optyczny jest rezonatorem
przebiegaja˛ wielokrotnie przez os´rodek czynny, powoduja˛c emisje˛
kolejnych fotonów spójnych z nimi. Pozostałe fotony natomiast zanikaja˛w
o´srodku czynnym, lub w układzie optycznym.
O najwa˙zniejszych parametrach lasera decyduje o´srodek czynny. To dzi˛eki
niemu okre´slona jest długo´s´c fali, jej moc, sposób pompowania oraz mo˙zliwe
zastosowanie lasera. Ze wzgl˛edu równie˙z na o´srodek czynny, a dokładniej na substancje
˛ czynna˛ wyróz˙nia sie˛ róz˙ne rodzaje laserów, które daja˛ róz˙ne długos´ci fal
emitowanego ´swiatła.
4
Tak wi˛ec w zale˙zno´sci od o´srodka czynnego lasery podzieli´c mo˙zna na:
1. lasery gazowe:
Rysunek 3: Budowa lasera gazowego
- He − Ne helowo - neonowy (¸ = 543nm lub ¸ = 633nm),
- Ar argonowy (jonowy) (¸ = 458nm, 488nm, 514, 5nm),
- na dwutlenku w˛egla,
- na tlenku w˛egla.
Os´rodkiem czynnym laserów gazowych jest gaz. Pompowane sa˛ one poprzez
wyładowania elektryczne. W czasie trwania akcji laserowej wyładowanie
stale podtrzymuje ró˙znic˛e obsadze´n, dzi˛eki czmu uzyskuje si˛e akcj˛e
laserowa˛ o działaniu cia˛głym.
2. lasery na ciele stałym:
Rysunek 4: Budowa lasera na ciele stałym (laser rubinowy)
- rubinowy,
- neodymowy na szkle,
- neodymowy na YAG - u (granat itrowo - aluminiowy; szyuczny kryształ)
(Nd : Y AG),
5
- erbowy na YAG - u (¸ = 1645nm) (Er : Y AG),
- tulowy na YAG - u (¸ = 2015nm) (Tm : Y AG),
- holmowy na YAG - u (¸ = 2090nm) (Ho : Y AG),
- tytanowy na szafirze (Ti : szafir).
W laserze rubinowym substancja˛ czynna˛ jest kryształ korundu z domiszka
˛ jonów chromu ukształtowany w walec o s´rednicy około 1cm i długos´ci
kilkunastu centymetrów. Pompowanie optyczne odbywa si˛e poprzez boczne
powierzchnie przy pomocy błysków lampy fleszowej. Intensywny błysk
´swiatła wzbudza niektóre atomy kryształu rubinu do wy˙zszego stanu energetycznego.
Atomy te, powracaja˛c do stanu podstawowego, emituja˛ fotony,
które naste˛pnie pobudzaja˛ inne atomy do wysłania identycznych fotonów ,
co w efekcie prowadzi do gwałtownego wzrostu liczby fotonów. Powstałe
fotony odbijaja˛ sie˛ wielokrotnie od zwierciadeł po obu stronach rezonatora
optycznego, zwie˛kszaja˛c tym samym prawdopodobien´stwo wzbudzenia kolejnych
atomów. Naste˛pnie wyemitowane fotony opuszczaja˛ układ optyczny
przez jedno, cze˛s´ciowo przepuszczalne, zwierciadło daja˛c koherentna˛
wia˛zke˛ s´wiatła laserowego. Lasery rubinowe pracuja˛ impulsowo, emituja˛c
´swiatło czerwone, o długo´sci fali równej 694.3nm. W dzisiejszych czasach
powyz˙ej przedstawione lasery maja˛ raczej znaczenie historyczne.
3. lasery na cieczy:
- barwnikowe - os´rodkiem czynnym sa˛ barwniki rozpuszczone w nieaktywnym
o´srodku prze´zroczystym
Lasery barwnikowe sa˛ laserami o pracy cia˛głej lub impulsowej. Jego os´rodkiem
czynnym jest roztwór barwnika w stanie ciekłym, stałym lub w postaci
pary. Barwniki sa˛ bardzo skomplikowanymi zwia˛zkami organicznymi, które
bardzo mocno pochłaniaja˛ s´wiatło w obszarze widzialnym. Lasery takie
umoz˙liwiaja˛ cia˛gła˛ zmiane˛ długos´ci fali w zakresie od 0.4 do 0.8μm lub
od bliskiej podczerwieni do bliskiego ultrafioletu. Zakres ten zale˙zy oczywi
´scie o stosowania ró˙znego rodzaju barwników. Najcz˛e´sciej stosowane z
nich to: fluorosceina, radomina G6 i rodamina B. Lasery barwnikowe sa˛
pompowane lampa˛ błyskowa˛, laserem YAG lub laserem azotowym o błysku
krótkim i szybko narastaja˛cym impulsie.
4. lasery półprzewodnikowe:
- zła˛czowe
– na materiale obj˛eto´sciowym,
6
– na studniach kwantowych,
– na kropkach kwantowych
Lasery na kropkach kwantowych sa˛ urza˛dzeniami stosunkowo nowymi.
W porównaniu jednak z innymi laserami półprzewodnikowymi
odznaczaja˛ sie˛ o wiele lepszymi parametrami sprawnos´ciowymi. Moga
˛ tez˙ w odróz˙nieniu od laserów opartych na studniach kwantowych
czy litych półprzewodnikach pracowa´c w bardzo wysokich temperaturach.
Moga˛ byc´ takz˙e łatwo i w dos´c´ szerokim zakresie przestrajane
przez umieszczenie ich w odpowiednim polu magnetycznym.
- bezzła˛czowe
– kwantowy laser kaskadowy
W laserach półprzewodnikowych pompowanie odbywa sie˛ poprzez cia˛gły
przepływ no´sników (zarówno dziur jak elektronów). Dodatkowo w laserach
półprzewodnikowych obszary n i p wokół obszaru aktywnego domieszkowane
sa˛ dodatkowo Al, w celu uzyskania warstw odbijaja˛cych promienie
wyemitowane spontanicznie. Akcje˛ laserowa˛ otrzymuje sie˛ w tego typu laserach
wtedy, gdy zwie˛kszy sie˛ pra˛d diody powyz˙ej pewnego pra˛du progowego
(250 mA).
7
Warunki akcji laserowej
Moz˙na oczekiwac´, z˙e fotony rozchodza˛ce sie˛ wzdłuz˙ osi lasera maja˛ najwie˛kszy
wkład w procesy laserowe. Stwierdza si˛e to na podstawie tego, ˙ze te wła´snie
fotony maja˛ najwie˛ksze szanse na wymuszenie emisji we wzbudzonych atomach.
W celu wyprowadzenia warunku akcji laserowej oznacza si˛e liczb˛e takich fotonów
przez n i ustala, jak liczba ta zmienia si˛e w czasie. Wiadomo, ˙ze liczba fotonów
wzrasta w wyniku emisji wymuszonej. Według Einsteina szybko´s´c wzrostu
liczby fotonów jest proporcjonalna do liczby atomów w stanie wzbudzonym N2
i do liczby fotonów n. Jest ona równie˙z proporcjonalna do prawdopodobie´nstwa
przejs´cia w jednostce czasu W. Oczywiste jest, z˙e atomy znajduja˛ce sie˛ w niz˙-
szym stanie danego przejs´cia moga˛ absorbowac´ fotony. Prowadzi to do zmniejszenia
liczby fotonów o WN1n (gdzie N1 jest liczba˛ atomów w dolnym stanie).
Szybko´s´c emisji spontanicznej jest niezale˙zna od ilo´sci fotonów, jest natomiast
proporcjonalna do liczby atomów w stanie wzbudzonym WN2. Ilo´s´c fotonów
zmniejsza si˛e tak˙ze w wyniku przej´s´c fotonów poza zwierciadła oraz rozpraszania.
Szybkos´c´ takich strat jest proporcjonalna do liczby fotonów n. Przyjmuja˛c, z˙e
czas z˙ycia fotonu w laserze to t0, to szybkos´c´ zachodza˛cych strat fotonów równa
si˛e −n
t0
.
Korzystaja˛c z powyz˙szych informacji otrzymuje sie˛ równanie:
dn
dt
= W(N2 − N1)n +WN2 −
n
t0
(1)
Wykorzystuja˛c idee˛ fotonu, Einstein wyprowadzja˛c wzór Plancka wykazał, z˙e W
mo˙zna wyrazi´c równaniem:
W =
1
V D(º)¢º¿
(2)
w którym V okres´la obje˛tos´c´ os´rodka czynnego, ¢º jest szerokos´cia˛ linii przej-
´scia elektronowego pomie˛edzy poziomami 2 i 1 w atomie, ¿ jest czasem ˙zycia
poziomu 2, D(º)¢º jest liczba˛ fal stoja˛cych w jednostce obje˛tos´ci w przedziale
cz˛esto´sci º...º + ¢º. D(º) dane jest wprost wzorem:
D(º) = 8¼
º2
c3 (3)
gdzie º jest cze˛stos´cia˛ przejs´cia w atomie. Jak wiadomo, aby mogło dojs´c´ do akcji
laserowej nale˙zy doprowadzi´c do "lawiny" fotonów. Oznacza to, ˙ze w równaniu
(1) waz˙ne sa˛ tylko te wyrazy, które zalez˙a˛ od n. Ponadto stwierdzono, z˙e czynnik
WN2 z tego samego równania, nie jest zwia˛zany z rzeczywistym promieniowaniem
laserowym i prowadzi do szumów. Zatem przy wyprowadzaniu warunku na
8
akcje˛ laserowa˛ opuszcza sie˛ wyraz WN2. Warunek ten otrzymuje sie˛ z˙a˛daja˛c by
szybko´s´c generacji fotonów była wi˛eksza od zera:
dn
dt
= W(N2 − N1)n −
n
t0
> 0 (4)
Poniewa˙z z zało˙zenia liczba fotonów jest zawsze ró˙zna od zera, wiéc powy˙zsza
nierówno´s´c prowadzi bezpo´srednio do inwersji obsadze´n:
N2 − N1
V
>
8¼º2¢º¿
c3t0
(5)
Zale˙zno´s´c (5) jest warunkiem rozpocz˛ecia akcji laserowej. Do zainicjowania akcji
laserowej nale˙zy, poprzez pompowanie, zgromadzi´c tyle atomów w stanie wzbudzonym
˙zeby ró˙znica g˛esto´sci obsadze´n (N2−N1)
V spełniała warunek (5). Warunek
powy˙zszy jest tym trudniej spełni´c im wy˙zsza jest cz˛esto´s´c laserowa º. Ponadto
czas ˙zycia fotonów w laserze t0 powinien by´c mo˙zliwie jak najdłu˙zszy.
9
Zastosowanie laserów
W obecnych czasach technologia laserowa ma bardzo du˙ze zastosowanie w
ró˙znych dziedzinach ˙zycia. Wymieni´c mo˙zna tu mi˛edzy innymi:
1. Telekomunikacja
Kable s´wiatłowodowe, przewodza˛ce sygnały w formie impulsów s´wietlnych
o róz˙nej intensywnos´ci, przenosza˛ wielokrotnie wie˛cej informacji, niz˙
tradycyjne miedziane kable telefoniczne. W ´swiatłowodowych sieciach telekomunikacyjnych
pojedyncze włókno mo˙ze równocze˙snie przesyła´c tysia
˛ce rozmów telefonicznych.
2. Medycyna
We współczesnej medycynie znalazło zastosowanie wiele, ró˙znego rodzaju,
urza˛dzen´ laserowych. Stosowane sa˛ one mie˛dzy innymi w okulistyce, dermatologii,
laryngologii i chirurgii. Zaleta˛ lasera akurat w tej dziedzinie jest
to, z˙e cie˛cia laserowe nie powoduja˛ obfitych krwawien´, natomiast krwawienia
pooperacyjne sa˛ bardzo ograniczone, ze wzgle˛du na to, z˙e ciepło wydzielane
przez laser w czasie jego działania zgrzewa przecinane naczynia
krwiono´sne.
3. Przemysł
Wprzemys´le mikroelektronicznym lsery stosowane sa˛do precyzyjnego cie˛-
cia, do mikroobróbki, wiercenia niezwykle małych otworów i usuwania
bardzo cienkich warstw materiału - czyli do zada´n niemo˙zliwych do wykonania
przy uz˙yciu innych urza˛dzen´. Lasery tna˛ z˙elazo i stal, topia˛c metal.
Energia lasera jest tak skoncentrowana, ˙ze stopiona zostaje jedynie bardzo
cienka warstwa materiału. Przy spawaniu laserowym wia˛zka s´wietlna wytwarza
tak duz˙a˛ ilos´c´ ciepła, z˙e metal spoiny zostaje stopiony, a jej brzegi
poła˛czone.
4. Pomiary
Geodeci uz˙ywaja˛ przyrza˛dów zwanych dalmierzami laserowymi do bardzo
dokładnych pomiarów odległo´sci (od kilku metrów do 3 kilometrów).
Wia˛zka dalmierza laserowego jest kierowana na odbijaja˛cy cel. Gdy trafia
na niego zostaje odbita z powrotem do urza˛dzenia. Urza˛dzenie rejestruje
czas jaki upłyna˛ł od wysłania impulsu s´wietlnego do jego odbioru i oblicza
na podstawie tego odległo´s´c do celu.
5. Badania naukowe
Urza˛dzenia laserowe stosowane sa˛ przez naukowców do wielu celów. Mie˛-
dzy innymi dzie˛ki takim urza˛dzeniom okres´lic´ moz˙na skaz˙enie atmosfery.
10
Stwierdza si˛e je na podstawie analizy pochłaniania ´swiatła o ró˙znych długo
s´ciach fali poprzez chemikalia zawarte w powietrzu. Astrofizycy uz˙ywaja˛
bardzo krótkich impulsów lasera wielkiej mocy do symulowania warunków
panuja˛cych wewna˛trz gwiazd.
6. Wojsko
7. Urza˛dzenia elektroniczne
i wiele, wiele innych.

Spis rysunków
1 Schemat budowy lasera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2 Schematyczne przedstawienie procesu pompowania: a) atom dwupoziomowy,
b) atom trójpoziomowy ( przej´scia optyczne: 2 -> 1 i
1 -> 0 ), c) atom czteropoziomowy ( przej´scie 2 -> 1 ) . . . . . . . 3
3 Budowa lasera gazowego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
4 Budowa lasera na ciele stałym (laser rubinowy) . . . . . . . . . . 5
13

RYSUNKI SKOPIUJ Z TEJ STRONY U GÓRY MASZ SPIS. oGÓLNIE WSZYSTKO POTRZEBNE SKOPIOWAŁAM ŻEBY CI BYŁO ŁATWIEJ. DUŻO INFO I PORZYDATNE! POZDRAWIAM -~~BR'~~

http://pin.if.uz.zgora.pl/~gnegon/lasery.pdf
2010-02-05T00:38:12+01:00
Chodzi Ci o gramofon laserowy?

Gramofon laserowy służy do odtwarzania płyt winylowych które opierają się na zapisie mechanicznym,czyli wyrytych rowków w ścieżkach na płycie.Normalnie w gramofonie znajduje się igła która fizycznie dotykając płyty pozwala odczytać płytę.A w laserowym adapterze stosuje się zamiast igły promień lasera.Jest to znaczna zaleta bo wtedy odczytywana płyta nie zużywa się,nie ma igły która dotyka płyty.gramofon laserowy głównie stosuje sie do robienia profesjonalnych kopii płyt winylowych bo laser pozwala odczytać nawet dość zużyte i brudne płyty winylowe oraz dokłasniej czyta płytę.Schematu nie narysuję bo nie miałem okazji takiego sprzętu rozbierać.Wiadomo w jego budowie będzie głowica laserowa,jakis silnik napędzający płytę,jakieś układy tym sterujące.a płytę przeważnie wkłada się nie od góry tylko na taką szufladkę ,podobnie jak w odtwarzaczach cd