Gwiezdne wojny - Lasery cz. I

CO TO JEST LASER?

Prawdę powiedziawszy słowo "laser" powinno się pisać "LASER", czyli wielkimi literami, ponieważ jest ono skrótem od angielskiego sformułowania: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Co oznacza "wzmocnienie światła przez wymuszoną emisję promieniowania". W tej krótkiej formułce zawarto całe sedno zasady działania lasera. Otóż jest to urządzenie generujące bardzo specyficzną wiązkę światła, na drodze emisji wymuszonej. Emitowana przez laser wiązka ma ciekawe własności - jest monochromatyczna (lub o bardzo wąskim spektrum), co oznacza, że emitowane jest światło o jednej (teoretycznie) lub kilku bardzo zbliżonych do siebie długościach fal. Promieniowanie jest spójne w czasie i przestrzeni oraz charakteryzuje się wiązką o małej rozbieżności (wiązka równoległa). Żeby móc dokładnie wytłumaczyć cóż to oznacza, proponuję cofnąć się nieco w czasie.

TEORETYCZNE PODWALINY POWSTANIA LASERÓW

Prawdopodobnie nie będzie to dla nikogo zaskakujące - pierwsze informacje odnośnie emisji wymuszonej, jednego z warunków koniecznych zaistnienia akcji laserowej, podał Albert Einstein. Znano już wówczas pojęcie absorpcji fotonu przez materiał. Absorpcja spontaniczna polega na pochłonięciu fotonu o odpowiedniej energii (czyli długości fali, koloru) przez materiał laserujący (gaz, ciecz z barwnikiem, ciało stałe, półprzewodnik).

W tym przypadku musi być spełniony warunek równości energii - foton musi mieć energię równą różnicy energetycznej pomiędzy poziomami energetycznymi materiału. Zdecydowanie lepiej to widać na rysunku 1.

Elektrony atomów materiału mogą być w stanie podstawowym (mieć stosunkowo niską energię) lub wzbudzonym (przejmować na krótką chwilkę energię z zewnątrz, najczęściej fotonu). Jednak żeby móc przeskoczyć na wyższy poziom energetyczny, elektrony mogą pochłaniać wyłącznie porcje energii o określonej wartości, równej charakterystycznej dla danego materiału różnicy poziomów energetycznych.

Jeżeli na ośrodek gazowy świecimy światłem o szerokim spektrum (najlepiej białym) lub promieniowaniem ultrafioletowym, istnieje duże prawdopodobieństwo, że któraś grupa fotonów będzie pasowała. Wtedy taki foton jest pochłaniany, a elektron przeskakuje na wyższy poziom. Jest to zjawisko absorpcji spontanicznej. Ponieważ wszystko w przyrodzie dąży do tego, żeby mieć jak najniższą energię, elektron wróci na swój poziom podstawowy, emitując przy tym foton i realizując zjawisko odwrotne - emisji spontanicznej (rysunek 2).

Jest to najprostszy schemat oddziaływania światła z materią. Najczęściej jednak elektron wraca na poziom podstawowy, zatrzymując się na chwilkę na poziomach pośrednich, przez co emituje na przykład dwa fotony o energii mniejszej niż pierwotny foton wzbudzający. Bardzo często dzieje się tak, że jeden z fotonów emitowanych ma małą energię i nie jest już widzialny (podczerwień), jest on postrzegany przez człowieka jako ciepło - są to straty cieplne materiału.

Taką emisję nazywamy emisją niepromienistą. Drugi foton, wyemitowany z niższego poziomu, ma mniejszą energię niż materiał pochłonął. Proces ten na zewnątrz jest widoczny w następujący sposób: świecimy na materiał na przykład na zielono, światło to jest pochłaniane, materiał się grzeje (emisja fotonu o małej energii) i emituje światło na przykład żółte lub czerwone. Jeżeli tego nie uporządkujemy, nie uda nam się uzyskać lasera - nasze światło nie będzie ani monochromatyczne, ani spójne, a fotony emitowane są w losowych kierunkach. Na początku XX wieku Albert Einstein zadał sobie pytanie: co się stanie, jeżeli w już wzbudzony elektron uderzy się kolejnym, identycznym fotonem? Sytuacja taka ilustrowana jest przez rysunek 3.

 

Otóż okazuje się, iż po takim procesie elektron wraca do stanu podstawowego, emitując foton o tej samej energii (a więc również częstotliwości), fazie i polaryzacji, jak foton wywołujący emisję. Kierunek ruchu obu fotonów również jest ten sam. Światło złożone z takich identycznych fotonów nazywa się światłem spójnym. Opisane zjawisko stanowi tak zwaną emisję wymuszoną. Dzięki niej otrzymujemy promieniowanie monochromatyczne, spójne fazowo i przestrzennie, a foton wymuszający i wymuszony biegną w tym samym kierunku. Jest to pierwszy krok w uzyskaniu lasera.

Drugim warunkiem jest uzyskanie tak zwanej inwersji obsadzeń, czyli sytuacji, w której w danym materiale będzie się znajdowało więcej elektronów wzbudzonych, niż w stanie podstawowym. Bardzo często uzyskuje się to wykorzystując materiały, w których w akcji laserowej będą brały udział trzy specyficzne poziomy energetyczne. Sytuację tą przedstawia rysunek 4.

W tym schemacie foton pierwszy, o energii wyższej, wzbudza elektron na najwyższy stan energetyczny E3, po czym elektron bardzo szybko "schodzi" na poziom niższy - E2. W takich układach poziom E3 jest poziomem o krótkim czasie życia, czyli poziomem, na którym elektrony pozostają bardzo krótko, natomiast na poziomie E2 elektrony pozostają nieco dłużej (nawet kilka milisekund). Jest to tak zwany poziom metastabilny. Czas życia poziomu metastabilnego musi być wystarczająco długi, aby zaszło zjawisko inwersji obsadzeń. Jednak elektrony prędzej czy później wracają na stan podstawowy, emitując foton o energii równej różnicy między poziomem E2 a E1. Foton ten, uderzając w sąsiedni elektron znajdujący się na stanie metastabilnym, zainicjuje "lawinową" emisję wymuszoną. Teoretycznie wszystko jest jasne, ale jak to wykonać praktycznie?

BUDOWA LASERA

Aby móc uzyskać emisję wymuszoną oraz inwersję obsadzeń naukowcy i inżynierowie musieli skonstruować dość skomplikowany system optyczny. Składa się on głównie z: układu pompującego, rezonatora optycznego oraz ośrodka czynnego. W zależności od tego, z jakiego rodzaju laserem mamy do czynienia - czy to jest laser na ciele stałym, gazowy, na cieczy itd. - wykorzystuje się różne ośrodki czynne i układy pompujące. Tym razem zajmiemy się ogólnym opisem poszczególnych części; jakie typy ośrodków czynnych i układów pompujących są wykorzystywane w poszczególnych rodzajach laserów opiszę dokładniej w następnym artykule.

UKŁAD POMPUJĄCY

Zadaniem układu pompującego jest wprowadzenie energii do ośrodka czynnego (który będzie naszym materiałem laserującym), czyli przeniesienie elektronów z ich poziomów podstawowych do poziomów wzbudzonych. Układ ten musi być na tyle wydajny, aby wzbudzić jak najwięcej elektronów. Sposób pompowania zależy od wykorzystanej substancji czynnej.

Najczęściej wykorzystuje się:

• pompowanie przez lampę błyskową,
• pompowanie przez inny laser,
• pompowanie przez wyładowanie w gazie (jak w świetlówkach),
• pompowanie przez reakcję chemiczną.

OŚRODEK CZYNNY

Ośrodkiem czynnym może być zarówno ciało stałe (kryształ, na przykład rubin, który był wykorzystany w pierwszym laserze zbudowanym przez amerykańskiego fizyka Theodore’a Mainmana w 1960 roku), gaz, półprzewodnik lub ciecz. Warunkiem jest wykorzystanie materiału, w którego skład wchodzą pierwiastki dysponujące metastabilnymi poziomami energetycznymi. Niektóre mają poziomy metastabilne o czasie życia nawet kilka milisekund. Nie cały ośrodek czynny musi mieć takie właściwości - bardzo często przy produkcji ośrodków czynnych wykorzystuje się proces domieszkowania, czyli uzupełniania ciała stałego, gazu lub cieczy pierwiastkami mającymi poziomy metatrwałe. Najczęściej jako domieszki wykorzystuje się pierwiastki ziem rzadkich (lantanowce).

REZONATOR OPTYCZNY

Wprawdzie wzbudzony ośrodek czynny stanowi potencjalne źródło promieniowania laserowego, ale aby doszło do prawdziwej akcji laserowej, należy go umieścić w rezonatorze optycznym. Jego zadanie polega na stworzeniu tak zwanego dodatniego sprzężenia zwrotnego dla światła o określonej długości fali, propagującego w określonym kierunku. Długość rezonatora optycznego musi być równa całkowitej liczbie połówek długości fali wzmacnianego promieniowania. Natomiast sprzężenie zwrotne polega na możliwości wielokrotnego przepływu fotonów przez materiał laserujący. W ten sposób, dzięki wielokrotnej emisji wymuszonej, są one kaskadowo powielane. Dzięki temu laser emituje spójne światło w kierunku określonym przez twórcę.

Układ optyczny rezonatora składa się zazwyczaj z dwóch dokładnie wykonanych i odpowiednio ustawionych zwierciadeł. Dla określonego kierunku możliwe jest wielokrotne odbicie pomiędzy zwierciadłami i tylko fotony o takim kierunku mogą wielokrotnie przebiegać przez ośrodek czynny, powodując akcję laserową. Jeśli rezonator ma postać dwóch równoległych zwierciadeł płaskich, to emitowane światło może leżeć w dość szerokim przedziale częstotliwości, zależnym od charakterystyki ośrodka.

Aby dodatkowo określić tę częstotliwość z dużą precyzją stosuje się dodatkowe elementy układu optycznego, ograniczające możliwość wielokrotnego odbicia fal o długościach innych niż zadana. Aby emitowane światło laserowe mogło wydostać się poza rezonator (na zewnątrz lasera) przynajmniej jedno z luster powinno być częściowo przepuszczalne. W laserach impulsowych stosuje się często modulację czasową przepuszczalności luster, dzięki czemu cała energia wiązki zostaje uwolniona w chwili "otwarcia" lustra.

AKCJA LASEROWA

Poznaliśmy już podstawowe warunki akcji laserowej oraz budowę lasera, możemy przejść do przebiegu akcji laserowej. Został on schematycznie przedstawiony na rysunku 5. Zaczynamy w momencie, kiedy laser jest wyłączony. Wszystkie elektrony (atomy) ośrodka czynnego znajdują się w stanie podstawowym. Po włączeniu układu pompującego część atomów ulega wzbudzeniu na poziom energetyczny E3, skąd w wyniku emisji niepromienistej bardzo szybko przechodzą na stan metastabilny. Część elektronów (atomów) przebywających w stanie metastabilnym przechodzi na stan podstawowy - następuje emisja spontaniczna. Stanowią one dla naszego układu źródło fotonów wymuszających. Uderzają w pozostałe atomy znajdujące się w stanie metastabilnym. Jednak fotony powstałe w takiej emisji wymuszonej poruszają się w losowych kierunkach. W tym momencie bardzo duże znaczenie ma rezonator optyczny.

Zwierciadła ustawione dokładnie prostopadle w pożądanym kierunku emisji wiązki laserowej będą z powrotem odbijały do środka układu fotony poruszające się w pożądanym kierunku. I właśnie te ukierunkowane fotony będą wymuszały powstanie wiązki laserowej. Ponieważ jedno ze zwierciadeł jest półprzezroczyste, wypuści wiązkę laserową na zewnątrz. W taki sposób działa laser. Pozornie proces akcji laserowej wydaje się banalnie prosty. Jednak warto sobie uzmysłowić, iż powstanie współczesnych laserów było poprzedzone badaniami trwającymi dziesiątki lat. Jakie są ich wyniki oraz jakie powstały konstrukcje - o tym w następnym artykule.