Spójne światło na scenie - Lasery cz. II

PODZIAŁ LASERÓW

Lasery najczęściej dzieli się ze względu na to, jaki w ich konstrukcji wykorzystano ośrodek aktywny. Dzieje się tak, ponieważ molekuły, jony czy atomy wchodzące w skład takiego ośrodka aktywnego mają różne struktury energetyczne (czyli są w stanie emitować różne długości fali), bądź wykorzystują inne mechanizmy generacji promieniowania.

LASERY GAZOWE

W przypadku lasera gazowego ośrodek czynny stanowią mieszanki gazów, najczęściej szlachetnych. Najpopularniejszymi laserami są lasery helowo-neonowe oraz argonowe. Zasadę działania lasera gazowego opiszę na podstawie helowo-neonowego. W szklanej rurze, na której końcach znajdują się zwierciadła tworzące rezonator, umieszcza się mieszaninę helu i neonu. Jej skład i ciśnienie są tak dobrane, aby było możliwe wzbudzenie jarzeniowe, czyli za pomocą wyładowania elektrycznego (jak w świetlówce). W wyniku wyładowania wzbudzane są atomy helu, które następnie zderzają się z atomami neonu, dzięki czemu oddają im swoją energię. Proces ten prowadzi do powstania inwersji obsadzeń na poziomach energetycznych neonu. Właśnie z tych poziomów może dojść do procesu emisji wymuszonej, a zatem do akcji laserowej. Innym, bardzo często wykorzystywanym w medycynie typem lasera gazowego, jest laser na dwutlenku węgla. Jego ośrodkiem czynnym jest mieszanina dwutlenku węgla, azotu, wodoru i helu.

Ciekawym jest fakt, iż w tym przypadku nie dochodzi do przejść elektronów pomiędzy poszczególnymi poziomami energetycznymi, lecz poziomy laserowe odpowiadają energiom drgań cząsteczki dwutlenku węgla. Ponieważ różnice energii poziomów laserowych, wynikających z drgań cząsteczki, są zdecydowanie mniejsze niż w przypadku wcześniej opisywanych poziomów elektronowych - emitowane promieniowanie ma większą długość fali (9,4 μm lub 10,6 μm, podczas gdy przy przejściach między poziomami elektronowymi emitowane są długości fal rzędu nanometrów).

LASERY NA CIELE STAŁYM

W laserach na ciele stałym ośrodkiem aktywnym jest materiał krystaliczny lub szkło. Stanowią one "matrycę", do której dodaje się domieszki odpowiedzialne za powstanie odpowiedniej struktury energetycznej. Elementem pompującym są lampy łukowe, błyskowe lub diody laserowe. Przykładem ważnym z względów historycznych jest laser rubinowy. Był on pierwszym działającym typem lasera, skonstruowanym w 1960 roku przez Theodore’a Mainmana. Substancję czynną stanowi kryształ rubinu, ukształtowany w walec. Powierzchnie czołowe walca są dokładnie oszlifowane i przepuszczają światło do luster lub też są pokryte warstwą odbijającą i same stanowią lustra. Laser ten jest pompowany optycznie lampą ksenonową przez boczne powierzchnie.

LASERY PÓŁPRZEWODNIKOWE

Jean Michelle’a Jarre’a bardzo często używa harfy laserowej w swoich świetlno-dźwiękowych koncertach.

Jednak najciekawsze z punktu widzenia wielości zastosowań są lasery półprzewodnikowe. Powstały one niemal równocześnie w kilku laboratoriach na świecie. Ich zasada działania jest bardzo podobna do zasady działania diody elektroluminescencyjnej. Ośrodek czynny stanowi układ półprzewodników typu p oraz półprzewodników typu n. W miejscu ich zetknięcia tworzy się tzw. obszar zubożony, skąd nadmiarowe nośniki typu n przemieściły się do półprzewodnika typu p, a nadmiarowe nośniki typu p - do półprzewodnika typu n. Bardzo często stosuje się również złącza typu p-i-n, czyli standardowe złącze półprzewodnika typu p z półprzewodnikiem typu n, lecz między nimi umieszcza się jeszcze cienką warstwę izolatora.

Po podłączeniu napięcia do diody zostają wstrzyknięte elektrony, które rekombinując powodują emisję fotonu. Tego typu proces z reguły jest procesem spontanicznym - w takim przypadku mamy do czynienia z diodą LED. Chcąc uzyskać diodę laserową wykorzystuje się inne półprzewodniki, które tworzą strukturę energetyczną z tzw. "przerwą prostą".

Dziury i elektrony przez pewien bardzo krótki czas, zwany czasem rekombinacji, mogą z sobą sąsiadować nie rekombinując. Jeżeli w tym czasie elektron zostanie "trafiony" fotonem o energii równej różnicy energii między pasmem walencyjnym a pasmem przewodnictwa - zostanie on "zmuszony" do rekombinacji z dziurą, przy czym zostanie wyemitowany dodatkowy foton, identyczny z fotonem wymuszającym. W taki sposób otrzymywana jest emisja wymuszona - dokładnie jak w standardowym laserze. W tym przypadku również jest wymagany rezonator, najłatwiej można go otrzymać przez odpowiednie ukształtowanie diody oraz przez zeszlifowanie jej powierzchni czołowych, które dodatkowo pokrywane są warstwą odbijającą światło.

Ponieważ diody laserowe do poprawnego działania potrzebują niskiego napięcia,mają niewielkie rozmiary i mają stosunkowo dużą sprawność, znajdują coraz szersze zastosowanie w różnego rodzaju urządzeniach. Od napędów CD, przez telekomunikację, aż po lasery wykorzystywane w przemyśle rozrywkowym.

LASERY DO ZABAWY

Wprawdzie lasery najczęściej używane są w laboratoriach naukowych i medycynie, jednak znalazły również zastosowanie w przemyśle rozrywkowym. Najlepiej znanymi i najczęściej używanymi laserami w celach rozrywkowych są tak zwane skanery czy też projektory laserowe. To właśnie one tworzą niezapomniane wzory i efekty przestrzenne w dyskotekach czy na koncertach. Ich konstrukcja od strony sprzętowej nie jest zbyt skomplikowana. Używa się w nich, oprócz oczywiście źródła światła laserowego, ruchomych lusterek umieszczonych na galwanometrach, do których z kolei podłącza się napięcie. Lusterka są obracane zgodnie z wartością przyłożonego napięcia.

Dwa lusterka poruszające się w pionie i poziomie umożliwiają skierowanie wiązki w dowolny punkt w obszarze kwadratu lub prostokąta, o boku równym maksymalnemu zasięgowi położenia lusterka. Taki układ umożliwia projektantowi utworzenie bardzo skomplikowanych wzorów. Co więcej, jeżeli do pomieszczenia z laserem wpuści się dym można utworzyć płaszczyzny i stożki - czyli efekty trójwymiarowe. Oczywiście, najtrudniejszym staje się zmuszenie lusterek do poruszania się w taki sposób, aby tworzyły pożądane wzory. Istnieją do tego specjalne programy komputerowe.

Ponieważ oprogramowanie takiego lasera jest raczej skomplikowane, najczęściej sprzedawane są one z wbudowanymi oprogramowaniem, a co za tym idzie - efektami, których użytkownik sam nie jest w stanie zmienić. Innym, bardzo ciekawym zastosowaniem laserów na scenie jest tak zwana harfa laserowa. "Instrument" ten został szeroko rozpropagowany przez Jean Michelle’a Jarre’a. Bardzo często używa ich w swoich świetlno- dźwiękowych koncertach. Harfa laserowa jest urządzeniem, który właściwie symuluje prawdziwą harfę. Jednak zamiast strun publiczność widzi laserowe wiązki świetlne. Są one układane względem siebie równolegle lub rozbieżnie, tworząc coś w rodzaju wachlarza.

Ze względu na budowę rozróżnia się dwa rodzaje harfy laserowej - z ramą i bez ramy. Harfa laserowa z ramą ma prostszą, lecz mniej efektowną konstrukcję. W tym przypadku w dolnej lub górnej części ramy umieszczany jest zestaw laserów lub wiązka z jednego lasera. Po przeciwnej stronie montuje się czujniki (najczęściej fotodiody). Jeżeli ktokolwiek lub cokolwiek przerwie wiązkę światła, czujnik przekazuje o tym informację do syntezatora, który z kolei wydaje zaprogramowany dla danej "struny" dźwięk lub uruchamia inne wydarzenie. W tego typu urządzeniach najczęściej używa się czerwonych lub zielonych laserów niskiej mocy (ze względów bezpieczeństwa), dlatego koncerty odbywają się w nocy lub w całkowicie zaciemnionym pomieszczeniu. Ilość strun w zasadzie jest dowolna, zależy od możliwości stosowanego kontrolera i oprogramowania.

Każda struna może wywoływać zarówno dźwięk, jak i innego rodzaju wydarzenie. Na przykład za jej pośrednictwem można uruchamiać całe utwory, przełączać wysokość dźwięków lub zmieniać ustawienia całego urządzenia. Również ustawienia poszczególnych dźwięków, bądź wydarzeń, mogą się różnić - z jednej strony przerwanie wiązki może oznaczać uruchomienie dźwięku lub utworu, który będzie trwał określony przez programistę czas,z drugiej strony, co jest bardziej naturalne - dźwięk będzie trwał tylko tak długo, jak wiązka zostanie przerwana.

Możliwości jest naprawdę wiele. Oprócz harf w ramach buduje się harfy niczym nie ograniczone z góry. Sprawiają one wrażenie "nieskończonych". Są one zdecydowanie bardziej efektowne, ale również nieco bardziej skomplikowane. W ich konstrukcji również wykorzystuje się tylko jeden laser, którego wiązka jest formowana w zestaw strun na podobnej zasadzie, jak w przypadku wzorów wykonywanych za pomocą skanera laserowego. Jeżeli jedna ze strun zostanie przesłonięta, jej światło zostaje odbite i odebrane przez umieszczony w dolnej części harfy czujnik. Informacja o tym, która z wiązek jest blokowana, a zarazem który dźwięk ma być odtworzony przez syntezator, określana jest przez dopasowanie czasowe.

Harfy laserowe, ze względu na wyjątkową spektakularność, wzbudzają niezmiennie duże zainteresowanie. Dzięki temu powstają coraz to nowsze konstrukcje. Jedną z najnowszych jest harfa dwukolorowa - o strunach zielonych i czerwonych. Wiązki w obu kolorach są ustawione w taki sposób, że przesłonięcie jednej z zielonych powoduje odtworzenie dźwięku z gamy niższej, natomiast przesłonięcie czerwonej - odtworzenie dźwięku z gamy wyższej.

BEZPIECZEŃSTWO

Wprawdzie efekty generowane przez urządzenia laserowe są wyjątkowo piękne, cały czas należy pamiętać, iż emitowane przez nie promieniowanie może być niebezpieczne zarówno dla publiczności, jak i samego artysty. Niesamowite własności światła laserowego, niewielki przekrój wiązki oraz gęstość mocy promieniowania mogą być źródłem poważnych obrażeń. Już zwykły, niepozorny wskaźnik laserowy może uszkodzić ludzkie oko. Ponieważ światło laserowe tej samej mocy, lecz o różnych długościach fal może wywołać różne skutki podczas oddziaływania z tkanką biologiczną, lasery podzielono na klasy.

Zgodnie z Polską Normą PN-EN 60825-1:2005 lasery zostały podzielone na siedem klas bezpieczeństwa. Do pierwszej klasy należą lasery, które są bezpieczne przy zachowaniu racjonalnych warunków użytkowania. W takim przypadku należy przede wszystkim unikać świecenia takim urządzeniem w oczy, aczkolwiek nie powinny być niebezpieczne. Ostatnią klasę, 4, stanowią lasery o bardzo dużej mocy, których promieniowanie jest niebezpieczne nawet po odbiciu od jakiejkolwiek powierzchni. Każdy laser powinien być opatrzony etykietą informującą o klasie lasera. Tekst na takiej etykiecie powinien być czarny na żółtym tle. Pracując z laserami nigdy nie należy zapominać o odpowiednim poziomie bezpieczeństwa.

Rozwój współczesnej technologii laserowej zdaje się nie mieć końca. Powstają nowe i bardzo pomysłowe urządzenia. Inżynierowie głowią się nad nowymi konstrukcjami i ulepszeniami, umożliwiając projektantom oświetlenia realizację coraz ciekawszych koncepcji. Myślę, że z roku na rok będziemy świadkami powstawania na scenach coraz piękniejszych i niesamowitych efektów świetlnych. A to wszystko dzięki Einsteinowi.

autor: Małgorzata Wielgus