Ласер

Ласер (акроним од енгл. Лигхт Амплифицатион бy Стимулатед Емиссион оф Радиатион: појачање свјетлости с помоћу стимулиране емисије зрачења) је уређај за стварање и појачавање кохерентног електромагнетског, најчешће монокроматског, уско усмјереног зрачења. Оснива се на квантним појавама при пријеносу енергије зрачењем. Измјена енергије зрачења с атомима или молекулама активнога медија у ласеру (плин, кристал, плазма), умјесто апсорпцијом и спонтаном емисијом зрачења, одвија се стимулираном емисијом. То се збива када се на атом или молекулу у побуђеном стању, то јест у стању у којем су електрони на вишој енергетској разини, дјелује додатним извором енергије (на примјер бијелом свјетлошћу или електромагнетским пољем). Тиме број атома у побуђеном стању Н₂ постаје већи од броја атома у непобуђеном стању Н₁, што се назива инверзија напучености или инверзија популације. За пријелаз у побуђено стање физикално је неважно којим је путем и начином доведена енергија, док код пријелаза из побуђеног у непобуђено стање настаје квантни скок, то јест емисија фотона којима енергија одговара разлици енергетских разина. Опћенито вриједи Болтзманнов закон:

N_{2}=N_{1}\cdot e^{-h\cdot \upsilon /k\cdot T}

гдје је: х - Планцкова константа, ν - фреквенција, к - Болтзманнова константа, Т - термодинамичка температура.

Увјет је за стимулирану емисију, односно за рад ласера, је већи број атома у побуђеном стању од броја атома у непобуђеном стању, Н₂ > Н₁. Ласерски добивени фотони имају једнак смјер, фреквенцију (због међудјеловања атома у ласеру фреквенције фотона нису потпуно једнаке, фреквенцијски је опсег је мањи од 1 кХз), поларизацију и енергију. Тиме се добива монокроматско електромагнетско зрачење ускога паралелног снопа практички идентичних фотона и велике густоће енергије по ширини спектралне линије. ^[1] То значи да за разлику од свјетлости коју емитирају уобичајени извори, као што су жаруље, ласерска је свјетлост редовито готово монокроматична, то јест само једне валне дуљине (боје) и усмјерена је у уском снопу. Сноп је кохерентан, што значи да су електромагнетски валови међусобно у истој фази и шире се у истом смјеру.

Повијест

Схема ласера:
1: ласерски медиј;
2: енергија за побуђивање медија;
3: 100% рефлектирајуће зрцало;
4: 99% рефлектирајуће зрцало;
5: ласерска зрака.

Индуцирану стимулирану емисију предвидио је у својим радовима већ 1917. А. Еинстеин. Такву емисију у видљивом подручју теоријски су обрадили А. L. Сцхаwлоw, C. Х. Тоwнес и А. M. Прохоров 1958., а Т. Х. Маиман конструирао је 1960. први ласер којему је активна твар био кристал рубина стимулиран бијелом свјетлошћу. Први плински ласер, са смјесом хелија и неона, био је конструиран 1961., први полуводички 1962., а први текућински 1963.

Начин рада

Ласерска зрака се производи појавом стимулиране емисије. Као први увјет емисије фотона је Бохров увјет: ласерски медиј мора садржавати енергијске разине чија енергија (разлика енергија) одговара енергији емитираних фотона. Други увјет је да већина атома (или молекула) буде у побуђеном стању. Морамо имати на уму да се у ласерском медију могу догађати различити процеси међудјеловања електромагнетског зрачења и материје: највише долазе до изражаја апсорпција и спонтана емисија зрачења. Ако доведемо дио атома (или молекула) ласерског медија у побуђено стање, они ће емитирати фотоне спонтаном емисијом. Ти фотони се даље могу апсорбирати на непобуђеним атомима, или изазвати стимулирану емисију на преосталим побуђеним атомима. Ласерска зрака се може произвести једино ако стимулирана емисија доминира над апсорпцијом и спонтаном емисијом зрачења. То се постиже инверзијом напучености (инверзијом популације) атома у ласерском медију: број атома у побуђеном стању мора бити већи од броја атома у основном стању.

Инверзија напучености се може постићи само у посебним случајевима, па се само ријетке твари могу искористити као ласерски медији. Инверзија напучености се може постићи ако у суставу постоји метастабилно стање. Метастабилно стање је побуђено стање у којем се атом (или молекула) задржава пуно дуље него у нормалним побуђеним стањима. У ласерском медију мора постојати још барем једно побуђено стање, што с основним стањем чини сустав од три енергијске разине - троступањски ласер. У ласерском суставу с три разине, атоми (молекуле) се одређеним начином побуђују у побуђено стање. Побуђено стање, траје врло кратко и брзо се спушта (релаксира) у нешто ниже метастабилно стање. Атоми (молекуле) се не могу брзо релаксирати у основно стање, па ласерским медијем почињу доминирати атоми у метастабилном стању. Инверзија напучености се постиже између метастабилног и основног стања, па се ласерско дјеловање постиже пријелазом између та два стања. Побуђено стање које се користи за популирање метастабилног стања не мора бити једно стање, већ се може користити низ енергијских стања.

Постоје и ласери који раде на принципу четири разине – четвероступањски ласер. Метастабилно стање се напучује на исти начин као и код троступањског ласера, али инверзија напучености се постиже између метастабилног и другог побуђеног стања ниже енергије. Како се нисколежеће побуђено стање брзо релаксира и остаје празно, инверзија популације је зајамчена чак и ако је побуђен релативно мали број атома у ласерском медију.

За рад ласера је важна инверзија напучености. Повишењем температуре побуђена стања се почињу популирати, што може нарушити инверзију популације. Загријавањем није могуће постићи инверзију популације. Због тога је ласере често потребно хладити.

Ласерски медиј је смјештен између два паралелна зрцала, тако да зраке свјетла које пролазе између два зрцала творе стојни вал. Простор између два зрцала се назива и ласерска шупљина, резонантна шупљина или резонатор, по аналогији са шупљинама које се користе у акустици приликом рада са звучним валовима. Фотони који настају спонтаном емисијом у ласерском медију емитирају се у свим смјеровима, али само они који су емитирани у смјеру зрцала ће се рефлектирати између та два зрцала и бити заробљени у ласерској шупљини. Ти фотони, који велики број пута пролазе кроз ласерски медиј, ће изазивати стимулирану емисију, приликом проласка близу атома у метастабилним стањима у ласерском медију. Стимулираном емисијом настају скупине фотона који су у истом квантном стању. Такви фотони имају исту валну дуљину, смјер и усмјерење и понашају се као један фотон. Једно од два зрцала се обично направе тако да нису 100% рефлектирајућа већ пропуштају одређену количину свјетла (обично мање од 1%), па кохерентни фотони могу изаћи из ласерске шупљине. Како се сви понашају као један, изаћи ће или сви (у скупини) или ниједан. На тај начин ласерска зрака садржи скупине кохерентних фотона, што јој даје велики интензитет. (Види: Грађа ласера)

Ласерска зрака је један од ријетких примјера приказа квантне механике у макроскопским суставима: у квантној механици разликују се двије врсте честица: Ферми-Дирацове честице – фермиони и Босе-Еинстеинове честице – босони. Фотони се понашају као босони. Фермиони не могу бити у истом квантном стању, док босони то могу. Штовише, што је више босона у истом квантном стању, већ је вјеројатност да ће им се придружити још њих.

Подјела ласера

По начину рада разликују се неутрални атомски ласери, код којих спектрални пријелази настају на неутралним атомима, ионски ласери, код којих се користе спектрални пријелази на ионизираним атомима плина, плински молекуларни ласери, који раде у подручју молекуларнога спектра, ласери с Блумлеиновом побудом, код којих се на ласерски плин дјелује избојем плочастога кондензатора и тиме добива импулсно електромагнетско зрачење, плинско-динамички ласери, код којих инверзија популације настаје експанзијом врућега плина или плазме кроз млазницу брзином већом од брзине звука и друго. По врсти оптички активне твари ласери се дијеле на плинске, текућинске, полуводичке и опћенито ласере с чврстим тварима, на примјер стакло, природни или умјетни кристали. Данас ласери покривају валне дуљине зрачења од далекога ултраљубичастога па све до далеког инфрацрвенога подручја, а ради се и на конструкцији ласера у подручју рендгенскога зрачења. Посебна су врста кемијски ласери, код којих се инверзија популације постиже изравно или неизравно за вријеме егзотермне кемијске реакције. Постоје и ласери (на примјер с титанијем допираним кристалом сафира као активним медијем) који могу континуирано мијењати валну дуљину од 700 до 1000 нм, што се користи у ласерској спектроскопији. Осим ласера који зраче континуирано, конструирани су и ласери који зраче у кратким импулсима трајања од 10^–16 до 10^–9 секунди, и тиме врло велике снаге од неколико петавата (10¹⁵ W) у пулсу.

Пулсни ласери

Умјесто једног непропусног, и једног слабо пропусног зрцала, могуће је користити потпуно непрозирна зрцала, од којих се једно периодички помиче изван оптичког пута ласера. Када је зрцало на свом мјесту, оно заробљава ласерску зраку унутар резонатора, гдје се она појачава захваљујући стимулираној емисији зрачења. Када се зрцало уклони, из ласера излази кратки пулс интензивног ласерског зрачења. Пулсеви се код ласера могу произвести и стављањем одређеног бојила у резонатор. Бојила апсорбирају зрачење захваљујући апсорпцији зрачења при чему се молекуле бојила побуђују у побуђено стање. Када су све молекуле побуђене, више не могу апсорбирати, па пропуштају зрачење. На тај начин се спријечава пролазак фотона кроз ласерску цијев, док се успостави потпуна (или готово потпуна) инверзија напучености у ласерском медију. Ласерски медиј се на тај начин пуни енергијом до тренутка када бојило постаје прозирно. У том тренутку се енергија похрањена у ласерском медију претвара у ласерску зраку. Ови начини производње ласерских пулсева се називају Q-прекидање (енг. Q-сwитцхинг).

Ако се резонатор пажљиво изради, могуће је у резонатору заробити одређени број валних дуљина ласерског зрачења. У том случају, ласер ће почети пулсирати у врло кратким пулсевима – чак и у трајању од око једне фемтосекунде (у једној секунди има толико фемтосекунди, колико има секунди у 30 000 година). Пулсни ласери могу постићи јако велике снаге у појединим пулсевима, иако је просјечна снага ласера релативно мала. Данас се могу направити ласери који одашиљу 20 - 50 пулсева у секунди, а поједини пулсеви трају око једне фемтосекунде. То значи да ће се енергија, која би се ослободила тијеком једне секунде, ослободити у двадесетак врло кратких пулсева.

Ласери с чврстом језгром

Ласери с чврстом језгром имају језгру, направљену од кристала или аморфне твари, често у облику штапића. Зрцала могу бити танки слојеви сребра напарени на крајеве штапића. На тај начин штапић чини ласерску шупљину. Побуђивање атома од којег се састоји језгра се обично проводи неким снажним извором свјетла. У ту сврху се често користе ксенонске бљескалице, а у новије вријеме ЛЕД диоде, или полуводички ласери, чиме се повећава енергетска учинковитост ласера. Први ласер који је давао видљиву свјетлост је био рубински ласер. Рубински ласер користи штапић од рубина као ласерску језгру. Рубински ласер даје црвену свјетлост валне дуљине 694,3 нм. Данас се често користи Нд:YАГ ласер, који се састоји од штапића итриј-алумијевог граната (YАГ), допираног атомима неодимија. Нд:YАГ даје инфрацрвено зрачење.

Плински ласери

Плински ласери имају ласерски медиј у плиновитом стању. Плински ласери се обично састоје од цијеви испуњене плином или смјесом плинова, под одређеним тлаком. Крајеви цијеви опремљени су зрцалима како би творили ласерску шупљину. Побуђивање атома плина се обавља електричним пражњењима кроз плин у цијеви. Плински ласери се често хладе струјањем плина кроз цијев. Најчешће кориштени плински ласери су: Хе-Не ласер (хелиј-неон), аргонски ласер или ЦО2 ласер.

Полуводички ласери

Полуводички ласер или диодни ласер представља сићушни кристал, произведен атомском тоћношћу, подјељен у два основна подручја, с различитим електричним својствима. На такозваној н-страни вишак електрона представља носиоце струје. На такозваној п-страни превладавају шупљине које представљају недостатак електрона. Кад се на п-страну примијени позитиван напон, а на н-страну негативан, електрони и празнине потекну једни према другима. Честице се сретну у ултратанком простору који се назива квантна јама, гдје се рекомбинирају при чему долази до емисије фотона. Ако су крајеви диоде уједно и високорефлектирајућа зрцала долази до ласерског учинка, емитирања истоврсних кохерентних фотона. Енергија фотона (боја свјетлости) одређена је својствима полуводичког споја, износом енергијског расцјепа (енгл. Банд-гап)^[2] . Нпр. за ГаАс ласере тај енергијски расцјеп износи 1,45 еВ, што одговара емисији фотона валне дуљине 885 нм. Плави ласер је појам (синтагма) који означава полуводичке ласере у подручју 400 - 450 нм, а чије би остварење представљало значајан напредак у развоју ласерских дисплеја и повећању капацитета оптичких меморија.

Кемијски ласери

Одређене кемијске реакције могу произвести молекуле у побуђеном стању. Кемијски ласери користе такве реакције како би се постигла инверзија напучености. Примјер је флуороводични ласер који користи реакцију водика и флуора, за производњу флуороводика у побуђеном стању. Ласерска зрака настаје у реакцијској комори, у коју стално дотичу реактанти, а продукти излазе ван. На тај начин је постигнута инверзија напучености, јер је у реакцијској комори стално присутно више побуђених молекула од оних у основном стању. Овакви ласери могу постићи јако велику снагу у континуираном моду.

Једна врста кемијских ласера користи ексцимере. Ексцимер је молекула која је стабилна само у побуђеном стању. Ласер се састоји од смјесе плинова кроз које се нарине високи напон, слично као код плинских ласера. Електрична струја ствара мноштво иона и побуђених атома у ласерској шупљини, који могу реагирати и створити ексцимер. Након што ексцимер доживи ласерски пријелаз, он се распада јер не може постојати у основном стању. То је и разлог инверзије напучености у овом ласерском медију.

Ласери с бојилима

Ласери с бојилима користе одређене органске спојеве, који служе као активни ласерски медиј. Молекуле, за разлику од атома имају врпчасте спектре, који се састоје од много спектралних линија. Код ових спојева, енергијским нивоима се може манипулирати (електричним пољем, магнетским пољем, температуром). На тај начин је могуће угодити ласер на одређену валну дуљину. Побуда молекула се обавља помоћу неког другог ласера.

Ласери са слободним електронима

Ласери са слободним електронима користе сноп релативистичких електрона који пролази кроз магнетско поље које наизмјенично мијења смјер дуж пута електрона. У нормалним околностима, релативистички електрони, који пролазе кроз магнетско поље емитирају синкротронско зрачење. Код ласера са слободним електронима, пут који електрони пролазе између наизмјеничо постављених магнета се ставља у ласерску шупљину, тако да фотони, који су ухваћени између зрцала, изазивају стимулирану емисију слободних електрона у магнетском пољу, као и код електрона у побуђеним атомима. Ласери са слободним електронима се могу угађати промјеном густоће распореда магнета, јакости њиховог магнетског поља и промјеном енергије електрона. Тако се могу се направити и ласери са слободним електронима који раде на валним дуљинама које су недоступне класичним ласерима, јер не постоји погодан ласерски медиј који би могао произвести задану валну дуљину. Могуће је направити и ласер с јако дугачком ласерском шупљином, без зрцала, чији фотони онда не би требали пролазити велики број пута дуж оптичког пута ласера, већ би прошли само једанпут. Такав ласер се назива суперрадијантни ласер. Данас се покушавају направити суперрадијантни ласери са слободним електронима, који би радили у спектралним подручјима, у којима не постоје зрцала којима би се то зрачење рефлектирало; на примјер у рендгенском подручју.

Примјене ласера

Примјер ласерског чишћења камена, детаљ са проповједаонице катедрале у Прату, Италија.

У технологији се ласер користи за фину обраду металних површина и за прецизно заваривање. У телекомуникацијама се користи модулирано ласерско зрачење за пријенос података. Притом се модулација може постићи промјеном амплитуде (интензитета) зрачења (што се најчешће користи због једноставности), промјеном фреквенције или промјеном поларизације зрачења. Пријенос је могућ изравним зрачењем или вођењем кроз свјетловоде (на примјер у телефонским водовима). У медицини ласер служи понајвише као кируршки инструмент за прецизне операције (на примјер ока) или дерматолошку обраду, уклањање површинских тумора или тетоваже, у стоматологији за обрадбу зуба, у метеорологији за мјерење удаљености и брзине гибања облака (лидар), у оптичкој астрономији у уређају за рачуналну корекцију деформације слике изазване атмосферским утјецајима, у холографији, за прецизне мјерне инструменте (на примјер даљиномјере), у грађевинарству за поравнање терена при градњи цеста, код протупровалних алармних уређаја, у оптичким читачима звучних записа код CD-а и ДВД-а, код ласерских писача и копирних уређаја и тако даље. Због ниске цијене, особито полуводичкога ласера, користи се на примјер и у дјечјим играчкама.

Посебно значење ласер има у војној индустрији, као дио даљиномјера, означивача циља, у телекомуникацијама и за стварање запречних поља. У најразвијенијим земљама (особито у САД-у) ради се на израдби штита од балистичких ракета који би се састојао од сателитâ на стационарним путањама опремљених ласерима велике снаге, који би могли уништити надолазеће ракете далеко од брањенога положаја. Такођер се у астронаутици разматра могућност израдбе свемирске летјелице с рефлектирајућим једром која би са Земље била убрзавана јаким ласерским снопом. За сада је израђен суперлаки зракоплов обложен фотоћелијама, којему електрични мотор покреће енергија предана ласерским снопом.

Ласери, због квалитете свјетла, које дају данас примјењују у готово свим људским дјелатностима. Ласери с крутом језгром (посебно Нд:YАГ) се користе за резање, бушење и заваривање. Због колимираности ласерске зраке, могуће је постићи велику прецизност приликом обраде материјала, па се често ласери користе у кирургији; нпр. могуће је ласером обрадити капилару у оку без оштећења околног ткива и било какве операције на оку. Ласерима се може лијечити и кратковидност и далековидност, обрадом очне леће. Ласерима се је могуће и спалити тинту на папиру, а оставити папир неоштећен. Стога се ласер данас у све већој мјери користи и за чишћење умјетничких дјела попут слика, скулптура од камена или метала^[3].

Због своје монокроматичности, ласери су искориштени и за нову дефиницију метра. Метар је прије био дефиниран преко валне дуљине спектралне линије у атомском спектру криптона. Показало се да ласери имају неуспоредиво оштрије спектралне линије од споменуте линије криптона, која је одабрана јер је то најоштрија позната спектрална линија у природи, а примјеном ласера, показало се да та линија није симетрична, па је настао проблем: који дио линије узети као дефиницију метра. Данас је метар редефиниран као удаљеност коју свјетлост пријеђе у ${\cfrac {1}{299792458}}$ секунди. Брзина свјетлости се мјери помоћу ласера: ласеру се одређеним методама одреди вална дуљина и фреквенција његовог зрачења. Њихов умножак даје брзину свјетлости (заправо је договорно узето да је брзина свјетлост једнака точно 299 792 458 м/с, а метар је дефиниран преко те вриједности и дефиниције секунде).

Ласери се употребљавају за означавање положаја на неком удаљеном мјесту, у мјеритељству, а чак и приликом предавања предавачи показују на плочу или платно ласерским показивачима. За ту сврху се користе полуводички ласери, јер су релативно јефтини. За прецизније намјене користе се плински ласери, јер полуводички ласери показују веће ширење зраке од осталих ласера. На тај начин измјерена је удаљеност од Земље до Мјесеца с прецизношћу од неколико милиметара! Астронаути из једне од мисија Аполло су поставили једно зрцало на површини Мјесеца. Знанственици су усмјерили ласер према том зрцалу и мјерили вријеме потребно ласерској зраци да са површине Земље дође до зрцала на површини Мјесеца и натраг. Приликом повратка за Земљу, ласерска зрака је имала промјер од око 2 км, што је углавном узроковано расипањем зраке у Земљиној атмосфери.

Ласери се користе у спектроскопији, као интензивни извори монокроматичног свјетла. Најчешће се користе: аргонски ласер у рамановој спектроскопији и ласери с бојилима у спектроскопији високог разлучивања. Хе-Не ласери се користе у Мицхаелсоновим интерферометрима, за прецизно мјерење положаја зрцала.

Пулсни ласери се користе за проучавање супер-брзих процеса. У фемтосекундној спектроскопији се на објект проучавања истовремено пошаљу двије ласерске зраке из пулсног ласера врло кратког пулса. Једна зрака се пошаље директно на узорак, а другој се повећа пут за неколико центиметара с помоћу згодно постављених зрцала. Та зрака ће закаснити за неколико фемтосекунди, јер је свјетлости потребно одређено вријеме да пријеђе тај пут. Прва ласерска зрака (енг. Пумп Пулсе) ће узроковати реакцију у узорку, а другом (енг. Пробе Пулсе) се може гледати што се у том тренутку догађа у узорку. Помицањем зрцала, могуће је контролирати кашњење друге ласерске зраке и на тај начин добити слику о процесу унутар узорка. На тај начин се истражују најбрже кемијске реакције у природи.

Јако велики ласери се користе за истраживања материје у увјетима екстремних тлакова и температура. Помоћу таквих ласера могуће је провести нуклеарну фузију на маленим количинама водика. Такви ласери су најчешће крути ласери са језгром направљеном од стакла у које су стављене одређене твари које служе као активни ласерски медиј.

Повезнице

Извори

↑ ласер, [1] "Хрватска енциклопедија", Лексикографски завод Мирослав Крлежа, www.енциклопедија.хр, 2016.
↑ „Доступно таласне дужине”. Ханел Пхотоницс. Приступљено Сеп 26, 2014.
↑ http://www.e-conservationline.com/content/view/912/311/ Архивирано 2013-01-02 на Wаyбацк Мацхине-у Приступ страници 2.01.2013.

Остало

У Wикимедијиној остави има још материјала везаних за: Ласери

[1] ласер, [1] "Хрватска енциклопедија", Лексикографски завод Мирослав Крлежа, www.енциклопедија.хр, 2016.

[2] „Доступно таласне дужине”. Ханел Пхотоницс. Приступљено Сеп 26, 2014.

[3] ttp://www.e-conservationline.com/content/view/912/311/ Архивирано 2013-01-02 на Wаyбацк Мацхине-у Приступ страници 2.01.2013.

[1]

[2]

[3]