Laserul şi aplicaţiile lui.pdf
Transcript of Laserul şi aplicaţiile lui.pdf
Lucrarea: LASERUL ŞI APLICAŢIILE LUI
Autor: Gabriela Păunescu
Anul apariţiei: 2010
ISBN 978-973-0-08215-9
2
CUPRINS
CUPRINS...............................................................3I. Introducere...........................................................5II. Natura luminii..................................................11III. Elemente de fizică cuantică............................17
1. Bazele experimentale ale mecanicii cuantice.......171.1 Radiaţia termică...................................................................................................181.2. Legea Kirchhoff..................................................................................................191.3. Legea Stefan-Boltzmann.....................................................................................201.4. Legea Wien.........................................................................................................201.5. Legea Rayleigh-Jeans.........................................................................................211.6. Legea Planck.......................................................................................................22
2. Natura corpusculară a radiaţiei termice..............232.1. Efectul fotoelectric..............................................................................................232.2. Efectul Compton.................................................................................................26
3. Aplicaţii - laseri......................................................273.1 Realizarea unei inversii de populaţie...................................................................303.2. Proprietăţile radiaţiei LASER............................................................................30
IV. Teoria laserului...............................................311. Introducere.............................................................312. Prezentare generală...............................................332.1. Formarea undei laser. Principiu de funcţionare..................................................332.2. Poate orice mediu activ cuantic să fie un mediu activ laser?..............................342.3 Condiţia de prag - condiţia laser..........................................................................41
V. Tipuri de laseri.................................................491. Clasificarea laserilor..............................................492. Laseri cu mediu activ solid....................................492.1. Laserul cu rubin..................................................................................................492.2. Laserul semiconductor........................................................................................54
3. Laserul cu gaz.........................................................603.1. Laserul cu Heliu-Neon (He-Ne)..........................................................................623.2. Laserul cu argon..................................................................................................673.3. Laserul cu dioxid de carbon (CO2).....................................................................693.4. Laserul cu excimeri.............................................................................................733. 5. Laserul cu microunde.........................................................................................77
4. Laserii cu lichid.....................................................775. Laserul cu raze X...................................................786. Laser cu plasmă......................................................787. Laser cu electroni liberi.........................................798. Laseri cu lumină extremă în România.................79
VI. Aplicaţii ale laserilor......................................821. Aplicaţiile militare ale laserilor şi protecţia laser821.1. Aplicaţii tactice...................................................................................................831.2. Aplicaţii strategice..............................................................................................84
3
2. Aplicaţiile laserilor în medicină............................853. Aplicaţiile laserilor în conservare şi restaurare. .864. Aplicaţii ale laserilor cu semiconductori..............895. \“Radarul\...............................................................906. Laserele tehnologice...............................................917. Laserul în cercetarea ştiinţifică............................928. Laserele şi calculatoarele.......................................92
BIBLIOGRAFIE...................................................95
4
Laserul şi aplicaţiile lui
I. Introducere
Cititoarele de coduri de bare, imprimantele laser, transmiterea informaţiei prin
fibra optică, CD-urile şi DVD-urile audio sau video, holografia, neurochirurgia şi
chirurgia oculară, obţinerea temperaturilor foarte înalte în camerele reactoarelor de
fuziune nucleară sau îndepărtarea tatuajelor nedorite – iată o listă impresionantă, dar nici
pe departe completă, a domeniilor şi aplicaţiilor care folosesc această invenţie
extraordinară a secolului al XX-lea: laserul. Rădăcinile tuturor acestor inovaţii
tehnologice se găsesc într-o lucrare publicată în 1917 de Albert Einstein pe tema teoriei
cuantice a radiaţiei electromagnetice: "On the quantum theory of radiation".
“Laser” este un acronim pentru Light Amplification by Stimulated Emission of
Radiation(Amplificarea luminii prin emisia stimulată de radiaţie).
Acest acronim desemnează orice dispozitiv care creează şi amplifică o rază de
lumină îngustă, de aceeaşi frecvenţă, concentrată şi ai cărei fotoni se deplasează coerent,
adică undele electromagnetice corespunzătoare lor au aceeaşi fază. Într-un dispozitiv
laser, atomii sau moleculele mediului activ – un cristal de rubin, un gaz sau chiar un
lichid - sunt excitaţi asfel încât majoritatea să se găsească într-o stare de energie
superioară celei de echilibru.
Lumina este o formă de radiaţie electromagnetică emisă când unii dintre electronii
care orbitează în jurul nucleului unui atom cedează o parte din energia lor sub forma
fotonilor. Electronii se pot afla, conform modelelor atomice din mecanica cuantică, în
anumite zone distincte localizate în jurul nucleului atomic şi emit energie (fotoni) atunci
când părăsesc o zonă (orbită) exterioară, de energie mai mare, revenind astfel la starea
naturală, de energie mai mică, pe o orbită inferioară. În prealabil atomii trebuie "excitaţi",
adică trebuie să îşi modifice starea naturală de echilibru din punct de vedere energetic,
fenomen care presupune saltul unor electroni pe orbite superioare şi care se întâmplă
atunci când o substanţă este încălzită (primeşte energie sub formă de căldură), când este
străbătută de un câmp electric intens sau când este bombardată cu un curent de electroni
liberi.
5
În funcţie de diferenţele de energie dintre orbitele electronilor, cu valori care
depind de substanţele folosite, variază şi lungimea de undă a radiaţiilor electromagnetice
emise de atomi. Fenomenul descris anterior este omniprezent. De la înroşirea rezistenţei
unui reşou (atomii excitaţi eliberează fotoni cu lungimea de undă specifică culorii roşu),
continuând cu ecranele televizoarelor, lămpile fluorescente sau cu gaz, până la becurile
cu incandescenţă, toate aceste fenomene au la bază saltul energetic al electronilor, proces
însoţit de eliberarea unor fotoni cu o anumită lungime de undă. Doi atomi identici, cu
electronii situaţi pe aceleaşi niveluri energetice, vor elibera fotoni cu aceeaşi lungime de
undă.
Lumina emisă de un aparat laser are câteva caracteristici diferite semnificativ de
cele ale luminii albe (cea emisă de surse precum stelele sau becul cu incandescenţă).
În primul rând, lumina emisă de sursele naturale sau de becuri se împrăştie pe
măsură ce se îndepărtează de sursă astfel încât, cu cât distanţa faţă de sursă creşte, din ce
în ce mai puţină lumină atinge o anumită zonă a spaţiului. Lumina laserului nu se
împrăştie, ci are proprietatea de direcţionalitate, adică se propagă pe distanţe mari cu o
divergenţă foarte mică şi, ca urmare, poate fi focalizată într-un fascicul cu diametrul
dorit.
În al doilea rând, lumina laserului este monocromatică şi coerentă. Lumina albă
este de fapt un amestec de unde electromagnetice cu diverse lungimi de undă
caracteristice culorilor fundamentale ce constituie spectrul vizibil. Fiecare culoare are o
lungime de undă caracteristică aparţinând spectrului vizibil. Dacă am filtra toate
lungimile de undă cu excepţia uneia singure, lumina rămasă ar fi monocromatică.
6
Monocromaticitatea şi coerenţa luminii laserului sunt caracteristicile care fac un astfel de
dispozitiv ideal pentru înregistrarea informaţiilor pe medii optice precum CD-urile, dar şi
pentru a fi folosit ca sursă de lumină pentru comunicaţiile de date prin mediu de fibră
optică.
Laserul foloseşte un proces numit emisie stimulată pentru a amplifica radiaţia
electromagnetică din spectrul vizibil.
Cum am spus la început, într-un dispozitiv laser, atomii sau moleculele mediului
activ – un cristal de rubin, un gaz sau chiar un lichid - sunt excitaţi astfel încât majoritatea
să se găsească într-o stare de energie superioară celei de echilibru. Consecinţa creşterii
energiei unui asemenea mediu activ este emisia bruscă de lumină coerentă. Procesul se
numeşte emisie stimulată şi a fost descris de către Albert Einstein în 1917.
În cadrul lucrării “On the quantum theory of radiation”, Einstein a formulat idea
conform căreia un atom excitat se poate întoarce în starea fundamentală în urma emisiei
de radiaţie electromagnetică, un proces pe care l-a denumit emisie spontană. Einstein a
postulat că fotonii preferă să circule împreună în aceeaşi stare. Dacă se dă o colecţie de
atomi posedând energie în exces, aceştia vor emite fotoni în mod spontan şi aleatoriu în
timp.
Totuşi, dacă un foton izolat cu lungimea de undă corespunzătoare străbate
7
substanţa respectivă şi vine în contact cu unul din atomii posedând exces de energie,
prezenţa sa stimulează atomul să elibereze un foton (energia în exces) mai devreme decât
s-ar produce acest proces în mod natural, iar fotonul emis va avea aceeaşi direcţie de
deplasare, aceeaşi frecvenţă şi aceeaşi fază cu fotonul izolat care a generat emisia
spontană. Einstein a prevăzut şi producerea în cascadă a acestui fenomen de emisie
spontană: pe măsură ce o mulţime de fotoni cu aceleaşi caracteristici vor străbate mediul
respectiv, din ce în ce mai mulţi fotoni emişi spontan li se vor alătura.
În componenţa unui laser există în mod uzual 2 oglinzi, un mediu activ şi
un dispozitiv care realizează pompajul energetic al mediului activ. Mediul activ poate fi
solid (de exemplu un cristal de rubin), gazos (amestec de heliu şi neon), dar şi din
materiale semiconductoare. Ca exemplu, un laser cu cristal de rubin este alcătuit dintr-un
cristal cilindric de rubin, două oglinzi paralele, argintate sau aurite, şi un tub de
descărcare, în formă de spirală, umplut cu un gaz nobil şi conectat la un condensator de
mare capacitate.
În mod natural, majoritatea atomilor, ionilor sau moleculelor mediului activ se
află, din punct de vedere energetic, în starea fundamentală. Pentru a genera raza laser,
dispozitivul care realizează pompajul energetic trebuie să genereze ceea ce se numeşte o
inversiune de populaţie în mediul activ, adică să se formeze o majoritate de
atomi/ioni/molecule (după caz, în funcţie de mediul activ) care se găsesc pe nivele de
energie superioare stării fundamentale. La momente aleatorii de timp, unii dintre aceşti
8
atomi, ioni sau molecule, revin în mod natural la starea fundamentală, emiţând în cadrul
acestui proces o cuantă de lumină (foton) într-o direcţie aleatorie. Este vorba despre
fenomenul de emisie spontană şi nu reprezintă un proces foarte folositor în funcţionarea
laserului. În esenţă, este acelaşi fenomen care asigură funcţionarea reclamelor luminoase
pe bază de neon, a lămpilor fluorescente sau a ecranelor CRT.
Einstein a arătat însă că dacă unii dintre aceşti fotoni emişi spontan întâlneşte un
atom/ion/moleculă excitat al mediului activ într-un anumit mod, acesta va reveni la starea
fundamentală, iar fotonul eliberat va avea proprietăţi similare celui care a grăbit emisia,
deci care a generat emisia stimulată (aceeaşi lungime de undă, aceeaşi fază, aceeaşi
direcţie de deplasare).
Aşadar, mediul activ va emite la început în mod spontan fotoni în toate direcţiile
la momente aleatorii de timp. Ocazional, fotoni vor fi emişi paralel cu lungimea mediului
activ. În acest caz, acesta va circula repetat între cele 2 oglinzi. Pe parcursul deplasării
sale, va întâlni atomi/ioni/molecule excitaţi şi va stimula emisia altor fotoni cu aceleaşi
caracteristici de frecvenţă, fază şi direcţie de deplasare ca ale sale. Procesul se va
multiplica pe parcurs în cascadă, dând naştere unei raze monocromatice şi coerente. Dacă
dispozitivul care realizează pompajul poate menţine inversiunea de populaţie în timp ce
se produce emisia stimulată în cascadă, generarea razei laser poate fi prelungită în timp.
9
Trebuie precizat că majoritatea laserelor sunt sisteme bazate pe 3 sau 4 nivele de
energie. Aceasta înseamnă că pentru a se realiza, în primă fază, inversiunea populaţiei şi,
ulterior, emisia stimulată, este nevoie ca atomii mediului activ să fie excitaţi astfel încât
să ajungă cu 2 sau 3 nivele energetice peste starea fundamentală.
De exemplu, într-un laser cu cristal de rubin, atomii sunt aduşi cu 2 nivele
energetice peste starea fundamentală, revin foarte repede în mod natural la nivelul 1
(considerând starea fundamentală nivelul 0), iar emisia stimulată are loc în cadrul
tranziţiei de la nivelul 1 la nivelul 0.
Revenind la funcţionarea laserului cu cristal de rubin, trebuie precizat că rubinul
este un oxid de aluminiu care conţine mici cantităţi de ioni de crom. Cilindrul de rubin
utilizat are câţiva centimetri lungime şi un diametrul de câţiva milimetri. Cele două
oglinzi plane şi paralele, şlefuite cu mare grijă, sunt argintate sau aurite în aşa fel încât
una dintre ele este complet opacă, iar cealaltă parţial transparentă, ca să poată permite
razelor laser să părăsească instalaţia. Ele sunt aşezate la cele 2 capete ale cilindrului de
rubin. Capetele cilindrului se metalizează. Tubul de descărcare, în formă de spirală,
umplut cu neon, xenon sau amestecuri de neon şi cripton este conectat la un condensator
şi funcţionează asemenea blitz-urilor de la aparatele fotografice. Tubul de descărcare
emite într-un timp foarte scurt, de ordinul miimilor de secundă, o lumină obişnuită, dar
intensă, care provoacă inversiunea populaţiilor în cristalul de rubin. În desfăşurarea
acestui proces o importanţă deosebită îl au impurităţile de crom din compoziţia cristalului
de rubin. Ionii de crom au trei nivele energetice. Studiul nivelelor energetice ale cromului
arată că daca se iradiază cristalul de rubin cu lumină verde cu lungimea de undă egala cu
0,560nm, produsă de tubul de descărcare, o parte din ionii de crom din starea
fundamentală îşi vor mări energia datorită absorbţiei radiaţiei luminii verzi, trecând într-o
stare energetică superioară cu 2 nivele stării de echilibru. Se spune că ionii de crom trec
prin pompaj optic pe nivelul 2 de energie. Apoi revin foarte repede pe nivelul 1, după
care începe procesul de emisie spontană şi de generare a razei laser, descris anterior.
Părţile constituente ale unui laser sunt : mediul activ, sistemul de excitare şi
rezonatorul optic. Partea esenţială a unui dispozitiv laser o constituie mediul activ, adică
un mediu în care se găsesc atomii aflaţi într-o stare energetică superioară celei de
echilibru. În acest mediu activ se produce amplificarea radiaţiei luminoase (dacă avem o
radiaţie luminoasă incidentă) sau chiar emisia şi amplificarea radiaţiei luminoase (dacă
10
nu avem o radiaţie luminoasă incidentă). Sistemul de excitare este necesar pentru
obţinerea de sisteme atomice cu mai mulţi atomi într-o stare energetică superioară.
Există mai multe moduri de a realiza excitarea atomilor din mediul activ, în
funcţie de natura mediului. Rezonatorul optic este un sistem de lentile şi oglinzi necesare
pentru prelucrarea optică a radiaţiei emise. Deşi la iesirea din mediul activ razele laser
sunt aproape perfect paralele, rezonatorul optic este folosit pentru colimarea mult mai
precisă, pentru concentrarea razelor într-un punct calculat, pentru dispersia razelor sau
alte aplicaţii necesare.
II. Natura luminii
Inventat în anii 1960, laserul este un tip special de lumină, diferit de lumina
vizibilă, percepută de ochiul uman. Lumina “albă” a Soarelui, care este suprapunerea
tuturor culorilor curcubeului, este emisă în toate direcţiile, fiind, prin urmare
“incoerentă”.
Ingeniozitatea laserului constă în selecţionarea atomilor de energie, potenţată prin
“pompaj optic”, apoi prinderea fotonilor între două oglinzi, într-un fel de cutie, până când
alcătuiesc un fascicul. Când acesta este destul de puternic, se formează o rază laser.
“Lumina laser este mai disciplinată decât cea a Soarelui; este un fascicul luminos
îmblânzit, a cărui dispersie este minimă”, spune Evelyne Gil, cercetătoare la
Universitatea Clermond-Ferrand. Un laser are totuşi un randament slab (între 0,01 şi
30%) şi necesită un mare aport de energie pentru a activa atomii. Conceperea şi punerea
în aplicare a primelor lasere experimentale au durat peste 30 de ani, la cercetări
contribuind mulţi specialişti.
Încă din cele mai vechi timpuri omenirea a căutat să răspundă la întrebarea “Ce
este lumina?” şi să pătrundă astfel în tainele uneia dintre cele mai evidente şi totuşi dintre
cele mai subtile manifestări ale Universului.
Este greu de spus care au fost primele observaţii ale omului în căutarea acestui
răspuns. Probabil ele s-au referit, după cum ne arată teoriile antichităţii, la modul de
propagare al razelor de lumină provenite de la Soare, la felul în care mediul înconjurător
este sesizat cu ajutorul simţului vizual. Cele mai vechi teorii asupra naturii luminii
11
datează din antichitate şi reprezintă formulări speculative ale observaţiilor pur calitative
existente la acea perioadă. Dintre aceste teorii ale antichităţii, cele care s-au impus prin
modul de fundamentare au fost teoriile filozofilor greci.
Grecii antici explicau sesizarea prezenţei mediului fie pe baza acţiunii unor probe
(tentacule) ce ar fi caracterizat ochiul (teoria tactilă), fie pe baza unui anumit tip de
materie emisă de mediu şi pe care ochiul era capabil să o colecteze (teoria emisiei).
Deşi aceste teorii erau concepute pe baze complet diferite, ele au coexistat până în
secolul al XVII-lea, când dezvoltarea ştiinţelor experimentale a permis stabilirea legilor
reflexiei şi refracţiei, aducând argumente în sprijinul teoriei emisiei şi infirmând teoria
tactilă.
Existenţa unor relaţii cantitative concrete capabile să descrie principalele
fenomene optice cunoscute a făcut ca spre sfârşitul secolului al XVII-lea să fie formulate
primele teorii cu caracter ştiinţific: teoria corpusculară a lui Newton şi teoria ondulatorie
a lui Huygens.
Căutând să răspundă la întrebarea „ce este lumina?" fizica secolului al XVII-lea
stabilea şi ea două răspunsuri; unul în care lumina era considerată ca fiind alcătuită din
corpusculi ce se supun legilor dinamice ale mişcării şi altul în care lumina reprezenta o
undă transversală asemănătoare celor cunoscute din mediile elastice.
Care dintre aceste teorii era purtătoarea adevărului ştiinţific? La începutul
secolului al XVIII-lea, nici una dintre teorii nu se impunea încă în faţa celeilalte, fiecare
fiind capabilă de a explica convingător propagarea rectilinie, reflexia şi refracţia luminii
-singurele fenomene optice cunoscute la acea vreme.
Datorită notorietăţii ştiinţifice deosebite de care se bucurau lucrările lui Newton,
teoria ondulatorie nu a câştigat teren până în anul 1801, când experienţa de interferenţă a
luminii efectuată de Thomas Young stabilea obţinerea de franje pentru a căror explicaţie
singurul suport era însumarea în fază şi respectiv în antifază a undelor provenite de la
cele două surse de lumină.
La începutul secolului al XIX-lea, teoria corpusculară părea a f i infirmată
definitiv de numeroasele argumente ce se aduc teoriei ondulatorii de dezvoltarea
matematică rafinată pe care o dă Fresnel teoriei fenomenelor de interferenţă, de difracţie
şi de polarizare a luminii.
12
În 1860, James Clerk Maxwell aduce o modificare teoriei ondulatorii fresneliene
(incapabilă să pună în evidenţă mediul elastic ipotetic propus, sau să demonstreze
veridicitatea acestuia), arătând că ceea ce vibrează în fiecare punct al unei raze de lumină
este câmpul electric şi respectiv câmpul magnetic, perpendiculare între ele şi pe direcţia
de propagare a razei. Teoria lui Maxwell a fost confirmată experimental în 1887 când
Hertz a obţinut prin metode pur electromagnetice radiaţii de frecvenţă mult mai joasă
decât a luminii, dar cu proprietăţi identice acesteia.
Astfel, la sfârşitul secolului al XIX-lea, teoria electromagnetică a luminii devenea
un nou răspuns la întrebarea „ce este lumina?" - un nou răspuns ce se cerea confirmat de
cât mai multe evidenţe experimentale.
Iată însă că două dintre descoperirile experimentale de la sfârşitul secolului al
XIX-lea şi începutul secolului XX solicită o nouă revizuire a teoriei naturii luminii.
Este vorba de rezultatele experimentale privind emisia şi absorbţia radiaţiei de
diverse corpuri şi punerea în evidenţă a efectului fotoelectric.
După cum se ştie, un corp supus încălzirii la o temperatură suficient de înaltă
devine incandescent - adică începe să emită radiaţii vizibile.
Analiza spectrală stabileşte că radiaţia astfel emisă se caracterizează printr-un
spectru continuu, iar maximul energiei radiante pe o anumită lungime de undă λ în
unitatea de timp, pe unitatea de arie a corpului emiţător (radianţa spectrală λr sau puterea
emiţătoare spectrală) se deplasează la creşterea temperaturii corpului către lungimi de
undă mai mici.
În urma experienţelor de analiză spectrală, G.R. Kirchhoff demonstra în jurul
anului 1859, că pentru un corp oarecare ce emite radiaţie termică, raportul dintre puterea
emiţătoare spectrală şi puterea absorbantă este o constantă care nu depinde de natura
corpului, ci numai de temperatura acestuia şi de lungimea de undă.
Conform acestei legi rezultă că în cazul unui corp ce ar putea absorbi toată
energia radiantă incidentă, puterea emiţătoare spectrală va fi chiar constanta stabilită şi
deci ea ar depinde numai de temperatură şi de lungimea de undă λ .
Un astfel de corp ideal este denumit de fizicieni „corp negru” căci nereflectând
nici una dintre radiaţiile ce alcătuiesc lumina albă a Soarelui, ar apărea ochiului sub
reprezentarea neagră.
13
Fizic, corpul negru este realizat dintr-o incintă izotermă cu un orificiu ce permite
cuplarea în exterior a radiaţiei şi se caracterizează printr-o dependenţă a puterii
emiţătoare spectrale λr funcţie de temperatură şi lungimea de undă.
Odată stabilită această nouă evidenţă experimentală, ea se cerea verificată pe baza
teoriei electromagnetice clasice a luminii.
Cei care au efectuat această confruntare au fost fizicienii J.W. Rayleigh şi JH.
Jeans. Calculele teoretice efectuate s-au dovedit însă a nu fi îu concordanţă cu rezultatele
experimentale, conform acestora puterea radiantă spectrală în domeniul lungimilor de
undă mici trebuind să crească continuu către valori din ce în ce mai mari. Această
neconcordanţă dintre calculele teoretice şi rezultatele experimentale a fost denumită
sugestiv „catastrofa ultravioletă”.
Ce considerente privind „natura luminii” se cereau revizuite pentru a putea fi
depăşit impasul „catastrofei ultraviolete?
În 1900, Max Planck introduce o concepţie revoluţionară în raport cu concepţiile
fizicii clasice ce se dovedise incapabilă să explice fenomenele de emisie şi absorbţie
observate.
El consideră că emisia şi absorbţia de energie de către atomii ce alcătuiesc
corpurile nu se poate face decât în multipli întregi ai unei cantităţi de energie elementară
şi a cărei valoare E este proporţională cu frecvenţa ν , conform relaţiei:
E =hν (1)
14
unde coeficientul de proporţionalitate numit şi constanta de acţiune este o constantă
universală.
h = constanta lui Planck = 6,6256 × 3410−J s
Introducând această noţiune, Planck a admis de fapt că energia radiaţiei luminoase
are o structură discontinuă.
În 1905, ţinând cont de observaţiile cu privire la efectul fotoelectric ale lui Lenard şi
folosind teoria cuantică a lui Planck, Einstein aduce noi detalii la tabloul ce descrie
proprietăţile luminii.
El admite că şi în propagare energia îşi păstrează caracterul discontinuu,
denumind cantităţile discrete de energie ce descriu radiaţia electromagnetică, fotoni.
Astfel, după aproape 250 de ani de la elaborarea teoriei corpusculare de către
Newton, introducerea fotonilor reprezenta o revenire la teoria corpusculară a luminii, la
ceea ce în secolul al XIX-lea păruse definitiv infirmat.
Fizica începutului de secol XX se găsea aparent din nou în impasul de a nu putea
explica toate fenomenele optice printr-o teorie unitară, fiind nevoită să aplice o teorie sau
alta după cum caracterul corpuscular sau ondulatoriu al luminii o impuneau.
Dar acest impas, după cum a demonstrat în 1924 de Broglie, s-a dovedit a fi doar
un impas aparent, căci aspectele contrare ale naturii luminii îşi găsesc reprezentarea
unitară în faptul că materia se prezintă sub două forme: forma de câmp şi forma de
substanţă, fotonul reprezentând starea de discontinuitate, iar unda starea continuă.
Încadrată în această teorie unitară, ce admite caracterul dual al naturii luminii,
radiaţia luminoasă reprezintă un domeniu spectral relativ restrâns în cadrul spectrului
electromagnetic, ale cărui notaţii şi clasificări uzuale se bazează pe metodele de generare
sau efectele acestor radiaţii.
În cadrul radiaţiilor electromagnetice de frecvenţe mai coborâte (unde radio, 108-
1011 Hz), energia fiecărei cuante este foarte mică astfel că şi la nivele relativ coborâte de
energie, existenţa unui număr foarte mare de fotoni va conferi acestora caracterul de
continuitate.
La frecvenţe foarte ridicate, ca cele caracteristice razelor cosmice (1022 Hz),
energia ridicată a cuantelor va impune un număr restrâns de fotoni şi, prin urmare,
aspectul predominant va fi aspectul corpuscular al radiaţiei electromagnetice.
15
16
III. Elemente de fizică cuantică
În acest capitol vom încerca să stabilim starea unui sistem ţinând cont de structura
lui microscopică. Adică vom ţine cont de starea particulelor elementare ce-l formează.
Capitolul fizicii ce studiază aceste aspecte se numeşte fizică cuantică. Denumirea
acestui capitol îşi are originea în cuvântul latin quantum, prin care se înţelege o anumită
cantitate sau o măsură definitivă de ceva. Acest cuvânt are în fizică acelaşi înţeles ca şi
cuvântul discret în matematică. Adică o mărime sau o variabilă cuantică poate lua numai
valori precis definite, spre deosebire de altă mărime sau variabilă cu variaţie continuă, ce
poate lua orice valoare.
Pentru a nuanţa diferenţa dintre cele două abordări a stabilirii stării unui sistem
discutăm un exemplu. Considerăm un corp rigid antrenat într-o mişcare oarecare. Fizica
clasică îi stabileşte starea privindu-l ca pe un întreg fără să ţină cont de starea particulelor
elementare ce-l formează, pe când fizica cuantică ţine cont de starea acestora. În această
abordare legile fizicii clasice sunt legi ale naturii aproximative, adică sunt legi
fenomenologice. Ele trebuie privite ca forme limită ale legilor mai cuprinzătoare şi
fundamentale ale fizicii cuantice, ceea ce constituie esenţa Principiului de corespondenţă
a lui Bohr. Acest principiu, euristic, a fost formulat în anul 1923 şi a fost de mare ajutor
în dezvoltarea iniţială a fizicii cuantice şi afirmă că rezultatele fizicii cuantice trebuie să
tindă asimptotic spre cele obţinute din fizica clasică, la limita numerelor cuantice mari.
Adică rezultatele fizicii clasice sunt "macroscopic corecte" şi pot fi considerate cazuri
limită ale fizicii cuantice.
1. Bazele experimentale ale mecanicii cuantice
Schimbul de energie sub formă de căldură între sisteme are loc prin conducţie,
prin convecţie şi prin radiaţie. Dacă primele două forme ale schimbului de energie sub
formă de căldură implică prezenţa substanţei, schimbul de energie sub formă de căldură
prin radiaţie poate avea loc şi în vid.
În continuare vom studia sistemul fizic denumit radiaţia termică.
17
1.1 Radiaţia termică
Orice sistem fizic, indiferent de temperatura la care se găseşte, schimbă energie
sub formă de căldură, prin radiaţie termică. Considerăm o incintă vidată în peretele căreia
s-a efectuat un orificiu prin care este transmisă incintei radiaţie termică. După un interval
de timp radiaţia ajunge la echilibru cu pereţii incintei. Radiaţia termică este de natură
electromagnetică şi este caracterizată de densitatea de energie (energia unităţii de volum
a sistemului), w,
w =21
( 0ε 2E
+ 0µ 2H
), (2)
unde am notat cu 0ε permeabilitatea dielectrică a vidului, cu 0µ permitivitatea magnetică
a vidului, cu E
intensitatea câmpului electric al undei electromagnetice şi cu H
intensitatea câmpului magnetic al undei electromagnetice. Radiaţia termică este formată
din suprapunerea unui număr extrem de mare de radiaţii monocrome, astfel că putem
scrie pentru densitatea ei energetică expresia
w = ∫∞
0
ωω dw (3)
unde cu ωw am notat densitatea energetică spectrală, mărime ce joacă pentru radiaţia
termică un rol asemănător rolului funcţiei de distribuţie din fizica statistică.
Mărimi caracteristice radiaţiei termice
Dintre mărimile ce caracterizează radiaţia termică enumerăm:
- energia radiantă, ε , definită ca energia emisă, transmisă sau detectată într-un proces
radiativ
ε = ∫V
wdV (4)
- puterea radiantă, P, sau fluxul radiant, Φ , definită ca energia ce traversează în
unitatea de timp o suprafaţă oarecare
P = Φ = dtdε
(5)
- flux spectral, ωΦ , definit ca fluxul radiant corespunzător unităţii de pulsaţie
ωΦ = ωd
dΦ ⇒ Φ = ∫
∞
Φ0
ωω d (6)
18
- radianţa, R, puterea emisivă sau luminanţa energetică definită ca energia emisă în
unitatea de timp de unitatea de suprafaţă a sursei de radiaţie normal pe aceasta
R = dSdΦ
(7)
Radianţa şi densitatea energetică sunt legate prin relaţia:
R = 4c
w (8)
-Intensitatea, I, definită ca densitatea de flux energetic ce cade pe unitatea de suprafaţă,
normal pe aceasta
I =dSdΦ
(9)
- Intensitatea radiantă, RI , definită ca fluxul energetic emis în unitatea de unghi solid
RI = ΩΦ
dd
(10)
1.2. Legea Kirchhoff
Considerăm o incintă închisă cu pereţi destul de groşi pentru a absorbi orice
radiaţie ar cădea pe ei, fie din exteriorul incintei, fie din interior. În interiorul acesteia se
pot afla diverse sisteme fizice sustanţiale. Suntem interesaţi aici de câmpul de radiaţie
stabilit în spaţiul liber de sisteme fizice substanţiale.
Menţinem pereţii incintei la o temperatură T. În conformitate cu Principiul general
al termodinamicii după un interval de timp, mai lung sau mai scurt, în sistemul considerat
se atinge starea de echilibru. Toate sistemele din incintă vor avea aceeaşi temperatură T.
Câmpul de radiaţie stabilit în interiorul incintei nu-şi mai modifică starea. Acest
câmp se numeşte radiaţie termică şi provine din fenomenul de emisie din materialul
pereţilor incintei sau al sistemelor din interiorul acesteia. După parcugerea unui drum mai
lung sau mai scurt, suferind un număr de reflexii pe suprafeţele substanţiale din incintă
radiaţia este absorbită în substanţa din incintă sau pereţii acesteia şi în virtutea ipotezelor
de mai sus nu poate părăsi incinta. Un astfel de sistem fizic ce absoarbe radiaţia termică
de orice valoare a pulsaţiei, ce cade pe el se numeşte corp negru. Aplicând principiile
termodinamicii sistemului considerat Kirchhoff a ajuns la formularea legii ce îi poartă
numele:
19
Densitatea spectrală ωw (ω , T) a energiei radiaţiei termice din incintă depinde doar de
pulsaţia radiaţiei şi de temperatura acesteia şi nu depinde de natura şi proprietăţile
sistemelor din interiorul incintei .
1.3. Legea Stefan-Boltzmann
Următoarea contribuţie, cronologic vorbind, o datorăm fizicianului Stefan care în
1879 a găsit între radianţa R a radiaţiei emise de un sistem şi temperatura T a acestuia
relaţia empirică:
R = σ 4T ; (11)
relaţie demonstrată în 1884, pornind de la considerente de termodinamică, de către
Boltzmann şi care a rămas în fizica cuantică sub numele de legea Stefan-Boltzmann. În
relaţia (11) am notat cu σ constanta cunoscută sub numele de constanta Stefan-
Boltzmann şi care are valoarea 5,67 × 810− W 42 −− Km . Nici această lege nu spune ceva
despre distribuţia spectrală a radiaţiei termice.
1.4. Legea Wien
Se constată experimental că pulsaţia pentru care izoterma îşi atinge maximul este
proporţională cu temperatura izotermei, iar densitatea spectrală maximă este
proporţională cu puterea a treia a temperaturii. Pornind de la această constatare
experimentală pentru radiaţia din incinta considerată mai sus Wien a stabilit
următoarea lege, ce îi poartă numele:
Densitatea spectrală a radiaţiei termice este o funcţie proporţională cu produsul dintre
puterea a treia a pulsaţiei şi o funcţie universală, f, de argument Tω
ωw (ω , T) )(3
Tf ωω≈ (12)
Această funcţie descrie bine curba experimentală pentru valori mari ale pulsaţiei
Calculând densitatea energetică cu această lege obţinem:
w = ωωω dTw ),(0∫∞
= ∫∞
0
3 )( ωωω dT
f (13)
Facem schimbarea de variabilă Tω
= x şi obţinem
20
w = ∫∞
0
33 )( TdxxfxT = 4T ∫∞
0
3 )( dxxfx (14)
care este chiar expresia legii lui Stefan-Boltzmann dacă integrala este finită. Pentru
aceasta se impune ca integrantul să tindă repede spre zero când x tinde la ∞ .
La fel de frecvent se utilizează densitatea spectrală ca funcţie de lungimea de undă, 'λw :
'λw = λ
εdV
d= λ
ωω
dVdVw
= λωω
ddw
(15)
unde d ε este energia totală din incinta de volum V cu lungimea de undă în intervalul ( λ ¸
λ + d λ ). Făcând uz de relaţia 2π c = λ ω obţinem:
ωd = 22λπ c λd (16)
pe care o introducem în relaţia (15) şi obţinem:
'λw ( λ , T) = ωw 2
2λπ c
= 22λπ c 3ω f( )
Tω
= 5
43)2(λ
π c f( )2Tc
λπ
= 5T 5
43
)()2(
λπT
cf( )2
Tc
λπ
= 5T g( λ , T)
(17)
Lungimea de undă maxλ corespunzătoare densităţii spectrale maxime este invers
proporţională cu temperatura izotermei, iar valoarea maximă a densităţii spectrale în
funcţie de lungimea de undă este proporţională cu puterea a cincea a temperaturii
izotermei. Din condiţia de anulare a derivatei de ordin întâi a expresiei (17) obţinem
rezultatul:
maxλ T = b (18)
cunoscut sub numele de legea de deplasare a lui Wien, unde b = 2,898 310−⋅ mK se
numeşte constanta de deplasare Wien. Wien a propus mai multe forme analitice pentru
funcţia generală f( )Tω
.
1.5. Legea Rayleigh-Jeans
Tot de această problemă s-au ocupat Rayleigh şi Jeans, care aplicând legile
termodinamicii şi electromagnetismului au stabilit altă lege de distribuţie, care însă
modela bine curba experimentală pentru valori mici ale pulsaţiei. Ei au considerat că
radiaţia termică este formată din unde electromagnetice staţionare. Se poate arăta că
21
numărul acestor unde, altfel spus numărul de moduri de oscilaţie ale câmpului
electromagnetic din incintă, corespunzător unităţii de volum şi de pulsaţie este:
)(ωρ = 32
2
cπω (19)
Pentru a obţine densitatea energetică spectrală înmulţim această densitate cu
energia medie a modului de oscilaţie cu lungimea de undă λ . Rayleigh şi Jeans au
presupus că undele staţionare sunt generate de atomii pereţilor incintei, atomi ce absorb şi
emit în mod constant radiaţie, acţionând ca dipoli electrici, adică pot fi priviţi ca
oscilatori armonici cu pulsaţia ω =λπ c2
. Energia ε a oricăruia dintre aceşti oscilatori
poate lua valori de la 0 la ∞ . Cum radiaţia termică este în echilibru termodinamic putem
calcula energia medie a unui oscilator ponderând fiecare valoare a energiei ε cu factorul
Boltzmann TkBeε− . În urma calculelor rezultă:
< ε > = Bk T (20)
rezultat care înmulţit cu densitatea oscilatorilor ne furnizează densitatea spectrală a
energiei radiaţiei termice în funcţie de pulsaţia undei:
ωw (ω , T) = 32
2
cπω kBT (21)
Acest rezultat modelează bine curba experimentală pentru valori mici ale pulsaţiei, însă
pentru valori mari ale pulsaţiei valoarea densităţii spectrale creşte infinit, rezultat în
contradicţie cu datele experimentale şi care este cunoscut în fizică sub numele de
catastrofa ultravioletă. Energia unităţii de volum, w, calculată cu expresia de mai sus
pentru densitatea spectrală
w(T) = ∫∞
032
2
cπω kBT dω (22)
este infinită, fapt ce confirmă afirmaţia de mai sus.
1.6. Legea Planck
În decembrie 1900, Max Planck propune o altă formă pentru densitatea spectrală
de energie, în care păstrează expresia densităţii oscilatorilor, iar pentru calculul energiei
medii a unui oscilator a postulat că energia unui oscilator de pulsaţie ω nu poate avea
22
orice valori ci doar multipli întregi, n 0ε , ai unei cantităţi finite de energie, 0ε , numită
cuantă de energie ce poate depinde de pulsaţie. În acest caz energia medie a unui
ansamblu de oscilatori de pulsaţie ω , în echilibru temodinamic, este dată de
< ε >=1
0
0
−TkBeε
ε (23)
Pentru 0ε = hν = ω cu noul rezultat pentru energia medie a unui oscilator, obţinem
pentru densitatea spectrală expresia
ωw (ω , T) = ωρ < 0ε > = 32
2
cπω
1−TkBeω
ω
(24)
unde cu h am notat constanta lui Planck, iar cu am notat constanta lui Planck
raţionalizată ce are valoarea 1,054 3410−⋅ Js.
Legea stabilită de către Planck modelează bine curba experimentală şi totodată
permite obţinerea legilor Stefan-Boltzmann, Wien şi Rayleigh-Jeans, discutate mai sus,
ca şi cazuri particulare ale acesteia.
Ideea lui Planck nu a fost acceptată cu uşurinţă, dar destul de repede a fost
utilizată pentru explicarea şi a altor fenomene. Einstein a presupus că însuşi câmpul
electromagnetic este cuantficat şi că lumina este formată din corpusculi, numiţi cuante
de lumină sau fotoni,fiecare foton deplasându-se cu viteza c şi având energia
ε = hν = ω = λhc
(25)
2. Natura corpusculară a radiaţiei termice
Mai sus am discutat problema radiaţiei termice şi pentru a explica graficul
distribuţiei spectrale am ajuns până la postularea că schimbul de energie între sisteme se
face prin cantităţi finite de energie, numite cuante, postulat datorat lui Max Planck. Ideea
cuantificării energiei a permis explicarea efectului fotoelectric de către Albert Einstein
(1905) şi a efectului Compton de către Auguste Compton (1923), fenomene ce vor fi
discutate mai jos.
2.1. Efectul fotoelectric
Efectul fotoelectric a fost descoperit de către Heinrich Hertz în anul 1887 şi
studiat în detaliu de către Wilhelm Hallwachs în 1888 şi Philipp Lenard în 1902.
23
Efectul fotoelectric constă în emisia de electroni de către suprafeţe metalice
iradiate cu unde electromagnetice corespunzătoare spectrului vizibil. Acest efect a fost
explicat în 1905 de către Albert Einstein care a preluat ideea cuantificării energiei
postulată de Max Planck. Pentru a discuta acest fenomen vom construi instalaţia din
figura de mai jos. O fotocelulă, cu un catod c construit dintr-un material fotosensibil, este
alimentată prin intermediul unui reostat, Rh, de la o sursă de tensiune electromotoare cu
polul plus la anod, a, respectiv cu polul minus la catod. Totodată în circuit este plasat un
voltmetru (V ) şi un ampermetru (A) ce ne permit să măsurăm tensiunea de la bornele
fotocelulei şi intensitatea curentului din circuit.
Ne imaginăm că sursa de t.e.m este decuplată. Înainte de a introduce fotocelula în
circuit potenţialul electric al celor doi electrozi, catod, (c), respectiv anod, (a), este nul
deoarece sarcina lor electrică este nulă. Plasăm fotocelula în circuit şi trimitem un flux
luminos asupra catodului. Voltmetrul va indica o tensiune electrică cu polul plus la catod
şi polul minus la anod, tensiune numită, impropriu în opinia autorului, tensiune de
contact, kV . Această tensiune se datorează câmpului electric stabilit în urma emisiei de
electroni din catod sub acţiunea luminii, câmp orientat de la catod, rămas încărcat pozitiv
după emisia electronilor, spre anod, ce-şi poate menţine potenţialul nul sau poate deveni
negativ, dacă ajung pe el electroni emişi de catod. Cuplăm sursa de t.e.m în circuit şi
utilizând reostatul Rh mărim treptat tensiunea aplicată pe fotocelulă.
Ampermetrul A măsoară curentul stabilit prin circuit, implicit şi prin fotocelulă, şi
obţinem dependenţa curentului de tensiunea aplicată de forma prezentată în figura de mai
24
jos. Pentru curentul din circuit, format din fotoelectroni, vom folosi mai jos termenul de
fotocurent.
Observând graficul de mai sus constatăm că el prezintă trei regiuni distincte:
- I - această porţiune descrie următoarea situaţie : tensiunea aplicată pe fotocelulă prin
intermediul reostatului este de semn contrar tensiunii de contact.
Cele două tensiuni creează în interiorul fotocelulei câmpuri electrice de sens
contrar, fotoelectronii supunându-se rezultantei celor două câmpuri. Cu cât câmpul
electric creat de tensiunea aplicată este mai mare cu atât mai mulţi fotoelectroni ajung la
anod.
- II - porţiunea II este aproximativ liniară şi reflectă faptul că numărul fotoelectronilor ce
ajung la anod este proporţional cu tensiunea aplicată.
- III - porţiunea III corespunde curentului de saturaţie, Is, şi reflectă că toţi electronii
emişi de catod sunt antrenaţi spre anod.
Mai observăm că la fluxuri luminoase diferite curenţii de saturaţie sunt diferiţi.
În urma celor prezentate mai sus putem trage următoarele concluzii :
- fotocurentul, independent de tensiunea U aplicată, apare pentru o frecvenţă 0ν
caracteristică materialului din care este confecţionat catodul.
- intensitatea fotocurentului, în aceleaşi condiţii de distribuţie spectrală a radiaţiei
incidente, aceeaşi fotocelulă, aceeaşi tensiune aplicată între electrozi, este proporţională
cu fluxul radiaţiei ce cade pe fotocatod.
- raportul dintre intensitatea fotocurentului şi fluxul radiaţiei incidente, la incidenţă
normală, este cu atât mai mare cu cât frecvenţa radiaţiei ce a produs efect fotoelectric este
25
mai mare. Dependenţa raportului celor două mărimi de frecvenţa radiaţiei ce cade pe
fotocatod constituie caracteristica spectrală a acestuia.
- distribuţia după energie a fotoelectronilor pentru un fotocatod dat şi o distribuţie dată a
radiaţiei incidente nu depinde de fluxul acesteia.
- energia cinetică maximă a fotoelectronilor creşte liniar cu frecvenţa radiaţiei incidente
ce provoacă efectul fotoelectric.
- efectul fotoelectric apare instantaneu, odată cu începerea iradierii fotocatodului.
Explicaţia efectului fotoelectric a fost dată de către Einstein care a considerat un
foton de energie hν ce cade pe catod. O parte din energia fotonului, integral absorbit de
un atom al catodului, este cheltuită pentru a scoate electronul din atom, extracţL , iar
diferenţa de energie o regăsim sub formă de energie cinetică, cε , a electronului
hν = cε + extracţL (26)
expresie ce se numeşte relaţia lui Einstein pentru efectul fotoelectric. După ce prin circuit
s-a stabilit curentul de saturaţie dacă se aplică o diferenţă de potenţial de semn contrar
tensiunii aplicate se poate ridica o curbă ce să reprezinte dependenţa fotocurentului de
această diferenţă de potenţial. Derivând grafic această curbă în raport cu tensiunea de
semn contrar se obţine distribuţia după viteză a fotoelectronilor.
2.2. Efectul Compton
Un argument în favoarea naturii corpusculare a radiaţiei electromagnetice a fost
adus de către A.H.Compton în 1923 când a realizat un experiment în care un fascicul de
raze X a fost împrăştiat pe un bloc de grafit împrăştietor.
Trimiţând un fascicul aproximativ monocromatic de raze X de lungime de undă
0λ , pe un bloc de grafit şi folosind un spectrometru cu cristal, Compton a detectat la
diverse unghiuri de împrăştiere, radiaţie X cu lungimea de undă egală cu cea a radiaţiei
26
incidente, precum şi radiaţie X cu lungimea de undă mai mare decât a radiaţiei incidente.
Acest efect se numeşte efect Compton şi constă în variaţia lungimii de undă a radiaţiei X,
λ∆ , împrăştiată pe electroni slab legaţi, electroni cvasiliberi, energia lor de legătură fiind
mult mai mică decât energia fotonilor X. variaţie numită deplasare Compton, dependentă
de unghiul de împrăştiere θ dintre direcţia fascicolului incident şi direcţia fascicolului
împrăştiat. Pentru a stabili dependenţa variaţiei lungimii de undă λ∆ de unghiul de
împrăştiere θ considerăm un foton X ce cade pe un electron cvasiliber.
Fiind un proces de ciocnire scriem conservarea energiei şi impulsului pentru
sistemele implicate în proces (electron şi foton X)
h 0ν + 0m c2 = hν + mc2
ch 0ν =
chν + mv (27)
Scriind ecuaţia conservării impulsului pe componente şi combinând cu ecuaţia
conservării energiei obţinem pentru variaţia lungimii de undă expresia
λ∆ = 0λλ − =2 Λ2
sin 2 θ (28)
unde cu Λ , numită lungime de undă Compton am notat mărimea cm0
mărime
ce pentru electron are valoarea 2,42 1210 −⋅ m.
Existenţa componentei nemodificate în radiaţia X detectată, poate fi explicată prin
împraştierea radiaţiei incidente pe electroni puternic legaţi, situaţie în care reculul este
preluat de întregul atom ce are masa mult mai mare decât electronul, fapt ce face ca
deplasarea Compton să fie neglijabilă. Acesta este motivul pentru care nu se observă
efect Compton pentru lumina vizibilă, situaţie în care energia fotonului este mult mai
mică decât energia electronilor slab legaţi. În cazul radiaţiei γ care are energia mult mai
mare decât energia de legătură, chiar şi a electronilor puternic legaţi, se detectează doar
radiaţia deplasată.
3. Aplicaţii - laseri
Vom discuta foarte succint ideile ce stau la baza construcţiei dispozitivelor laser.
27
Principiul general de funcţionare a dispozitivelor MASER (Microwave Amplification by
Stimulated Emission of Radiation) şi LASER (Light Amplification by Stimulated
Emtssion of Radiation) se bazează pe fenomenul emisiei stimulate, fenomen intuit de
către Einstein în anul 1907 şi dezvoltat de experienţele din anul 1923 ale lui Tolman care
a observat că dacă raportul populaţiilor i
S
NN
a două nivele energetice Sε respectiv ale
unui sistem de atomi depăşeşte raportul ponderilor lor statistice atunci emisia stimulată va
domina absorbţia şi o undă plană ce va traversa un astfel de mediu, numit mediu activ, va
fi amplificată.
Un dispozitiv MASER sau un dispozitiv LASER este constituit din două sisteme
fizice în interacţiune: câmpul electromagnetic dintr-o cavitate rezonantă şi un mediu activ
situat în aceeaşi cavitate.
Principiile fizice de funcţionare a dispozitivelor MASER sau LASER pot fi
exprimate pe scurt în următoarele afirmaţii:
- Sistemele cuantice (atomi. ioni. molecule, etc) au anumite rezonanţe interne la frecvenţe
caracteristice, rezonanţe ce pot fi situate in domeniul microundelor, în domeniul vizibil
sau chiar in domeniul radiaţiilor X sau γ .
- Un semnal electromagnetic cu o frecvenţă egală sau apropiată de o rezonanţă a
sistemului cuantic poate acţiona asupra acestuia. Adică sistemul cuantic poate absorbi
energie de la un semnal sau poate emite energie în semnal, în funcţie de starea cuantică în
care se află.
- Intensitatea şi semnul răspunsului total ce se obţine de la un ansamblu de sisteme
cuantice identice va depinde de diferenţa de populaţie a nivelelor energetice între care are
loc tranziţia rezonantă cu semnalul aplicat. În condiţii normale răspunsul sistemelor
cuantice aflate la echilibru termodinamic va fi o absorbţie din semnalul aplicat.
- Dacă printr-o modalitate oarecare se realizează o inversie de populaţie, adică facem să
fie mai multe sisteme cuantice pe nivelul energetic superior decât pe cel inferior atunci
răspunsul sistemelor va fi şi el inversat. Adică în loc să avem absorbţie a semnalului vom
avea o amplificare a acestuia.
Efectul MASER, respectiv LASER se obţine dacă câştigul unei linii emise este
mai ridicat decât pierderile în mediul activ şi pe pereţii cavităţii, pe de o parte, şi dacă
28
inversia de populaţie depăşeşte un anumit prag. Np numit prag de oscilaţie, SN - iN > Np.
Condiţia de prag este favorizată de următorii factori:
- populaţia nivelului inferior, iN , să fie cât mai mică.
- linia atomică, moleculară sau ionică să aibă o lărgime cât mai mică.
- timpul de viaţă al stării energetice superioare să fie mare în raport cu cel al stării
energetice inferioare, altfel s-ar produce acumularea de sisteme cuantice în această stare,
fapt ce ar provoca dispariţia efectului laser.
- timpul de viaţă al fotonilor în cavitate să fie cât mai mare.
Pentru a realiza un dispozitiv laser este necesar să se utilizeze o schemă de
principiu ca cea din figura de mai jos, ce constă într-un mediu activ plasat între două
oglinzi, una perfect reflectorizantă, iar cealaltă semitransparentă.
În funcţie de mediul activ utilizat sunt dispozitive LASER cu două nivele figura
(a), cu trei nivele figura (b), respectiv cu patru nivele figura (c).
29
Printr-un procedeu oarecare populaţia SN a nivelului energetic superior, Sε ,
devine mai mare decât populaţia fN a nivelului energetic inferior, fε .
3.1 Realizarea unei inversii de populaţie
Excitarea mediului activ pentru realizarea inversiei de populaţie peste nivelul de
prag se poate obţine prin diverse tehnici/mecanisme pe care le vom prezenta foarte pe
scurt în continuare :
- excitarea prin ciocniri electronice - folosită în laserii cu gaz, în care în urma descărcării
electrice în mediu gazos în incintă apar ioni şi electroni care prin accelerare în câmp
electric pot excita constituenţii neutri.
- excitarea prin transfer rezonant de excitaţie - ciocniri între două specii de atomi, unii în
stare excitată, iar alţii în stare fundamentală, ciocniri în urma cărora se degajă energie.
- pompaj optic - excitare optică rezonantă a mediului utilizat.
- procese gaz-dinamice - crearea inversiei de populaţie pe cale termică.
- excitarea prin reacţii chimice - crearea inversiei de populaţie utilizând energia degajată
în reacţiile chimice.
- excitarea prin efect Penning - în cazul laserilor ionici prin ciocniri între atomi în stare
metastabilă .
- excitarea prin injecţie - specifică laserilor cu semiconductori.
- excitarea cu fascicule de electroni (bombardament electronic) - prin transferul energiei
electronilor din fascicul către electronii şi golurile reţelei criataline.
3.2. Proprietăţile radiaţiei LASER
Proprietăţile speciale ale radiaţiei electromagnetice emise de maseri şi laseri se
datorează faptului că toţi fotonii produşi prin emisia stimulată apar datorită unui foton
iniţial. Proprietăţile ce deosebesc dispozitivele MASER şi LASER de sursele clasice de
radiaţie (corpurile încălzite, arderea gazelor, descărcări in gaze, emisiunea fosforescentă,
etc.) sunt prezentate mai jos :
- coerenţa spaţială si temporală- definită cu ajutorul fenomenului de interferenţă.
- directivitatea - provenită din faptul că sunt amplificate numai acele unde ce sunt
paralele cu axul rezonatorului optic.
- monocromaticitatea - radiaţia laser are lărgimea foarte îngustă.
- intensitatea - radiaţia laser are intensitate ridicată ( aria fasciculului este foarte mică.)
30
Dispozitivele MASER şi LASER au aplicabilitate în foarte multe domenii. Dintre
aplicaţiile dispozitivelor LASER menţionăm: producerea de plasmă, diagnosticarea
plasmei, separarea izotopilor, aplicaţii în biologie, aplicaţii în metereologie, alinieri şi
controlul maşinilor unelte, telemetrie şi măsurarea vitezelor, standarde de timp şi de
lungime, uzinaj fotonic, măsurători tehnologice nedistructive, fotografia ultrarapidă,
optica integrată, comunicaţii, în medicină, spectrometrie atomică şi moleculară
neliniară.
IV. Teoria laserului
1. Introducere
Considerat iniţial o simplă curiozitate, laserul este astăzi omniprezent şi
indispensabil. În acest an se împlinesc 50 de ani de la inventarea sa. Care să fie punctul
comun între un creion minuscul cu lumină roşie şi unele instalaţii imense de telemetrie?
Răspunsul se află chiar în întrebare: existenţa unei lumini speciale, numite laser,
scrie cotidianul francez La Croix. Celebru acronim englez a cărui semnificaţie –
amplificarea luminii prin emisie stimulată de radiaţii – este destul de obscură (culmea
pentru o lumină!), termenul trimite la o mulţime de noţiuni şi obiecte mai mult sau mai
puţin precise.
Astăzi, laserul este prezent peste tot: în cercetare, medicină, industria de apărare.
Firul cu plumb, imprimanta, aparatul de tăiat metale şi textile, aparatul de sudat, cititorul
de cod de bare, CD şi DVD, paratrăznetul optic, ghidarea rachetelor (a bombelor în
timpul primului război din Irak), scalpelul chirurgical ultrafin (orfalmologie,
dermatologie), efecte speciale, plecând de la imaginile 3D (holograme) în aer şi fără
ecran, săbiile cavalerilor intergalactici în creaţiile SF…, laserul este omniprezent în viaţa
de zi cu zi. Fără a uita ‘laserele naturale’ – unii nori interstelari şi atmosferele planetelor
Venus şi Marte, descoperite recent de astrofizicieni.
Inventat în anii 1960, laserul este un tip special de lumină, diferit de lumina
vizibilă, percepută de ochiul uman. Lumina ‘albă’ a Soarelui, care este suprapunerea
tuturor culorilor curcubeului, este emisă în toate direcţiile, fiind, prin urmare ‘incoerentă’.
Ingeniozitatea laserului constă în selecţionarea atomilor de energie, potenţată prin
31
‘pompaj optic’, apoi prinderea fotonilor între două oglinzi, într-un fel de cutie, până când
alcătuiesc un fascicul. Când acesta este destul de puternic, se formează o rază laser.
‘Lumina laser este mai disciplinată decât cea a soarelui; este un fascicul luminos
îmblânzit, a cărui dispersie este minimă’, spune Evelyne Gil, cercetătoare la Universitatea
Clermond-Ferrand. Un laser are totuşi un randament slab (între 0,01 şi 30%) şi necesită
un mare aport de energie pentru a activa atomii. Conceperea şi punerea în aplicare a
primelor lasere experimentale au durat peste 30 de ani, la cercetări contribuind mulţi
specialişti.
Albert Einstein a avut încă din 1917 intuiţia stimulării emisiei de fotoni. Primul
laser a fost produs în mai 1960 de americanul Theodore Maiman, care a obţinut o rază
roşie cu ajutorul unor rubine.
Inginer la Hughes Aircraft Company din Malibu (California), a obţinut un brevet
şi este considerat ‘părintele industriei electro-optice’. Cunoscută imediat, munca sa a fost
preluată de mari industriaşi, printre care Bell Labs, RCA Labs, IBM, Westinghouse şi
Siemens. Şi-a creat propria întreprindere, a fost de două ori nominalizat la Premiul Nobel
şi a primit prestigiosul Premiu al Japoniei.
Preţioasa descoperire a fost preluată de mediul industrial. Se pune la punct laserul
cu gaz, care nu este astăzi mai mare decât o franzelă: un cilindru de 20 cm lungime şi 4
cm diametru, conţinând un amestec de heliu şi neon. Apar şi primele aplicaţii, printre
care laserul de reperare, adevărat ‘fir cu plumb’ al secolului al XX-lea’. Turnul
Montparnasse de la Paris a fost construit şi prin alinierea a patru fascicule laser heliu-
neon de culoare roşie.
Proprietatea de direcţie precisă a laserului este folosită în telemetrie, pentru a face
măsurători la depărtare. Astfel, astronomii de la observatorul din Nisa-Coasta de Azur au
măsurat cu ajutorul unui laser infraroşu, având diametrul de 1,50 m, distanţa Pământ-
Lună, datorită unor mici oglinzi instalate pe solul lunar de misiuni americane Apollo.
Rezultatul: o distanţa medie de 384.000 km, cu o precizie de 3 mm. Traseul dus-întors
durează 2,6 secunde, iar cercetătorii au constatat că Luna se îndepărtează cu 3-5 cm/an.
Un alt program datorează mult laserului: este cartografierea suprafeţei planetei
Marte, realizată în anul 2000 de altimetrul Mola de la bordul sondei Mars Global
Surveyor. Cu ajutorul a 2,6 milioane de raze laser infraroşii, oamenii de ştiinţă de la
NASA au realizat o hartă de o excepţională precizie verticală şi orizontală. În sfârşit, mai
32
aproape de noi este faimosul ‘radar’ al poliţistului, de fapt o simplă diodă laser cu
infraroşii (invizibile), care măsoară viteza cu o precizie de 0,1 km/h.
Laserele industriale utilizate în metalurgie sunt mai puternice, cu ajutorul
laserelor Nd:YAG sau CO2 se obţin puteri de câteva sute de waţi pe o anumită perioadă
de timp sau de 10.000 W la impulsuri ultrascurte. Cu aceste instrumente, oamenii pot
decupa, străpunge sau suda. Puterea lor merge până la 1 milion de waţi/cm2, cu care se
pot suda două plăci de oţel, de 8 mm grosime, într-un timp mai scurt decât ne ia s-o
spunem.
O aplicaţie specială o constituie utilizarea laserului pentru decaparea faţadelor
monumentelor istorice sau a obiectelor de artă: este mai precis şi mai puţin destructiv
decât jeturile de mare presiune. În privinţa puterilor utilizate în chirurgie, ele sunt mult
mai mici, între 5 şi 50 waţi. Este cazul unui bisturiu laser cu gaz CO2, care poate opera
pe 1 mm2.
În oftalomolgie, un laser cu gaz de aragon şi fluor, de o mie de ori mai fin decât o
lamă de bisturiu, poate decupa 1 micrometru pătrat de cornee pentru corectarea miopiei.
În plus, căldura razei cauterizează vasele sanguine, reducând sângerările. În sfârşit, cu
ajutorul laserelor infraroşii, roşu şi albastru, se pot citi piese muzicale imprimate pe CD
sau DVD. Datorită acestui adevărat caleidoscop de aplicaţii, laserul este astăzi o
tehnologie de care oamenii nu se mai pot lipsi.
2. Prezentare generală
Laserii sunt dispozitive cuantice de emisie şi amplificare a radiaţiei în regiunile
optică şi cea a microundelor ce îşi bazează funcţionarea pe interacţiunea a două sisteme
fizice:câmpul electromagnetic dintr-o cavitate rezonantă şi mediul activ situat în aceeaşi
cavitate rezonantă, format din atomi, ioni, molecule etc.
Prin excitarea mediului printr-un procedeu oarecare (ciocniri electronice,transfer
rezonant de energie, reacţii chimice, câmpuri electrice şi magnetice) în mediul excitat se
acumulează o mare cantitate de energie electromagnetică,care în anumite condiţii poate fi
eliberată prin emisie stimulată,sub forma radiaţiei laser.
2.1. Formarea undei laser. Principiu de funcţionare
“Light amplification by stimulated emission of radiation”-“amplificarea luminii
prin emisia stimulata a radiatiei” este o instalaţie pentru generarea şi amplificarea
33
radiaţiei electromagnetice din domeniul vizibil, bazată pe fenomenul de emisie stimulată
a radiaţiei.Produce un fascicol monocromatic paralel, coerent şi foarte intens.
Dacă emisia stimulată este provocată de o radiaţie exterioară, aceasta va fi
puternic amplificată, laserul funcţionând ca amplificator cuantic de radiaţie; dacă emisia
stimulată este declanşată de primii fotoni emişi spontan în interiorul cavităţii, laserul
funcţionează ca generator cuantic de radiaţie.
Un dispozitiv laser este construit din două sisteme fizice în interacţie: câmpul
electromagnetic dintr-o cavitate rezonantă, respectiv dintr-un resonator optic şi un mediu
activ( situat în aceeaşi cavitate, respectiv în acelaşi rezonator optic ). Atomii, moleculele
sau ionii posedă două nivele energetice, a căror diferenţă de energie corespunde unei
frecvenţe care este în rezonanţă cu una dintre frecvenţele proprii ale cavităţii rezonante,
respectiv ale rezonatorului optic.
Dacă atomii sunt excitaţi pe nivelul energetic superior printr-un mecanism
oarecare, modul electromagnetic din cavitate îi stimulează, atomii transferând energia din
cavitate câmpului electromagnetic din acea cavitate. Energia tuturor atomilor este
convertită în energia unui singur mod pe frecvenţă căruia îi este acordată cavitatea.
Puterea câştigată de o undă electromagnetică la traversarea unui mediu activ este
proportională cu densitatea de energie spectrală, ωw , a undei incidente.
2.2. Poate orice mediu activ cuantic să fie un mediu activ laser?
După cum am văzut în capitolele precedente, laserii au apărut pe o anumită
treaptă a cunoaşterii umane, când înţelegerea fenomenelor legate de natura luminii a
permis stilizarea procesului de emisie stimulată în amplificarea radiaţiilor
electromagnetice.
Deşi Einstein a demonstrat existenţa emisiei stimulate încă din anul 1917,
posibilitatea utilizării ei în amplificarea radiaţiilor electromagnetice a trecut mult timp
neobservată, căci probabilitatea emisiei stimulate pe frecvenţe optice se dovedise a fi
infinit mai mică decât a emisiei spontane.
Renunţând la limitele ce le impunea echilibrul termodinamic acestei analize,
Townes, Basov şi Prohorov au putut exprima în perioada anilor 1951 - 1952 principiile
fundamentale teoretice, ce asigură ca emisia stimulată să se producă cu preponderenţă,
stabilind pentru prima dată modalităţile experimentale capabile să o evidenţieze.
34
Pentru a ne forma o imagine clară asupra cerinţelor ce se impun mediilor cuantice
(medii atomice sau moleculare) utilizate în construcţia dispozitivelor maser şi laser, vom
încerca să stabilim o serie de relaţii cantitative ce derivă din consideraţiile făcute de
Einstein în descrierea proceselor de emisie spontană, absorbţie şi emisie stimulată.
Să considerăm pentru început un sistem cuantic ideal, de tipul sistemului atomic
cu două niveluri energetice presupus anterior.
În situaţia în care între stările energetice 2E şi 1E ale sistemului pot apărea
tranziţii radiative de frecvenţă:
ν =h
EE 12 − (1)
conform teoriei lui Einstein există trei procese distincte ce se manifestă.
1. Emisia spontană - proces aleatoriu în care atomii sau moleculele aflate în starea
energetică superioară 2E revin spontan în starea energetică 1E prin emisia unui foton de
frecvenţă ν . Acest proces aleatoriu este descris de probabilitatea 21A care nu reprezintă
altceva decât inversul timpului petrecut de atomul sau molecula ajunsă în starea
energetică 2E până la revenirea prin emisie spontană în starea energetică 1E :
21A =tan
1
spont (2)
2. Absorbţia stimulată - proces prin care un foton de frecvenţă ν introdus sau existent în
mediul cuantic, determină ca un atom sau o moleculă ce se află în starea energetică
inferioară 1E să treacă în starea energetică superioară 2E . Rata de apariţie a unui astfel
de proces în unitatea de timp este:
12w = )(12 νρB (3)
3. Emisia stimulată - proces prin care sub acţiunea unui foton de frecvenţă ν , un atom
sau o moleculă ce se află în starea energetică superioară 2E este forţat să ajungă în starea
energetică inferioară 1E emiţând un al doilea foton de frecvenţă ν , identic cu fotonul
stimulator. Rata procesului este determinată de o relaţie similară cu relaţia (3) şi anume
21w = )(21 νρB (4)
În general se demonstrează că între coeficienţii Einstein 12B şi 21B există o corelaţie de
forma:
35
1g 12B = 2g 21B (5)
unde 1g şi 2g reprezintă ponderile statistice ce caracterizează stările energetice 1E şi 2E
, fiind o măsură a degenerescenţei acestora.
Ceea ce Townes, Basov şi Prohorov introduc nou în tabloul fenomenelor studiate
de Einstein, este existenţa procesului de “pompaj”, proces prin care echilibrul
termodinamic al sistemului este drastic perturbat, populaţiile nivelurilor energetice
putând căpăta valori arbitrare, ce se abat de la cunoscuta lege a lui Boltzman.
Tranziţia radiativă presupusă între stările 2E şi 1E , nu poate li definită în realitate
prin intermediul unei linii spectrale perfect monocromatice cu o frecvenţă şi lungime de
undă bine determinată, deoarece, există o anumită incertitudine Eδ cu care energia
stărilor implicate poate fi determinată.
Împrăştierea valorilor energetice 2E şi 1E ne determină să definim procesele de
interacţie prin intermediul unei curbe de absorbţie sau emisie de lărgime finită şi a cărei
formă e reprezentată printr-o funcţie de frecvenţă g(ν ).
Astfel presupunînd dν ca reprezentând o abatere infinit mică a frecvenţei de la
valoarea ν , atunci probabilitatea cu care are loc emisia sau absorbţia unui foton de
energie cuprinsă între hν şi h(ν +dν ) va fi determinată de g(ν )dν .
Din punctul de vedere al procesului de emisie stimulată, cele prezentate anterior
revin la faptul că un foton de frecvenţă ν nu va determina cu certitudine un alt foton de
frecvenţă ν , ci un foton de frecvenţă cuprinsă în intervalul ν - (ν +dν ) şi a cărui
probabilitate finită de apariţie va fi g(ν )dν .
Având în vedere aceste consideraţii cât şi rezultatele stabilite în relaţiile (4), (5) şi
(2), rata totală a emisiei stimulate pentru o radiaţie monocromatică de frecvenţă ν va fi:
36
21w (ν ) = tan
3
2
8 sponthc
νπ g(ν ) νI (6)
nude cu νI = c )(νρ (7) s-a notat fluxul de radiaţie sau intensitatea şi în care c reprezintă
viteza luminii prin mediul considerat.
Cunoscând ratele ce descriu cele trei procese implicate de existenţa stărilor energetice şi
considerând 1N şi 2N populaţiile arbitrare ale acestora, putem scrie ecuaţia ce descrie
evoluţia în timp a populaţiei nivelului superior, ca fiind:
dtdN 2 = - 2N 21A +( 12B 1N - 21B 2N ) )(νρ (8)
Deoarece, orice modificare a populaţiei nivelului superior implică emisia sau
absorbţia unui foton de energie hν , cu ajutorul relaţiei (8) putem stabili evoluţia
temporală a densităţii de energie a radiaţiei electromagnetice )(νρ existente în mediu.
Rezultă astfel:
dtd )(νρ
= hν ( - dt
dN 2 ) = hν 21B ( 2N - 1N1
2
gg
) )(νρ + 2N 21A hν (9)
Stabilirea acestei relaţii ne permite deja formularea unor observaţii cantitative
asupra mediilor cuantice în raport cu posibilităţile de utilizare ale acestora în scopul
amplificării sau generării de radiaţii electromagnetice coerente prin emisie stimulată.
Astfel se observă că:
- o radiaţie electromagnetică de frecvenţă ν corespunzătoare tranziţiei dintre cele două
niveluri energetice va fi atenuată sau amplificată după cum expresia ( 2N - 1N1
2
gg
) va fi
mai mică sau respectiv mai mare ca zero; ceea ce revine în ipoteza 2g = 1g ca populaţia
nivelului superior să fie mai mică sau respectiv mai mare decât a nivelului inferior;
- termenul 2N 21A hν ce caracterizează radiaţia provenită prin emisie spontană nu
depinde de densitatea de energie din mediu şi contribuie în cadrul procesului de
amplificare prin emisie stimulată, ca o sursă de zgomot, datorită modului haotic şi fără
nicio corelare de fază în care au loc tranziţiile spontane.
37
După cum se ştie din proiectarea amplificatoarelor de joasă şi înaltă frecvenţă
utilizate în radiotehnică ceea ce interesează în general pe lângă obţinerea amplificării
dorite este şi realizarea unui factor semnal/zgomot cât mai ridicat.
Pentru a satisface acest deziderat în realizarea amplificatoarelor bazate pe
procesul de emisie stimulată, vafi necesar ca pe lângă realizarea inversiei de populaţie
2N - 1N1
2
gg
> 0 (10)
mediul cuantic să fie caracterizat şi printr-o pondere scăzută a emisiei spontane.
Ţinând cont de aceste observaţii şi de faptul că raportul dintre rata proceselor de
emisie stimulată şi rata proceselor de emisie spontană devine supraunitar pentru radiaţiile
electromagnetice situate în domeniul microundelor, rezultă că mediile cuantice cu două
niveluri se pretează în general la realizarea amplificatoarelor şi generatoarelor de
microunde - ceea ce a şi fost confirmat de fapt prin construcţia în 1953 a maserului cu
amoniac.
Utilizarea acestui model simplu de "mediu cuantic şi în generarea radiaţiilor
electromagnetice de frecvenţe optice s-a dovedit nesatisfăcătoare, căci în condiţiile unei
emisii spontane cu probabilitate mult mai mare decât a emisiei stimulate pompajul poate
asigura cel mult egalizarea populaţiilor celor două niveluri şi nicidecum şi inversarea
acestora.
Eşecul înregistrat de Townes în perioada 1959—1961, în realizarea unui
amplificator prin emisie stimulată, între nivelurile 5p şi 3d ale vaporilor de potasiu,
nefiind decât o confirmare a unei concluzii devenită în prezent evidentă.
Primul „maser optic" nu s-a lăsat însă mult aşteptat, căci, pe baza cunoştinţelor de
spectroscopie existente, s-au putut elabora noi modele cuantice mai complexe şi în care
realizarca inversiei de populaţie prin „pompaj" devenea posibilă.
Dintre aceste modele cuantice, cel mai larg răspândite în rândul mediilor active
laser sunt modelele cu trei şi patru niveluri energetice.
Într-o schemă cu trei niveluri energetice, tranziţia stimulată, apare între nivelurile
2E şi 1E , nivelul 3E este folosit, după cum ne putem aştepta, ca intermediar în realizarea
„pompajului" pe starea energetică 2E a atomilor sau moleculelor ce se află iniţial pe
starea energetică 1E .
38
Introducerea nivelului energetic 3E este într-un fel asemănătoare cu introducerea
unei diode redresoare semiconductoare într-un montaj electronic ce vizează obţinerea
unui semnal de curent continuu dintr-un semnal de curent alternativ.
După cum se ştie, dioda are rolul, în acest caz, de a determina ca circulaţia
curentului electric să se producă într-un singur sens, menţinând astfel sarcina electrică
înmagazinată de condensatorul de filtrare al redresorului.
Prin analogie, nivelul 3E va trebui să asigure în procesul de „pompaj” trecerea
atomilor sau moleculelor din starea energetică 1E pe starea energetică E2 la o rată mult
mai mare decât rata caracteristică procesului de revenire prin emisie spontană de la
starea energetică E2 în 1E .
Cum însă în schemele electronice introducerea diodei conduce şi la scăderea
eficienţei prin căderea de tensiune existentă pe diodă, este de aşteptat c a , în baza
aceleiaşi analogii, şi eficienţa unei scheme energetice cu trei niveluri să fie afectată de
diferenţa de energie existentă între stările 3E şi 2E .
Pentru a asigura ca în condiţiile echilibrului termic (situaţie ce caracterizează
sistemul în absenţa „pompajului"), cea mai mare parte a populaţiei totale să se găsească
pe nivelul 1E în cazul schemelor cu trei niveluri, acest nivel este reprezentat, fie de
nivelul fundamental ( 1E = 0E ), fie de un nivel apropiat acestuia pentru care energia 1E
<< kT. La temperatura camerei, kT ≅ 0,025 eV.
Nivelul energetic 3E se alege astfel încât populaţia iniţială a acestuia să fie cât
mai redusă, iar rata de tranziţie de pe acest nivel pe nivelul 2E să fie suficient de rapidă
pentru a nu determina saturarea „pompajului".
Pentru asigurarea inversiei de populaţie impusă de amplificarea prin emisie
stimulată este, de asemenea, necesar ca timpul de viaţă al atomilor sau moleculelor din
starea energetică 2E , să fie suficient de mare, încât pe măsură ce atomii sau moleculele
ce ajung pe starea energetică 2E să nu existe şi un proces de relaxare prin emisie
spontană de rată apropiată..
Astfel de niveluri ce se caracterizează prin timpi de viaţă mari şi pentru care
tranziţiile sunt în general interzise se numesc niveluri metastabile.
39
Primul „maser optic" realizat pe o astfel de schemă energetică a fost „maserul
optic" cu rubin a lui Maiman (1960).
În cazul rubinului artificial, nivelul 3E este reprezentat de fapt prin două benzi de
niveluri energetice foarte apropiate - benzile 4 1f şi 4 2f - existenţa unui pompaj cu
condiţii de selectivitate mai puţin strânse determinând o sporire a eficienţei pompajului
ionilor de crom din starea 24 A pe E2 .
Dezavantajul principal al schemelor cu trei niveluri îl constituie populaţia ridicată
a nivelului 1E .
Pentru a elimina acest inconvenient, a fost elaborată schema cu patru niveluri
energetice, în care starea energetică 1E este astfel aleasă faţă de nivelul fundamental 0E
încât 1E >> kT.
În acest caz, faţă de condiţiile discutate anterior se impune, în vederea asigurării
inversiei de populaţie, ca timpul de viaţă al atomilor sau moleculelor din starea 1E să fie
mult mai mic în comparaţie cu timpul de viaţă al atomilor sau moleculelor din starea
energetică 2E . Altfel spus, este necesar ca nivelul 2E fie un nivel metastabil, iar nivelul
1E să prezinte o rată de relaxare pe nivelul fundamental, 10w , ridicată. Un exemplu tipic
de laser ce utilizează ca mediu cuantic un mediu cu o schemă energetică cu patru niveluri
este laserul cu He-Ne.
În acest caz, atomii de neon aflaţi în starea energetică 2 p ce corespunde stării 1E
vor cădea pe starea fundamentală într-un proces foarte rapid, timpul de viaţă al atomilor
pe starea 1E nedepăşind 810 − sec. Cum timpul de viaţă al nivelului 2s ce corespunde stării
40
2E , este de aproximativ 710 − sec, nivelul 1E denumit şi nivel laser inferior se va menţine
relativ gol în comparaţie cu nivelul laser superior 2E , inversia de populaţie fiind deci
realizată în condiţii mult mai avantajoase decât cele caracteristice schemelor cu trei
niveluri energetice.
Ca o concluzie la cele prezentate, rezultă că din numărul extrem de mare de medii
cuantice vor putea fi utilizate în amplificarea şi generarea de radiaţii electromagnetice
prin emisie stimulată numai acele medii care, pe lângă prezentarea tranziţiilor stimulate
de interes, vor îndeplini şi condiţiile impuse pentru timpii de viaţă şi ratele de relaxare ale
nivelurilor energetice corespunzătoare.
2.3 Condiţia de prag - condiţia laser
Aproape toate consideraţiile făcute până în prezent asupra proceselor de interacţie
a radiaţiei cu materia au condus la stabilirea unor metode şi relaţii energetice suficient de
complexe, pentru a ne permite formularea unei teorii capabile să descrie, într-o primă
etapă, funcţionarea dispozitivelor laser.
Această teorie, denumită şi teorie energetică, prin natura relaţiilor fundamentale
ce o generează, ne va permite punerea în evidenţă a principalelor aspecte ce
caracterizează amplificarea şi generarea de radiaţii electromagnetice prin emisie
stimulată.
Să considerăm deci, pentru început, cazul unei radiaţii electromagnetice ce se
propagă sub forma unei unde plane monocromatice de frecvenţă ν şi intensitate νI ,
printr-un mediu cuantic ideal definit ca şi în cazurile anterioare de cele două stări
energetice 1E şi 2E şi densităţile de populaţie 1N şi 2N corespunzătoare acestora.
Conform celor stabilite la prezentarea proceselor fundamentale de interacţie a radiaţiei
electromagnetice cu materia, între cele două stări energetice vor putea apărea 2N w
tranziţii stimulate pe unitatea de timp şi de volum, datorate emisiei stimulate şi 1N w
tranziţii stimulate datorate absorbţiei.
Cunoscând că fiecărei tranziţii stimulate i se asociază emisia sau absorbţia unui
foton, putem exprima puterea generată în interiorul volumului unitate, ca fiind:
volumP = ( 2N - 1N )whν (11)
41
Radiaţia electromagnetică astfel obţinută este însumată coerent (cu o relaţie de
fază definită), la radiaţia ce parcurge mediul, dcterminând ca în absenţa unui mecanism
de disipare, intensitatea să crească cu lungimea parcursă, conform relaţiei:
dzdI = ( 2N - 1N )whν (12)
unde z reprezintă coordonata de pe axa Oz a unui sistem cartezian de coordonate şi unde,
pentru simplificarea exprimării matematice, direcţia de propagare a undei plane
monocromatice presupuse iniţial este dată tot de această axă.
Ecuaţia (12) admite în general o soluţie de forma:
νI (z)= νI (0) ze )(νγ (13)
în care prin νI (0) s-a notat intensitatea radiaţiei electromagnetice în planul z = 0, iar prin
)(νγ coeficientul de câştig sau de atenuare exponenţială a radiaţiei, după cum 2N este
mai mare sau respectiv mai mic în raport cu 1N .
Folosind expresia (6) ce defineşte rata tranziţiei stimulate şi relaţiile (12) şi (13)
care au servit la definirea lui )(νγ vom putea exprima câştigul exponenţial pe unitatea de
lungime sub forma:
)(νγ =( 2N - 1N1
2
gg
) tan
3
2
8 sponthc
νπ g(ν ) (14)
Se obţine astfel o relaţie care. în condiţiile exprimării explicite a funcţiei g(ν ) de
procesele ce o determină, ne va permite o evaluare a proprietăţilor amplificatoare ce
caracterizează mediul cuantic considerat.
Să vedem deci, în continuare, care sunt principalele procese fizice ce conduc la
lărgirea liniilor de absorbţie sau emisie ale mediului şi cum se regăsesc acestea în forma
explicită a funcţiei g(ν ).
După cum se ştie de la studiul efectului Doppler din acustică, un receptor
înregistrează o variaţie de frecvenţă a semnalului emis de sursă, atunci când sursa şi
receptorul îşi modifică poziţia relativă apropiindu-se sau depărtându-se cu o viteză dată.
Un proces similar poate fi pus în evidenţă şi în cazul unui mediu cuantic gazos,
unde mişcarea relativă a atomilor sau moleculelor determină o modificare a frecvenţelor
implicate în procesele de absorbţie sau emisie stimulată şi, prin urmare, o lărgire a liniei
faţă de lărgimea sa. naturală.
42
Dependenţa funcţională a frecvenţei de tranziţie ν a unui atom (sau molecule)
aflat în mişcare, de frecvenţa de tranziţie în condiţii staţionare 0ν va fi:
ν = 0ν +cvz
0ν (15)
unde zv reprezintă componenta vitezei cu care se deplasează atomul în lungul direcţiei ce
leagă observatorul cu atomul în inişeare, iar c viteza luminii î n mediu.
Într-un mediu gazos de masă atomică (sau moleculară) M aflat în echilibru termic
la temperatura T , vitezele cu care se deplasează fiecare atom sunt descrise de o funcţie
de distribuţie:
f( xv , yv , zv ) = 23
2
kTMπ
( )
++− 222
2 zyx vvvkTM
e (16)
unde cu vx, vy, vz s-au notat componentele de viteză după axele Ox, Oy, Oz ale unui
sistem de coordonate cartezian, folosit în definirea spaţială a mediului.
Distribuţia astfel menţionată este cunoscută sub denumirea de distribuţie
maxwelliană şi ne permite să determinăm numărul de atomi sau molecule pentru care
vitezele pe direcţiile x, y, z sunt corespunzător cuprinse între vx şi vx + dvx, yv şi yv + dvy,
zv şi zv +dvz, ca fiind f( xv , yv , zv )dvxdvydvz.
Cum între viteza de deplasare a fiecărui atom sau molecule şi frecvenţa tranziţiei
stimulate observate există o dependenţă funcţională stabilită de relaţia (15), e de aşteptat
ca la definirea formei liniei g(ν ) să-şi aducă contribuţia individuală fiecare atom.
Un proces similar ce conduce la împrăştierea frecvenţei tranziţiilor stimulate sub
acţiunea individuală a atomilor din mediu poate fi întâlnit şi în cazul mediilor solide în
acest caz, împrăştierea frecvenţei tranziţiei stimulate este datorată vecinătăţii strânse a
atomilor din mediu, ce perturbă nivelurile energetice ale fiecărui atom prin prezenţa
câmpurilor electrice puternice caracteristice.
Astfel de procese, în care lărgirea liniei tranziţiei stimulate este rezultatul acţiunii
individuale a fiecărui atom sau molecule din mediu sunt denumite procese de lărgire
inomogenă.
Există şi procese ce determină lărgirea omogenă a liniilor î n care contribuţia
individuală a atomilor nu mai poate fi sesizată.
43
Un astfel de proces este pus în evidenţă cu uşurinţă într-un mediu gazos cu
densitate atomică suficient de ridicată pentru ca ciocnirile dintre atomii constituenţi să
reprezinte fenomenul predominant. Natura aleatoare a ciocnirilor impune în acest caz
definirea unei probabilităţi ce caracterizează distribuţia statistică a deplasărilor de
frecvenţă rezultate,la lărgirea liniei aducându-şi contribuţia toţi atomii din mediu în
ansamblu.
Fizica teoretică stabileşte că o linie lărgită inomogen are formă gaussiană, iar o
linie lărgită omogen o formă lorentziană. Formele relative ale acestor două curbe sunt
reprezentate în figură.
Forma liniilor Lorentz şi Gauss
În cazul lărgirii inomogene prin efect Doppler, expresia funcţiei g(ν ) se poate determina
relativ uşor dacă se ţine cont că g(ν )dν reprezintă probabilitatea existenţei frecvenţei de
tranziţie în intervalul de frecvenţă ν şi ν +dν şi că între frecvenţa observată a tranziţiei
şi viteza unui atom sau molecule ce satisface distribuţia maxwelliană există legătura
definită prin relaţia (15).
44
Presupunând că cititorii pasionaţi de mânuirea calculului matematic vor încerca să
rezolve singuri această demonstraţie, vom prezenta în continuare expresia ce se obţine
pentru g(ν ) în acest caz, ca fiind:
g(ν ) = ( )νπ
π∆
2ln2
∆−
−2
0
2/ννν
(17)
şi în care ν∆ reprezintă lărgimea de bandă a liniei, definită între frecvenţele la care g(ν )
scade la jumătate din valoarea de vârf Fg( 0ν ).
Pentru un mediu atomic de masă M:
ν∆ = c
02νM
kT 2ln2 (18)
În cazul unui proces colizional, se demonstrează că g(ν ) este reprezentat de o
curbă lorentziană de forma:
g(ν ) = ( )
∆+−
∆2
20 2
2 νννπ
ν
(19)
unde ν∆ reprezintă lărgimea de bandă a liniei ce depinde de intervalul de timp τ între
două ciocniri, conform relaţiei:
ν∆ = π τ1
(20)
Din analiza relaţiilor (17) şi (19) se observă că atât în cazul lărgirii inomogene,
cât şi în cazul lărgirii omogene, valoarea de vârf a liniei g( 0ν ) va fi proporţională cu ν∆1
.
Astfel, conform relaţiei (14) câştigul maxim în mediul considerat va fi cu atât mai
ridicat cu cât inversia de populaţie între stările energetice 1E şi 2E va fi mai mare, şi
lărgimea de bandă a tranziţiei stimulate va fi mai îngustă.
De asemenea, se poate observa că în cazul unei linii lărgită Doppler datorită
dependenţei invers proporţionale cu 3ν a câştigului, este de aşteptat ca pentru valori ce se
situează la limita spectrului electromagnetic (cazul radiaţiilor X şi γ ) condiţiile ce se
impun în realizarea inversiei de populaţie să devină mult mai severe.
45
După cum se ştie din radiotehnică, orice amplificator poate fi transformat într-un
oscilator prin aplicarea unei bucle de reacţie adecvate între intrarea şi ieşirea acestuia.
Funcţionarea unui astfel de oscilator poate fi reprezentă ca în figura de mai jos,
unde prin conectarea în buclă închisă a unui amplificator un filtru şi un limitator de
amplitudine se obţine generarea unei unde de frecvenţă şi amplitudine constantă.
Schemă bloc ce descrie funcţionarea unui oscilator electronic
Prin această analogie, schema propusă de Townes şi Schawlow în 1958 pentru
generarea de radiaţii electromagnetice prin emisie stimulată se explică foarte simplu, dacă
ţinem cont că zgomotul „alb” existent în sistemele electronice este înlocuit de zgomotul
datorat emisiei spontane, filtrarea este asigurată de caracteristica selectivă a rezonatorului
în care este amplasat mediul cuantic, iar amplificarea şi limitarea sunt obţinute prin
emisia stimulată şi saturarea câştigului în acest mediu.
Pentru ca sistemul astfel realizat, să permită generarea de unde electromagnetice
prin emisie stimulată, este necesar să fie îndeplinită o condiţie de oscilaţie similară cu cea
existentă în teoria oscilatoarelor electronice.
În cazul laserilor, o astfel de condiţie se numeşte „condiţie de prag” şi stabileşte
inversia critică de populaţie ce permite amorsarea oscilaţiilor.
Condiţia de prag se obţine prin egalarea de către amplificarea în mediu laser a
pierderilor existente în sistem.
Pierderile ce există într-un dispozitiv laser sunt cauzate în principal de:
- transmisia, absorbţia şi împrăştierea pe oglinzile rezonatorului;
- absorbţia şi împrăştierca în mediu activ laser datorată existenţei altor nivele energetice
sau impurităţilor prezente în mediu.
46
Pentru stabilirea pierderilor astfel menţionate, să considerăm că mediul laser
cuprins între oglinzile rezonatorului este caracterizat într-o primă aproximaţie numai prin
pierderile pasive în acesta, şi nu şi de câştigul pe unitatea de lungime stabilit anterior.
În acest caz, o undă plană de intensitate unitate se va întoarce după o trecere dus
şi întors între oglinzile rezonatorului, cu o intensitate:Lerr α2
21− (21)
unde 1r şi 2r reprezintă reflectivităţile celor două oglinzi ale rezonatorului,α un coeficient
exponenţial ce ţine cont de pierderile în mediu pe unitatea de lungime, iar L distanţa ce
separă între ele oglinzile rezonatorului.
Cunoscînd timpul cL2
în care intensitatea undei presupuse iniţial a scăzut la valoarea
Lerr α221
− şi exprimând atenuarea rezultată ca o scădere exponenţială cu o constantă de
timp:
fotont1
= [ ]L
cerr L
21 2
21α−− (22)
se poate defini, că scăderea intensităţii radiaţiei ce străbate mediul în unitatea de timp va
fi:
pierderidtdI
=fotontIν (23)
Acţiunea laser va apărea atunci când câştigul în mediu activ laser va egala şi
depăşi pierderile totale din sistem, deci se va îndeplini condiţia
castigdtdI
- pierderidt
dI
≥ 0 (24)
Ţinînd cont de relaţiile (23), (12), (14) se obţine astfel pentru ν = 0ν :
( 2N - 1N1
2
gg
) ≥foton
spon
tgct
)(8
03
20tan
ννπ
≡ cN (24)
Identitatea din termenul drept al inegalităţii (24) defineşte inversia minimă de
populaţie cN necesară asigurării într-un mediu activ laser a regimului de funcţionare
oscilant.
47
Cunoaşterea inversiei de populaţie minime sau critice ne permite să apreciem prin
intermediul puterii minime de pompaj eficienţa schemelor energetice prezentate cu ocazia
stabilirii caracteristicilor unui mediu laser.
În cazul schemei cu trei niveluri, deoarece 1E << kT populaţia nivelului 1E poate
fi considerată ca reprezentând jumătate din numărul total de atomi 0N existenţi în sistem.
Cum 2N - 1N = cN , iar densitatea de populaţie critică se poate considera mult mai
mică decât densitatea de populaţie totală, rezultă:
2N ≅2
0N
Astfel puterea minimă de pompaj pentru un laser cu trei niveluri va fi:
( ) niveluriP −3 ≅2
0
2τν VhN (25)
unde V reprezintă volumul ocupat de mediu laser, iar 2τ timpul de viaţă mediu al
atomilor aflaţi pe nivelul laser superior 2E .
Printr-un raţionament similar, în cazul laserului cu patru niveluri, pentru care cN
≅ 2N se obţine:
( ) niveluriP −4 ≅22τν VhN c (26)
Pentru a putea compara eficienţa celor două scheme, vom considera pentru exemplificare
că într-un laser cu mediu activ solid densitatea critică de populaţie şi densitatea de
populaţie sunt de ordinul 1610 3−cm , respectiv 1810 3−cm .
Înlocuind în relaţiile (25) şi (26) aceste valori, se obţine:
( ) niveluriP −4 ≅ 0,01 ( ) niveluriP −3 (27)
Astfel, în condiţiile aceleiaşi puteri de ieşire, laserii cu patru niveluri se dovedesc
a fi de aproximativ o sută de ori mai eficienţi decât laserii cu trei niveluri.
48
V. Tipuri de laseri
1. Clasificarea laserilor
Laserele se pot clasifica după criterii diferite:
1. Starea de agregare a materiei a mediului activ: solid, lichid, gaz, sau plasmă.
2. Domeniul spectral a lungimii de undă laser: spectrul vizibil, spectrul infra-roşu (IR), etc.
3. Metoda de excitare (pompaj) a mediului activ: pompaj optic, pompaj electric, etc.
4. Caracteristicile radiaţiei emise de laser.
5. Numărul nivelelor de energie care participă la efectul laser.
2. Laseri cu mediu activ solid
- Laserul cu rubin ( 32OAl cu impurităţi de +3Cr ), laser cu trei nivele, emite o radiaţie cu
lungimea de undă de 694,3 nm.
- Laserul cu patru nivele, laserul cu ioni de neodim introduşi ca impurităţi în cristalul de
1222 OAlY .
- Laserul cu sticlă dopată cu neodim.
Aceşti laseri lucreză în general în impulsuri de ordinul milisecundelor eliberând energii
cuprinse între 0,1 şi 100 J. Laserii cu mediu activ solid pot fi folosiţi pentru obţinerea
impulsurilor optice ultrascurte, cu intensitate de milioane de waţi pe durate de ordinul
nanosecundelor.
- Laserii cu semiconductori.
La aplicarea unei tensiuni electrice pe o joncţiune p-n, are loc injecţia de purtători
în joncţiune, recombinarea electronilor cu golurile făcându-se cu emisie de fotoni.
Mediile active cele mai folosite pentru laserii cu semiconductori sunt: GaAs,
GaAlAs , GaP, InSb. Liniile emise de diferiţii laseri cu semiconductori se întind între 0,3
- 30 micrometri.
2.1. Laserul cu rubin
După publicarea lucrării în care Shawlow şi Townes arătau posibilitatea acţiunii
laserului şi în spectrul infraroşu şi chiar şi în spectrul vizibil nu a trecut mult şi mulţi
cercetători au început să ia in considerare crearea unor astfel de aparate. Mulţi experţi
credeau că primele aparate de acest tip vor folosi un gaz. Însa a fost o mare surpriză când
49
Maiman, în 1960, a creat un aparat ce folosea rubinul pentru a produce efectul laser în
spectrul vizibil.
La început s-a crezut ca pompajul optic va fi ineficient, însă aceasta se întampla
numai pentru ioni cu rezonanţă mică, ca cei din gaze sau plasmă. În ceea ce priveste ionii
metalici, aceştia pot absorbi radiaţii de lungimi de undă aflate într-o bandă mai largă.
Radiaţiile cu lungimi de undă de 550 nm sunt absobite de o populaţie de ioni de
Cr 3+ aflată într-un cristal de corindon (care conţine Cr203 şi Al203 în raport de masă
1:2000), apoi se face o tranziţie rapidă, fără modificări de temperatură, spre un nivel
inferior metastabil de 5 milisecunde. Dacă energia de pompare depaşeşte o anumită
valoare, se poate face o inversie a populaţiilor, care să treacă de la o stare neutră la acest
nivel metastabil. Performanţele laserului cresc mult dacă se află în interiorul unui
rezonator optic.
Primul laser optic, construit de Maiman în 1960, era un laser cu pulsaţie, din
motive de disipare a căldurii şi a necesităţii unei energii mari de pompare. Nelson şi
Boyle au creat în 1962 primul laser continuu cu rubin, înlocuind sursa (o lampă-bliţ) cu o
lampă cu arc.
La puţin timp după ce a fost anunţată prima reuşită a laserului optic, alte
laboratoare de cercetare au început şi ele, cu succes, să facă experimente cu lasere optice
care în loc de Cr aveau alte metale rare ca Nd, Pr, Tm, Ho, Er, Yb, Gd şi chiar U, iar în
locul cristalului de corindon s-a încercat folosirea unei combinaţii de Ytriu-Aluminiu-
Garnet, CaF2, sau sticlă (care era şi mai uşor de fabricat). Aceste lasere şi-au găsit, odată
cu îmbunătăţirea metodelor de fabricaţie, şi aplicaţii practice.
50
Laserul cu rubin
Laserul cu rubin este alcătuit, în principal, dintr-un cristal cilindric de rubin, două
oglinzi paralele, argintate sau aurite şi un tub de descărcare, în formă de spirală, umplut
cu un gaz nobil şi conectat la un condensator de mare capacitate . Dupa cum se stie,
rubinul este un oxid de aluminiu care conţine mici cantităţi de ioni de crom. Cilindrul de
rubin utilizat are lungimea de câţiva centimetri şi diametrul de câţiva milimetri. Cele
două oglinzi plane şi paralele, şlefuite cu mare grijă, sunt argintate sau aurite în aşa fel
încât una dintre ele este complet opacă, iar cealaltă parţial transparentă, ca să poată
permite razelor laser să părăsească instalaţia. Ele sunt aşezate la capetele cilindrului de
rubin, uneori se metalizează chiar capetele cilindrului. Tubul de descărcare, în formă de
spirală, umplut cu neon, xenon sau amestecuri de neon şi cripton este conectat la un
condensator şi funcţionează asemenea blitz-urilor de la aparatele fotografice. Tubul de
descărcare emite într-un timp foarte scurt, de ordinul miimilor de secundă, o lumina
obişnuită, dar intensă, care provoacă inversiunea populaţiilor în cristalul de rubin. În
desfăşurarea acestui proces o importanţă deosebită o au impurităţile de crom înglobate în
cristalul de rubin. Ionii de crom au trei nivele energetice pe. În stare normală, ionii de
crom au energia E1 corespunzătoare nivelului inferior. Studiul nivelelor energetice ale
cromului arată că dacă se iradiază cristalul de rubin cu lumina produsă de tubul de lumină
verde cu lungimea de undă egală cu 0,560 µ m, o parte din ionii de crom din starea
normală îşi vor mări energia datorită absorbţiei radiaţiei verzi, trecând într-o stare
energetică superioară E3. În acest caz ionii de crom de pe nivelul E1 pot trece prin pompaj
optic pe nivelul E3.
Laserul cu rubin, laserul cu patru nivele şi laserul cu sticlă dopată cu neodim
lucrează în general în impulsuri de ordinul milisecundelor eliberând energii cuprinse între
0,1 şi 100 J. Laserii cu mediu activ solid pot fi folosiţi pentru obţinerea impulsurilor
optice ultrascurte, cu intensitate de milioane de waţi pe durate de ordinul nanosecundelor.
51
Rubinul este un cristal sintetic de Oxid de Aluminiu (Al2O3), şi este foarte
familiar în viaţa cotidiană ca o piatră preţioasă pentru bijuterii.
Structura chimică a rubinului este Al2O3 (care este denumit Safir), cu impurităţi de
aproximativ 0,05% (ca greutate) de ioni de Crom (Cr+3).
Ionul activ este Cr+3, care înlocuieşte atomul de Al din cristal. Ionul impuritate de
Cr+3 este responsabil pentru nivelele de energie care participă în procesul laser.
Nivelele de energie ale laserului cu rubin
Diagrama nivelelor de energie ale laserului cu rubin este descrisă în figura :
Diagrama nivelelor de energie pentru laserul cu rubin
Acest sistem este un laser cu trei nivele de energie cu tranziţiile laser înte E2 şi E1.
Excitarea ionilor de crom este realizată cu pulsuri de lumină de la o lampă flash (în
general cu Xenon).
Ionii de crom absorb lumina cu lungimile de undă în jurul valorii de
545nm(500÷600 nm). Ca rezultat ionii sunt transferaţi pe nivelul de energie excitat E3.
De pe acest nivel de energie ionii sunt atraşi în jos pe nivelul de energie
metastabil E2 printr-o tranziţie ne-radiativă. Energia eliberată în această tranziţie
neradiativă este transferată vibraţiei cristalului şi schimbată în căldură care trebuie scoasă
afară din sistem.
Timpul de viaţă pe nivelul metastabil (E2) este în jur de 5 ms.
Laserul cu rubin are o altă bandă de absorbţie ce poate fi utilizată pentru pompaj,
în domeniul spectral: 350 - 450 nm
52
Este dificil de realizat funcţionarea laserului cu rubin în undă continuă deoarece
acesta este un laser cu trei nivele. Totuşi, în 1962, prin utilizarea pompajului foarte
intens, utilizând o lampă cu arc cu presiune mare de vapori de mercur, a fost construit un
laser cu rubin în undă continuă.
Lungimea de undă emisă de laserul cu rubin este în domeniul spectral vizibil al
ochiului.
Deoarece ochiul este transparent la acestă lungime de undă, această radiaţie este
periculoasă pentru ochi.
Funcţionarea laserului cu rubin
Lampa flash este cea care primeşte energie de la un capacitor ce se descarcă.
Durata de descărcare este de ordinul microsecundelor, în felul acesta durata
pulsului luminos de excitaţie dat de lampa flash este de acelaşi ordin de mărime. Deci,
durata pulsului de radiaţie la ieşirea laserului cu rubin este de ordinul microsecundelor.
Unii fotoni sunt emişi prin emisie spontană în urma tranziţiei dintre nivelele de
energie E2 pe E1.
Datorită inversiei de populaţie dintre aceste două nivele de energie, aceşti fotoni
emişi spontan determină alţi fotoni ce vor fi emişi prin emisie stimulată.
Controlul direcţiei radiaţiei emise, este determinată de proprietăţile cavităţii
optice, şi de cuplorul de ieşire. Numai fotonii care sunt emişi de-a lungul axei laserului
vor cotinua să se întoarcă constrânşi de oglinzile cavităţii optice. Deci ei vor stimula din
ce în ce mai mulţi fotoni ce vor fi emişi pe direcţia axei.
Cantitatea de energie emisă în fiecare puls, este determinată de mediul activ şi de
sistemul de excitare.
Rubinul – Primul laser
Laserul cu rubin este un laser care funcţionează într-un domeniu foarte îngust al
parametrilor.
Laserul cu rubin este un laser cu trei nivele, şi el este o surpriză că a fost primul
laser făcut de om în istorie.
Deoarece în realitate, concret după primul articol publicat de Towns & Schawlow
a fezabilităţii efectului în spectrul vizibil, multe laboratoare de cercetare au investigat cu
efort realizarea primului laser. Prezumţia comună a fost că pompajul optic este ineficient
deoarece aceştia erau gândiţi ca gaze, şi ca în explicaţiile anterioare, lăţimea absorbţiei
53
spectrale în gaze este foarte îngustă. Aceştia, cu toate că pompajul lor cu o sursă cu bandă
largă cum ar fi o lampă flash, ar fi foarte ineficient, cea mai mare parte a energiei de
excitare nu va fi absorbită, şi inversia de populaţie nu va fi realizată.
Barele de rubin mici au un diametru în jur de 6 mm, şi lungimea în jur de 7 cm.
Barele de rubin mari au un diametru în jur de 20 mm, şi 20 cm în lungime.
În figura următoare este descrisă schema primului laser cu rubin construit de Theodore
Maiman.
Descrierea schematică a primului laser cu rubin
Cum cristalul de rubin este o bijuterie, povestea spune că nevasta lui Maiman
avea la gâtul ei unul când ei veneau la conferinţă.
Rezumatul laserului cu rubin
Conform clasificării în grupe:
• Laser cu corp solid.
• Emite radiaţie în domeniul roşu al spectrului vizibil.
• Pompaj optic.
• Radiaţia este emisă în pulsuri.
• Laser cu trei nivele.
2.2. Laserul semiconductor
Sunt cele mai compacte lasere, care sunt formate din joncţiuni între
semiconductoare cu propietăţi electrice diferite. Arsenidiu de galiu este cel mai comun
semiconductor folosit.
54
Mediul semiconductoarelor este excitat prin aplicarea directă de-a lungul
joncţiunii. Aceste tipuri de laser, oferă cea mai mare putere la ieşire în impulsuri de
lumină (cu durata 12 X 10 15 secunde) şi sunt folosite în studiul fenomenelor fizice de
durată scurtă. Excitarea atomilor din mediul laser solid se face prin descărcări electrice în
tub cu xenon, arcuri electrice sau lămpi cu vapori de metal. Gama de frecvenţă a luminii
laserului, trece de la infraroşu la violet. La aplicarea unei tensiuni electrice pe o joncţiune
p-n, are loc injecţia de purtători în joncţiune, recombinarea electronilor cu golurile
făcându-se cu emisie de fotoni. Mediile active cele mai folosite pentru laserii cu
semiconductori sunt: GaAs, GaAlAs, GaP, InSb. Liniile emise de diferiţii laseri cu
semiconductori se întind între 0,3-30 micrometri.
Laserul cu semiconductori este constituit ca şi celelalte tipuri de laser tot pe
şablonul mediu activ, sistem de excitare, rezonator optic. În acest caz un amestec
semiconductor este folosit ca mediu activ. Cel mai adesea se folosesc combinaţii de
elemente din aceleaşi perioade ale grupelor III-a şi V-a. Dintre acestea semiconductorul
cel mai folosit este cel format din Galiu si Arsen (GaAs). Alte medii active au fost
55
obţinute atât din amestecuri ale elementelor grupelor IIa şi VI- a (Zinc şi Seleniu – ZnSe)
cât şi din amestecuri de trei sau patru elemente. Ultimele două sunt mai des folosite
pentru emisia unor radiaţii mult mai precise din punct de vedere al lungimii de undă.
Sistemul de excitare este constituit din două straturi de semiconductori, unul de
tip p şi unul de tip n. Pentru a întelege mai bine aceste două noţiuni trebuie amintite
câteva considerente teoretice cu privire la fizica solidului, în special principiul
semiconductorilor.
Semiconductorii sunt o clasă de materiale larg folosită în electronică datorită posibilităţii
controlului proprietăţilor electrice. Rezistivitatea electrică a unui semiconductor scade
odată cu creşterea temperaturii iar valoarea ei poate fi modificată în limite foarte largi
(10-2 – 108 Ω cm). Într-un semiconductor foarte pur, conductibilitatea electrică este dată
de electronii proprii, numită şi conductibilitate intrinsecă, iar în cazul materialelor
impurificate avem de-a face cu o conductibilitate extrinsecă. Conductibilitatea
intrinsecă poate fi explicată pe scurt astfel. La 0 K, electronii sunt aşezaţi în legaturile
covalente formate între atomii semiconductorului intrinsec. Odata cu creşterea
temperaturii unii electroni se rup din legături fiind liberi să circule în tot volumul
cristalului. Se produce un fenomen de ionizare, iar în locul electronului plecat rămâne un
gol. Imediat el se ocupă cu un alt electron ălăturat, golul se deplasează o poziţie. Dacă
aplicăm un câmp electric în semiconductor, electronii liberi se vor mişca în sens invers
câmpului, dar şi golurile vor forma un curent pozitiv de acelaşi sens cu câmpul. Cel mai
interesant fenomen îl reprezintă modificarea spectaculoasă a rezistivităţii electrice a
semiconductorilor prin impurificare. Astfel, dacă din 105 atomi de siliciu unul este
înlocuit cu un atom de bor, rezistivitatea siliciului scade, la temperatura camerei, de 1000
de ori. Impurificarea reprezintă o problemă specifică şi fundamentală a fizicii şi
tehnologiei semiconductorilor. Dacă impurificăm germaniul (grupa IV-a, patru electroni
de valenţă) cu un element din grupa a V-a (cinci electroni de valenţă) vom obţine un
amestec cu un electron de valenţă liber. Această impuritate constituie un donor.
Semiconductorul astfel impurificat este de tip n, iar nivelul său de energie este mai
aproape de zona de conducţie. Dacă impurificarea este facută cu atomi din grupa a 3-a
(trei electroni de valenţă), acesta se va integra în reţeaua cristalină cu doar trei legaturi
covalente, rămânând, deci, un gol capabil de a captura electroni în jurul atomului
trivalent. Din această cauză atomii acestui tip de impurităţi au primit numele de acceptori.
56
Într-un semiconductor astfel impurificat vor predomina sarcinile pozitive, de unde
numele de semiconductor de tip p. Jonctiunile p – n sunt ansambluri formate prin alipirea
unui semiconductor de tip p cu unul de tip n . Zona de separare, interfaţa, are mărimi de
ordinul 10-4 cm. La suprafaţa semiconductorului n apare un surplus de electroni iar la
suprafaţa semiconductorului p un surplus de goluri. Astfel apare tendinţa de compensare
a acestora prin difuzia electronilor de la un semiconductor la celalalt.
Construire. Consideraţii practice
Revenind la laserul cu semiconductori, având stabilită o bază teoretică minimală
putem trece la detalierea practică a principiilor enunţate anterior.
Laserul cu conductori este, de fapt, un sandwich format din 3 straturi de
semiconductori la care se adaugă elementele sistemului de excitare. La acest tip de laser
energia necesară excitării sistemului de atomi din mediul activ cât şi factorul declanşator
sunt date de curentul electric care se aplică, conform figurii. Datorită faptului că acest
sandwich corespunde modelului clasic de diodă, de aici încolo se va folosi si termenul de
diodă.
Randamentul unei astfel de diode este în jurul a 30% dar amplificarea este destul
de mare. Curentul necesar trebuie să aibă o densitate de câteva mii de amperi pe
centimetru dar având în vedere că o diodă laser are mărimi foarte mici, curentul necesar
este adesea sub 100mA. Pentru a obţine rezultate satisfăcătoare, în practică se folosesc
mai multe straturi decât se prezintă în figură. Cât priveşte stratul activ, lungimea lui nu
depăşeşte 1 mm, iar grosimea sa este, în funcţie de model, de la 200 până la 10 nm. În
general grosimea stratului activ variază între 200 şi 100 nm. Datorită faptului că este atât
57
de subţire, fascicului emis este foarte divergent (pentru un laser) şi astfel laserul cu
semiconductori se bazează foarte mult pe rezonatorul optic ce trebuie ales cu mare grija şi
trebuie poziţionat foarte precis pentru a obţine performanţe maximale. De obicei un
sistem format din două lentile plan-convexe poziţionate cu feţele convexe una spre
cealaltă la anumite distanţe calculabile este suficient pentru a obţine un fascicul destul de
bine colimat cu razele aproape perfect paralele.
Din desenul de mai sus se poate observa ca emisia laser se face în două direcţii.
Acest fenomen este tratat în mod diferit in funcţie de necesităţi. Se poate crea o cavitate
rezonantă prin poziţionarea unei oglinzi perfecte şi a uneia semitransparente, se poate
folosi emisia “din spate” pentru a măsura proprietăţile fasciculului principal, se poate
folosi aceeaşi emisie din spate pentru a măsura şi controla curentul ce trece prin diodă.
Diodele laser sunt foarte sensibile la curenţi şi de aceea controlul strict asupra
acestora este absolut necesar. Uneori este necesară doar o variaţie mică a tensiunii sau a
puterii şi dioda se va arde. Mai jos
este un prezentat un montaj clasic de diodă cu posibilitate de control a curentului.
Diodele laser sunt poate, cele mai fragile dispozitive de emisie laser. Faptul că
stratul activ are, de fapt, mărimea unei bacterii este cel ce stă la baza afirmaţiei
anterioare. Acest strat poate fi uşor distrus prin supunerea la curenţi neadecvaţi, prin
influenţe electrostatice, prin încălzire excesivă. Stratul activ se poate autodistruge chiar şi
fără prezenţa vreunuia din factorii enumeraţi mai sus. Simpla emisie a luminii poate
vaporiza acest strat minuscul dacă lumina emisă este prea puternică.
58
O diodă, deşi minusculă, poate dezvolta puteri ale luminii de până la 3-5 mW.
Deşi sunt mai rare şi mult mai scumpe, diodele ce dezvoltă zeci de mii de mW există şi se
găsesc în inscriptoarele de CD şi în alte instrumente şi aparate de profil. În ceea ce
priveşte divergenţa fasciculului, în prezent, majoritatea pointerelor reuşesc performanţa
de a păstra divergenţa la sub 1 mm la fiecare 5 metri. Spectrul de culori acoperit de laserii
cu semiconductori este în zona roşie 630-780 nm dar nu este limitat numai aici.
Laseri verzi sau chiar albaştri există şi sunt intens cercetaţi. Problema este că
diodele de verde şi albastru au o viaţa efemeră (cele mai performante ating doar câteva
sute de ore) şi funcţionează la temperaturi scăzute (apropiate de 0 K). Faţă de clasicul
GaAs (care emite în roşu-IR), pentru laserii albaştri se preferă ZnSe şi GaN. Primul a fost
exclus treptat din cercetări datorită rezistivităţii mari, consumului mare de energie,
randamentului mic şi a multor altor factori descoperiţi experimental. Ultimele cercetări
s-au concentrat pe GaN, iar de când prof. Shuji Nakamura a realizat primul montaj
practic şi fiabil pentru generarea laserului albastru, cercetările au luat amploare. Un fapt
inedit, la data realizării diodei pentru laserul albastru, în 1993, Shuji Nakamura nu avea
nici măcar un doctorat în buzunar, era doar un simplu cercetător pierdut într-un laborator
al unei firme japoneze obscure. Recent, prof. Nakamura s-a alăturat colectivului
profesoral de la Colegiul de Inginerie al Universitatii Californiene din Santa Barbara,
SUA.
Revenind la laserii uzuali, trebuie menţionate şi o serie de pericole ce pot apărea
chiar şi pe lângă laserii cu semiconductori care sunt cunoscuţi a fi mai puţin puternici. S-a
calculat că o diodă obişnuită are o putere mult mai mare chiar şi decât a Soarelui la
ecuator. Toate amestecurile din stratul activ au o putere de emisie mult mai mare decât a
aceleiaşi cantităţi de suprafaţă solara. Diodele prezente pe piaţă fac parte din clasele II şi
III, ceea ce înseamnă că prezintă risc scăzut de vătămare la operarea conformă cu
manualul şi la expunerea fugară, efemeră a ochiului în raza laser. Totuşi, trebuie avut în
vedere că orice expunere îndelungată produce vătămări punctiforme ale retinei şi nu este
nevoie de efecte imediate pentru ca retina să fie vătămată. Regula numarul unu în lucrul
cu laserii - nu se priveşte direct în raza laser chiar dacă nu se simte nici o durere sau chiar
dacă raza este palidă. CULOAREA ŞI STRĂLUCIREA RAZELOR LASER NU AU
NICIO LEGATURĂ CU PUTEREA RADIAŢIEI. Aceste două proprietăţi sunt date de
lungimea de undă a radiaţiei care nu influenţează în mod decisiv puterea laserului. Pot
59
exista laseri cu o culoare roz palidă care să fie mai nocivi decât cei mai aprinşi şi roşiatici
laseri.
3. Laserul cu gaz
Funcţie de natura chimică a mediului activ, laserii cu gaz se împart în trei categorii:
- Laserii atomici au ca mediu activ gaze în stare atomică provenite din substanţe
monoatomice sau poliatomice prin disociere (laserul cu heliu-neon, cu oxigen, cu azot).
Aceşti laseri emit linii situate în infraroşu şi vizibil.
- Laserii ionici îşi bazează funcţionarea pe tranziţiile electronice dintre nivelele ionice ale
substanţelor ionizate (laserul cu argon ionizat, cu hologeni, cu azot, etc.). Aceşti laseri
emit linii în principal în vizibil şi ultraviolet.
- Laserii moleculari au ca mediu activ un gaz în stare moleculară sau vapori: ,,COHCl
.,,, 222 HCNNCOOH Liniile emise de aceşti laseri se găsesc în majoritate în infraroşu
dar sunt cunoscute şi în vizibil.
Liniile emise de aceşti laseri se găsesc în majoritate în infraroşu dar sunt
cunoscute şi în vizibil.
Primul laser cu gaz a fost laserul cu Heliu-Neon, funcţionând la lungimea de
undă de 1152,27 nm (Infra-roşu apropiat).
Excitarea unui laser cu gaz
Două tehnici principale de excitare sunt utilizate pentru laserii cu gaz:
• Descărcarea electrică,
• Pompajul optic.
Excitarea laserului cu gaz prin descărcare electrică
Aplicând înaltă tensiune pe electrozii de la capetele tubului ce conţine gazul, se
produce o descărcare electrică prin gaz.
Electronii sunt emişi de catod, acceleraţi către anod, şi se ciocnesc cu moleculele
gazului de-a lungul drumului.
În timpul ciocnirilor, energia cinetică a electronilor este transferată moleculelor
gazului, şi îl excită (această metodă identică de transfer de energie este utilizată în
lămpile de fluorescenţă convenţionale).
Excitarea laserilor cu gaz prin pompaj optic
60
Excitarea mediului activ laser prin pompaj optic, necesită ca spectrul de absorbţie
a mediului să fie similar cu spectrul de emisie a sursei de pompaj, în felul acesta va
absorbi o cantitate mare de radiaţie.
Sursele convenţionale utilizate pentru pompajul optic au spectrul de emisie îngust,
în felul acesta numai numai o parte mică de lumină este utilizată în procesul de excitaţie.
Deoarece atomii gazului absorb numai o mică parte a spectrului, pompajul optic nu este în
general o metodă eficientă pentru laserii cu gaz.
Spectrul de absorbţie al solidelor este mai larg decât spectrul de absorbţie al gazelor,
astfel eficienţa pompajului laserilor cu corp solid cu surse optice convenţionale este
superioară celor cu gaz. Astfel laserii cu gaz sunt în special excitaţi prin descărcare
electrică.
Când dorim să excităm un laser cu gaz prin pompaj optic, avem nevoie să utilizăm o
sursă optică cu lăţimea benzii foarte îngustă, care corespunde liniei spectrale înguste de
absorbţie a gazului. O sursă bună pentru pompajul optic al laserului cu gaz este alt laser.
Această metodă este utilizată pentru pompajul laserilor cu gaz în infra-roşu
îndepărtat precum laserul cu CO2.
Clasele laserilor cu gaz
Convenţional, laserii cu gaz se divid în 3 grupe:
I. Atomici –Mediul activ laser este compus din gaz atomic neutru precum Heliu-Neon şi
vapori de cupru.
II. Ionici – Mediul activ laser este compus din gaz ionic precum argonul ionic sau Heliu-
Cadmiu.
III. Moleculari – Mediul activ laser este compus din gaz molecular precum dioxidul de
carbon (CO2), Azot (N2), Laser cu excimeri, Laseri chimici (HF, DF), Laseri în infra-
roşul îndepărtat (FIR).
I. Laserii cu gaz neutru (atomic)
Mediul activ în aceşti laseri este gaz nobil în stare neutră sau vapori metalici.
Caracteristicile laserului:
• Gazul activ este utilizat în amestec cu alte gaze. Extra gazul (gazele) ajută la creşterea
eficienţei de excitare.
• Câştigul maxim se obţine cu un tub cu diametru foarte mic.
• Laserii cu gaz în general funcţionează în undă continuă.
61
3.1. Laserul cu Heliu-Neon (He-Ne)
Laserul cu Heliu-Neon era cel mai utilizat laser până când a fost depăşit de diodele
laser în ultimii câţiva ani. Acesta a fost construit pentru prima oară în 1961 de Ali Javan.
Mediul activ este un amestec de Heliu (He) şi Neon (Ne), şi acesta este un laser cu 4
nivele.
Diagrama nivelelor de energie a laserului cu Helui-Neon este descrisă în figura de
mai jos.
Diagrama nivelelor de energie a laserului cu He-Ne
Două nivele de energie metastabile acţionează deasupra nivelelor laser. Laserul cu
He-Ne are două nivele laser inferioare, în felul acesta toate lungimile de undă pot fi emise
ca tranziţii între aceste nivele.
Cele mai importante lungimi de undă sunt:
1λ = 632,8 nm, 2λ = 1152 nm, 3λ = 3391,3 nm, 4λ = 543,5 nm
Rolul gazului de Heliu în laserul cu He-Ne
Rolul gazului de Heliu în laserul cu He-Ne este de a creşte eficienţa procesului
laser. Heliul produce două efecte particulare:
62
1. Excitarea directă a gazului de Neon este ineficientă, dar excitarea directă a gazului
atomic de Heliu este foarte eficientă.
2. O stare excitată a atomului de Heliu (nivelul de energie E5) are un nivel de energie care
este foarte similar cu energia unei stări excitate a atomului de Neon (de asemenea
nivelul de energie E5).
Procesul de excitare a atomilor de Neon este un proces cu două etape:
• Înalta tensiune aplicată provoacă accelerarea electronilor de la catod înspre
anod. Aceşti electroni ciocnesc atomii de Heliu şi le transferă energie
cinetică.
• Atomii de Heliu excitaţi se ciocnesc cu atomii de Neon, şi îşi transferă
energia de excitare.
Astfel gazul de Heliu nu participă în procesul laser, dar creşte eficienţa excitării în
aşa fel încât eficienţa laser creşte cu un factor de aproximativ 200 (!).
Lungimea de undă roşie de ieşire a laserului cu He-Ne
Cele mai multe aplicaţii a laserului cu He-Ne utilizează lungimea de undă roşie,
deoarece aceasta este o linie puternică şi este în regiunea vizibilă a spectrului.
Cum s-a arătat în figura 6.1, această radiaţie roşie este emisă de atomul de Neon
la trecerea de pe nivelul de energie notat E5 pe nivelul de energie notat E2, diferenţa de
energie foarte mare ca pentru alte tranziţii.
O problemă cu producerea acestei radiaţii roşii este că atomul de neon din starea
E5 poate emite de asemenea radiaţia 3391.3 nm. Această emisie scade populaţia nivelului
de energie E5, fără să producă radiaţie vizibilă.
Soluţia acestei probleme este utilizarea unui strat special pe oglinzile laser cu
reflectivitate selectivă numai pentru radiaţia roşie. Acest strat special produce reflexia
înapoi în cavitatea optică numai a lungimii de undă dorită (roşie), în timp ce toate
celelalte lungimi de undă sunt transmise în afară, şi nu poate să se întoarcă şi să treacă
prin mediul activ.
Într-un mod similar, poate fi utilizat alt strat cu reflectivitate selectivă pentru a
selecta altă tranziţie. Această procedură permite construcţia laserilor cu He-Ne la alte
lungimi de undă din spectrul vizibil. De exemplu, pot fi realizaţi laseri cu He-Ne pe
portocaliu, galben şi verde, dar eficienţa laser este mult scăzută faţă de cea pentru roşu.
63
Absorbţia şi amplificarea în laserul cu He-Ne
La deplasarea luminii prin mediul activ, asupra radiaţiei acţionează două procese
diferite: absorbţia şi amplificarea. Într-un laser He-Ne standard, amplificarea produsă
de mediul activ este de ordinul a 2%. În timpul unei treceri prin mediul activ (de la o
oglindă la cealaltă) cantitatea de radiaţie din interior creşte cu un factor de 1,02. Astfel, se
obţine o amplificare a luminii, toate pierderile, incluzând ciocnirile atomilor excitaţi cu
pereţii tubului de gaz, absorbţia de către alte molecule, etc., trebuie să fie mai mici de
2%.
Laserul cu He-Ne este un laser cu 4 nivele de energie, în felul acesta timpul de
viaţă al nivelului de energie laser inferior trebuie să fie foarte scurt. În gazul de neon, care
este gazul activ laser, tranziţia (dezexcitarea) de pe nivelul de energie laser inferior nu
este suficient de rapidă, dar aceasta este accelerată de ciocnirile cu pereţii tubului.
Deoarece numărul ciocnirilor cu pereţii tubului creşte cu cât tubul este mai îngust,
câştigul laser este invers proporţional cu raza tubului. Deci, diametrul tubului laserului cu
He-Ne trebbuie să fie cât mai mic posibil.
Câştigul scăzut al mediului activ în laserul cu He-Ne limitează puterea de ieşire la
o puere scăzută. În prototipurile de laborator s-au obţinut puteri de ieşire de ordinul a 100
mW, dar laserii comerciali sunt disponibili numai cu puteri de ieşire de ordinul a 0,5 - 50
mW.
Cuplorul de ieşire al laserului cu He-Ne este oglinda cu depunerea ce transmite
doar 1% din radiaţie la ieţire. Aceasta înseamnă că puterea din interiorul cavităţii optice
este de 100 de ori mai mare decât puterea emisă.
Structura laserului cu He-Ne
Laserul cu He-Ne conţine trei componente principale:
• Tubul de plasmă.
• Cavitatea optică.
• Sursa de putere.
Tubul de plasmă al laserului cu He-Ne:
Capilarul interior al tubului are un diametru de aproximativ 2 mm şi lungimea de
zeci de centimetri. Tubul interior este împrejmuit de alt tub gros cu diametrul de
aproximativ 2,5 cm şi este etanşat la capete.
64
Prorietăţile tubului exterior sunt:
− De a determina o structură stabilă ce protejază tubul capilar şi oglinzile laser de a se
deplasa.
− Acţionează ca un rezervor de gaz mare de reîmprospătare cu gaz de Neon ce poate fi
absorbit de catod.
Procesul laser, ce produce radiaţia electtromagnetică, este limitat în interiorul
tubului capilar ce este umplut cu un amestec de gaz.
Amestecul de gaz are Heliu, şi 85 - 90%He şi 10 - 15% Ne, în proporţie de la 1:6
la 1:10.
Presiunea gazului este de 0,01 atmosfere. La extremităţile tubului, electrozii sunt
conectaţi la sursa de potenţial înalt (continuu sau alternativ).
Cavitatea optică a laserului cu He-Ne:
Cavitatea unui laser cu He-Ne convenţional este o cavitate optică semi confocală.
Aceasta este compusă dintr-o oglindă plană, cu o reflectivitate de aproximativ
98% a luminii reţinută în cavitate, şi a doua oglindă concavă cu reflectivitate 100%.
Această oglindă concavă are distanţa focală egală cu lungimea cavităţii.
Structura cavităţii laserului cu He-Ne
Acest aranjament al oglinzilor determină obţinerea unei radiaţii ca un fascicul
paralel.
Sursa de putere a laserului cu He-Ne:
Laserii cu He-Ne ce dau puteri mai mari de 1mW (tipurile standard utilizate de
studenţi în laboratoarele experimentale), folosesc uzual surse de curent continuu (DC) la
65
tensiuni înalte de peste 200 V. Laserii au nevoie de curent constant (alimentare constantă
de electroni), deci este utilizată o sursă de curent constant.
Pentru iniţializarea efectului laser, gazul din tub trebuie să fie ionizat. Această
acţiune este produsă de un puls de tensiune maximă a sursei de putere. Acest potenţial
este denumit potenţial de aprindere al laserului. La momentul de început al descărcării,
rezistenţa electrică a tubului printr-o cascadă pe neaşteptate ajunge la o valoare scăzută.
Aceasta înseamnă că tensiunea scade rapid, în timp ce curentul creşte. Astfel, conform
legii lui Ohm aceasta are o rezistenţă electrică negativă (descreşterea în tensiune alături
de creşterea în curent).
Pentru rezolvarea acestei probleme, se conectează un rezistor de balast foarte
aproape de anod, în serie cu sursa de putere. Rolul rezistorului de balast este de a limita
curentul prin tub când rezistenţa tubului scade abrupt (în cascadă).
Exemplu: Pentru un laser ce funcţionează la un curent de 5 mA, rezistorul de
balast este de 60 - 90 k Ω , şi tensiunea pe acesta este de 300 - 450 V.
După începerea efectului laser, sursa de tensiune este coborâtă în jur de 1100 V,
necesară pentru funcţionarea laserului în mod continuu.
Una din problemele laserilor este căldura ce se degajă în laser şi în rezistorul de
balast.
Alte exemple de laseri cu gaz sunt:
Laserul cu vapori metalici:
a. Laseri cu vapori metalici neutrii, care includ:
1. Laserul cu vapori de cupru (CVL)
2. Laserul cu vapori de aur (GVL)
b. Laserii cu vapori metalici ionizaţi, care includ:
Laserul cu Helui-Cadmiu (He-Cd).
Aplicaţiile laserilor cu vapori de cupru:
1. Surse de pompaj pentru laserii cu colorant, pentru pulsuri scurte.
2. Iluminarea obiectelor în fotografierea la viteză ridicată.
Ieşirea laserului cu vapori de cupru este o radiaţie laser în domeniul vizibil cu pulsuri foarte
scurte, la o frecvenţă a pulsurilor foarte mare. Deci, această radiaţie poate fi utilizată ca o
sursă de iluminare pentru fotografierea flash la viteze mari. Un exemplu este fotografierea
gloanţelor de puşcă cu viteze de 300 - 15.000 m/s
66
3. În justiţie: identificarea amprentelor digitale, şi urmele elementelor speciale în
criminalistică. Radiaţia laser este utilizată la iluminarea probelor, şi este examinată
fluorescenţa la lungimi de undă ridicate. Deoarece puterea peak-ului laser este ridicată, pot fi
identificate urme reziduale care nu pot fi identificate utilizând surse de lumină spectrale
înguste convenţionale.
4. Terapia foto-dinamică (PDT). Distrugerea selectivă a celulelor canceroase prin iradierea
laser la o lungime de undă specifică, după injectarea unui medicament special pacientului.
5. Îmbogăţirea uraniului (U235). Pentru fotoionizarea selectivă a U235 în vaporizarea uraniului
natural. Cantitatea de U235 din uraniul natural este foarte mică, şi foarte dificil de separat.
Utilizând laserii cu vapori de cupru, este posibilă ionizarea selectivă numai a U235, şi
colectarea materialului ionizat pe discuri încărcate electric.
Principalele cercetări în îmbogăţirea uraniului au fost făcute în laboratoarele
Lawrencce Livermore din SUA.
Laserii cu vapori de aur
Laserul cu vapori de aur este similar cu laserul cu vapori de cupru ca structură, şi
principii de funcţionare. Uneori, acelaşi sistem (tub laser şi sursa de putere) este utilizat
pentru ambii laseri. Singura schimbare este înlocuirea cuprului solid cu o sârmă de aur
pur.
Lungimea de undă a laserului cu vapori de aur este roşie: λ = 628 nm.
Principalele aplicaţii ale laserilor cu vapori de aur sunt în tratamentele
experimentale de cancer prin terapie foto-dinamică (PDT).
II. Laseri cu gaz ionizat
Cei mai utilizaţi laseri cu gaz ionizat sunt cei cu gaze nobile Argon (Ar+) şi Kripton (Kr+).
3.2. Laserul cu argon
A fost iventat în 1964 de William Bridges şi Hughes.
Laserul cu argon ionizat conţine un tub umplut cu argon gaz ce se transformă în
plasmă într-o stare excitată (plasma este o stare a materiei în care electronii sunt
separaţi de atomi şi molecule, care în mijloc conţine electroni liberi şi ioni).
O diagramă schematică a nivelelor de energie pentru laserul cu argon este arătată
în figura următoare:
67
Diagrama nivelelor de energie pentru laserul cu Argon ionizat.
Cele mai importante două tranziţii laser au lungimile de undă în vizibil:
Albastru 488 nm
Verde 514,5 nm
dar laserul cu argon ionizat emite deasemenea şi în spectrul UV: 351,1 nm şi 363,8 nm.
Laserii cu gaz ionizat sunt laseri numai în vizibil ce produc multe culori cu puteri
comparative mari (mai mari de câţiva waţi).
Aplicaţiile laserului cu argon ionizat:
1. Sursă pentru pompajul optic al laserului cu colorant.
2. Distractiv – show cu lumină laser, discoteci, şi afişaje laser.
3. Chirurgie generală – pentru aplicaţii ce utilizează absorbţia la lungimi de undă
specifice.
4. Oftalmologic în desprinderile de retină.
5. Medicina juridică – pentru determinări de fluorescenţă.
6. Holografie – Deoarece au putere mare în spectrul vizibil.
Laserul cu kripton este foarte asemănător cu laserul cu argon dar eficienţa lui este
mai mică.
Acest laser are multe linii în spectrul vizibil, în special în domeniul spectral de la
galben la roşu.
Puterea maximă de ieşire în fiecare linie este de aproximativ 100 mW.
68
Aplicaţiile cele mai importante ale acestui laser sunt în domeniile de artă şi
distracţii, la realizarea de efecte vizuale fantastice.
III. Laserii cu gaz molecular
Toţi laserii descrişi anterior se bazează pe tranziţiile electronice dintre diferite
nivelele de energie principale.
Într-o moleculă, nivelele de energie principale sunt subdivizate în nivele de
energie vibraţionale. Fiecare nivel de energie vibraţional poate fi subdivizat în nivele de
energie rotaţionale:
1. Nivelele de energie vibraţionale – nivele de energie asociate fiecăror oscilaţii de
atomi din moleculă.
2. Nivelele de energie rotaţionale – nivelele de energie asociate rotaţiei moleculei.
Din aceste nivele de energie sunt subdivizate nivelele de energie principale,
diferenţa dintre două nivele de energie vibraţionale între care se produc efect laser, este
mult mai mică decât diferenţa dintre nivelele de energie principale electronice. Astfel,
lungimile de undă asociate acestor tranziţii de energie dintre aceste nivele sunt mari, şi
uzual sunt în spectrul de infraroşu (IR).
Printre laserii moleculari, cel mai comun laser este laserul cu dioxid de carbon
(CO2).
3.3. Laserul cu dioxid de carbon (CO2)
Efectul laser în molecula de CO2 a fost demonstrat prima oară de C. Patel în 1964.
El a trimis un puls de descărcare electrică printr-un gaz pur de CO2 într-un tub
laser, şi a obţinut la ieşire un puls mic laser.
CO2 este un gaz în care se produce efect laser, dar pentru a îmbunătăţi eficienţa
laserului trebuie adăugate alte gaze în tubul laser.
Laserul standard cu CO2 include în mediul activ un amestec de CO2 cu N2 şi He.
Proporţiile optime a celor trei gaze în acest amestec depinde de sistemul laser şi de
mecanismul de excitare. În general, pentru un laser în undă continuă proporţiile sunt:
CO2:N2:He – 1:1:8
CO2 este o moleculă liniară, şi cei trei atomi sunt situaţi pe o linie dreaptă cu
atomul de Carbon în mijloc.
Cele trei moduri vibraţionale ale moleculei de CO2:
69
1. Modul de întindere simetrică ( 1ν ).
2. Modul de încovoiere (ν 2 ).
3. Modul de întindere asimetrică ( 3ν ).
Modurile de oscilaţie a moleculei de CO2
Tipuri de laseri cu CO2:
Sunt multe tipuri de laseri cu CO2, toate au aceleaşi principii fizice. Diferenţierea
dintre acestea este structura lor, mecanismul de excitare, şi radiaţia de ieşire.
Câţiva laseri cu CO2 sunt descrişi mai jos.
Laseri cu curgere de gaz de CO2
În aceşti laseri amestecul de gaz proaspăt curge continuu prin tubul laser în timpul
efectului laser.
Curgerea gazului este utilizată cînd este necesară o putere maximă la ieşirea
laserului cu CO2.
Gazul curgere de-a lungul tubului şi este scos afară în atmosferă (acesta nu este
otrăvitor).
Aceşti laseri sunt foarte simpli, şi nu necesită gaze cu puritate.
Pot fi obţinute la ieşirea acestor laseri puteri de sute de waţi.
Laserul cu CO2 etanşat (închis)
Laserul cu gaz este umplut cu amestecul optim de gaze şi etanşat (cum am văzut
la laserul cu He-Ne).
Se aplică un potenţial electric ridicat pe electrozii de la capetele extreme ale
tubului de gaz.
70
Electronii acceleraţi excită moleculele de gaz.
Problema care opreşte laserii etanşaţi este disocierea moleculelor de CO2 în CO şi
oxigen în timp. Pentru a reduce acest efect, este adăugat un agent catalizator în amestecul
de gaz. Acest agent catalizator produce o reacţie inversă disocierii şi reformează
molecula de CO2 care este necesară efectului laser.
Laserii cu CO2 etanşaţi au o utilizare limitată cu puteri de ieşire mai mici de 200
Waţi.
Uneori rezervorul de gaz este ataşat tubului etanş pentru a se reîmprospăta gazul
din efectul laser din tub cu cel din rezervor.
Noile clase de laseri etanşi cu CO2 sunt construiţi din metal ce nu au tub de sticlă.
Aceşti laseri nu sunt excitaţi direct prin descărcare electrică creată de tensiune înaltă, ci
prin tensiune de radiofrecvenţă (RF).
Laserul cu CO2 cu ghid de undă în interior
Când diametrul tubului laser este redus la dimensiuni de ordinul a 1 milimetru, se
realizează un ghid de undă.
Radiaţia din interiorul tubului cu diametru mic este confinată de a se deplasa de-a
lungul tubului, cu pieerderi mici.
Utilizând tuburi ceramice, pot fi construite lasere cu CO2 foarte mici.
Aceşti laseri mici cu CO2 pot produce peste 50 Waţi radiaţie undă continuă.
Laserii cu CO2 cu curgere de gaz transversal
Când în interiorul laserului gazul curge perpendicular pe axa laserului, este posibil
să avem o curgere lungă pe o distanţă foarte scurtă.
Răcirea gazului ce curge este foarte eficientă, aceasta face posibilă obţinerea la
ieşire a unei puteri ridicate din aceşti laseri.
Ambele curgeri de gaz şi descărcări electrice în aceşti laseri sunt de-a lungul lăţimii
laserului.
Astfel, distanţa dintre electrozi este scurtă, deci descărcarea electrică poate fi
realizată orizontal pe gaz la presiune foate înaltă (mai mari de câteva atmosfere).
Curgerea transversală este utilizată pentru laserii cu CO2 de putere foarte mare.
Laserii din natură !
Este bine să ştim că laserul este o descoperire tehnologică, şi laserul a fost
„invenţia anilor 60”.
71
Acum este cunoscut că laserii cu CO2 există în natură fără intervenţia umană.
Am văzut că echilibrul termodinamic este starea standard în natură, şi acea
„inversie de populaţie” care este o condiţie pentru efectul laser, nu este o situaţie de
echilibru.
În unele cazuri specifice, inversia de populaţie există în natură ! Norii fierbinţi de
gaz apropiaţi stelelor crează maseri naturali. Lumina acestor stele determină excitarea
moleculelor de gaz pe nivele de energie ridicate, de pe aceste moleculele se depopulează
pe stări metastabile. Cantitatea de radiaţie emisă de aceşti nori fierbinţi este enormă, dar
radiaţia nu este emisă ca un fascicul colimat, precum într-un laser standard. Radiaţia este
emisă în toate direcţiile în spaţiu cum se vede în figura următoare.
Efectul laser în atmosfera de pe Marte
Identificarea efectului laser în stele a fost determinată prin examinare
spectroscopică a lungimilor de undă recepţionate de la stele.
Gazul fierbinte normal este în echilibru termodinamic. Acesta emite un spectru
continuu de lungimi de undă ce depinde de temperatura gazului. De asemenea acesta
emite lungimi de undă caracteristice gazului, cu o relaţie certă între intensităţile fiecărei
lungimi de undă.
Laserii emit numai lungimi de undă specifice ce corespund tranziţiilor energetice
dintre anumite nivele de energie.
Comparând intensităţile lungimilor de undă recepţionate de la stea, cu intensităţile
lungimilor de undă de la un gaz fierbinte, normal, se dovedeşte că există inversie de
populaţie în aceste stele. Alte proprietăţi de recepţie a radiaţiei, precum: direcţionalitatea,
polarizarea şi lăţimea spectrală a fiecărei linii spectrale confirmă această idee.
72
Proprietăţile laserului cu CO2
• Putere de ieşire ridicată. Laserii comerciali cu CO2 produc peste 10.000 Waţi continuu.
• Spectrul de ieşire este în domeniul spectral Infraroşu (IR): 9 - 11 mµ .
• Eficienţă foarte ridicată (peste 30%).
• Pot funcţiona continuu sau în impulsuri.
• Puterea medie de ieşire este de 75 W/m pentru curgere lentă de gaz, şi peste câteva sute
de W/m pentru curgere rapidă de gaz.
• Funcţionare foarte simplă, şi gazele nu sunt toxice.
Rezumatul laserilor cu CO2 în raport cu tipul de laser:
• Laser cu gaz.
• Emit în spectrul infraroşu (IR).
• Excitare electrică.
• Undă continuă, deasemenea poate funcţiona şi în pulsuri.
• Laser cu patru nivele.
Laserul cu CO
Acest laser este similar cu laserul cu CO2, excepţie pentru gazul activ – CO.
Spectrul de radiaţie la aceşti laseri este 5 - 6 mµ .
Una din problemele acestui laser este gazul de CO care este otrăvitor.
3.4. Laserul cu excimeri
Aceştia sunt laseri în care condiţiile necesare pentru efectul laser sunt obţinute în
moduri „exotice”.
De exemplu, vom examina o familie de laseri în care radiaţia este emisă de
molecule care există numai pentru o durată foarte scurtă.
Această moleculă este compusă dintr-un atom de gaz nobil: Argon, Kripton sau
Xenon, şi un atom de halogen: Flor, Clor, Brom sau Iod.
Un excimer este o moleculă care are o stare legată (existentă) numai într-o stare
excitată. În starea fundamentală această moleculă nu poate exista, şi atomii sunt separaţi.
Starea excitată există pentru o durată foarte scurtă, mai mică ce 10 nanosecunde.
Numele de excimer provine de la combinaţia a două cuvinte: excitat dimer (dimer
excitat), ce înseamnă că molecula este compusă din doi atomi, şi există numai în stare
excitată. (Uneori cercetătorii consideră aceste molecule ca fiind un complex, şi le
denumesc laser „Exciplex”).
73
Dezvoltarea istorică a laserilor cu excimeri
Laserul cu excimeri a fost inventat în 1971 în URSS de un grup de cercetători:
Basov, Danilychev, şi Popov. Aceştia au considerat emisia stimulată la o lungime de
undă de 172 nm pentru gazul de Xe la temperatură joasă, pompat de un fascicul de
electroni.
Primul efect laser în gaz nobil cu halogen (XeBr) a fost raportat în 1975 de Searl
şi Hart.
Nivelele de energie ale laserului cu excimeri
O combinaţie de gaze nobile este o contradicţie, deoarece gazele nobile sunt
inerte (cum indică şi numele lor). Atomii crează o stare legată numai după ce creşte foarte
mult energia lor de intrare într-o stare excitată ionizată. Această stare legată este nivelul
laser superior, de pe care molecula revine pe o stare fundamentală ne-excitată. Condiţia
de inversie de populaţie este îndeplinită la momentul când aceasta este în stare excitată,
deci populaţia de pe nivelul laser inferior este întotdeauna zero.
Figura de mai jos descrie diagrama nivelelor de energie pentru laserul cu excimeri, în
funcţie de distanţa dintre atomii din moleculă.
R reprezintă atomul de gaz nobil şi H reprezintă halogenul.
Diagrama nivelelor de energie ale unui laser cu excimeri
74
Groapa (groapa de potenţial) din diagrama stărilor excitate arată existenţa la un
moment dat în starea stabilă. În realitate aceasta nu este o groapă de potenţial în starea
fundamentală ce arată că aceasta nu este o stare legată a moleculei când nu este excitată.
Numai în interiorul ariei marcate din interiorul gropii de potenţial ale stării
excitate poate exista stare legată, şi aceasta are loc pentru o distanţă specifică dintre
atomi.
Funcţionarea laserului cu excimeri
Compoziţia amestecului de gaz din interiorul tubului unui laser cu excimeri este:
• Foarte puţin halogen (0,1 - 0,2% )
• Puţin gaz nobil (Argon, Kripton sau Xenon).
• Aproximativ 90% Neon sau Heliu.
Atomii de halogen pot proveni din molecule precum: F2, Cl2, Br2, sau din alte
molecule ce conţin halogeni precum: HCl, NF3.
Avantajul utilizării unui compus molecular de halogen, este activitatea chimică puternică
a moleculei de halogen (în special Fluorul).
Excitarea laserului cu excimeri
Excitarea laserului cu excimeri este realizată prin trecerea unui puls electric
puternic prin amestecul de gaz. Excitarea trebuie să fie realizată într-un timp foarte scurt
şi cu o putere foarte mare, plecând de la aproximativ 100 KW/ 3cm şi poate ajunge la
câţiva Megawaţi per cm3.
Electronii în gaz sunt acceleraţi datorită potenţialului înalt, şi energia lor cinetică
este transferată moleculelor de gaz prin ciocniri.
Moleculele de gaz nobil şi de halogen sunt rupte şi formează complexul legat
excitat.
Este posibil să îmbunătăţim eficienţa de pompaj prin ionizarea amestecului de gaz
utilizând iradierea cu raze X.
Rata de pompaj este de ordinul a 1GW de putere per litrul de gaz.
Timpul de viaţă a stării excitate este de ordinul a 10 ns. Deci pulsul laser este limitat la 10
nanosecunde.
Deoarece mediul activ al laserului cu excimeri are câştigul ridicat, laserul poate
funcţiona fără oglinzi. În practică, la un capăt este oglinda cu 100% reflectivitate, şi la
75
cealaltă parte este utilizată o fereastră transparentă. Un procent foarte mic ce se întoarce
prin reflexie Fresnel pe fereastră este suficient să menţină procesul laser.
Deoarece se cere un pompaj puternic şi rapid, este în general utilizată o descărcare
transversală (la unghi drept pe axa laserului). În descărcarea transversală, distanţa dintre
electrozi este scurtă, şi acolo este o mulţime de spaţiu pentru electrozi (de-a lungul axei
laserului).
Trebuie avut grijă să se etanşeze corect materialele în interiorul cavităţii, datorită
reactivităţii ridicate a gazului.
Deoarece gazele din interiorul laserului cu excimeri este foarte toxic, laserul
trebuie să fie etanşat înainte de reumplerea cu gaz. Laserul este utilizat la câteva milioane
de pulsuri, şi apoi este necesară reumplerea cu gaz.
Proprietăţile laserilor cu excimeri:
• Laserii cu excimeri emit în domeniul spectral Ultra-Violet (UV).
• Radiaţia este emisă numai în pulsuri scurte.
• Durata fiecărui puls este de la picosecunde până la micro-secunde.
• Presiunea gazului din interiorul tubului laser este ridicată: 1- 5 atm.
• Eficienţa laserilor cu excimeri comerciali este mai mare de câteva procente.
Aplicaţiile laserului cu excimeri:
Laserii cu excimeri pot emite radiaţie Ultra-Violetă (UV) cu puteri mai mari de
ordinul a 100 Waţi.
Deoarece lungimile de undă emise sunt foarte scurte, fiecare foton emis individual
transportă o cantitate mare de energie, care este suficientă să rupă legăturile din molecule
în materialul ce absoarbe radiaţia. Fiecare puls de radiaţie a laserului cu excimeri conţine
un număr mare de fotoni, deci acesta are o putere de peak foarte ridicată.
Deci, laserul cu Excimeri este un instrument perfect de tăiere pentru aproape orice
material.
Aplicaţii speciale:
• Fotolitografiere - Procesarea materialelor la un grad foarte înalt de acurateţe (de ordinul
fracţiunilor de microni !).
• Tăierea ţesuturilor biologice fără să afecteze împrejur.
76
• Corectarea defectelor de vedere – Tăierea foarte delicată a straturilor pentru orice
suprafaţă a corneei, astfel se elimină necesitatea folosirii ochelarilor.
• Marcarea produselor – deoarece lungimea de undă a radiaţiei laserului cu excimeri este
absorbită de orice material, este posibil să se marcheze cu un singur puls toate tipurile de
materiale, precum plastice, sticlă, metal, etc.
Preţul unui laser cu Excimer este relativ ridicat (zeci de mii de dolari), dar acesta
este utilizat foarte mult datorită proprietăţilor lui unice.
3. 5. Laserul cu microunde
Acest laser a fost inventat de Townes si Shawlow in 1954. Raza de amoniac trece
printr-un concentrator electrostatic pentru a separa moleculele aflate pe nivele energetice
superioare.
Nu este o coincidenţă că efectul laser a fost aplicat pentru prima oara în regiunea
microundelor. Emisiile spontane sunt proporţionale cu cubul frecvenţei de tranziţie, fiind
mici în această porţiune a spectrului, şi putând fi neglijate, în comparaţie cu alte procese
ca emisiile stimulate şi absorbţia. Din acest motiv inversia populaţiilor este obtinută uşor
cu o energie mică. Prima inversie a populaţiilor a fost obţinută în molecula de amoniac
(NH3). Inversia populaţiilor în moleculele de amoniac se obţine prin separarea fizică a
particulelor aflate pe nivele energetice superioare de cele aflate pe nivele energetice
inferioare.
4. Laserii cu lichid
Laserii cu lichid cei mai cunoscuţi sunt cei cu chelaţi organici şi cei cu coloranţi.
Mediul activ pentru laserii cu coloranţi este format de o substanţă fluorescentă dizolvată
77
într-un solvent (alcool). Lărgimea spectrală a radiaţiei emise este de ordinul sutelor de
angstromi, putând fi selectată lungimea de undă dorită, deci laserul este acordabil într-o
bandă largă.
5. Laserul cu raze X
Cilindrul de plasmă (roşu) este creat de impactul unui laser cu pulsaţie de mare putere
(albastru). Nu sunt folosite oglinzi, în schimb emisiile spontane sunt amplificate şi raza
este trimisă în ambele sensuri. A fost creat pentru prima oară de cercetatorii Matthews şi
Rosen la Lawrence Livermore National Laboratory, în 1985. Ţinta este dintr-o foiţă
subţire de seleniu sau un alt element cu număr atomic mare, dispusă pe un substrat de
vinil pentru a-i da rigiditate. Această ţintă este iradiată din ambele părţi de lasere cu
pulsaţie de mare putere al cărei focar are o lungime de câteva sute de ori mai mare decât
laţimea. Când raza loveşte foiţa, aceasta “explodează”, producând o plasmă formată din
ioni de seleniu ce au cu 24 de electroni mai puţin.
În prezent eficienţa acestor lasere este foarte scăzută datorită necesităţii unei
puteri şi frecvenţe mari a laserului-sursă. O eficienţă mai mare s-ar putea obţine printr-o
răcire rapidă, ceea ce duce la trei repompări a plasmei puternic ionizate. Însă un hibrid
între răcirea la contact şi expansiunea adiabatică pare să fie cel mai promiţător. O altă
posibilitate promiţătoare se bazează pe transparenţa indusă electromagnetic, pentru o
reducere drastică a puterii de pompare necesară şi pentru obţinerea mult mai eficientului
efect laser fără inversie (cunoscut şi sub numele de fazere).
6. Laser cu plasmă
Praful şi gazul circumstelar reci se acumulează constant în jurul stelelor, care
lansează jeturi de plasmă. Răcirea rapidă a plasmei când întalneşte această coajă poate
mări semnificativ efectul de dezechilibru al expansiunii adiabate. Contactul cu gazul este
atât de eficient în răcirea rapidă încât în 1987 s-a creat un laser cu plasmă ce lucrează în
lungimi de undă din extremul ultraviolet folosind numai acest mecanism, fără să
folosească expansiunea.
Laser cu răcire a plasmei la contactul cu gazul (TPD-I): plasma de heliu
menţinută electromagnetic staţionar este răcită de contactul cu hidrogenul, producând
efectul laser în XUV (164 nm) (Institute of Plasma Physics Nagoya, Japonia). Alt avantaj
al atmosferei stelare sunt distanţele foarte mari, o inversie a populaţiilor redusă
producând radiaţii a căror intensitate creşte exponenţial în amplitudine pe distanţe mari
78
până la un punct în care domină spectrul. Cea mai puternică manifestare a laserelor
naturale se produce în cuasari.
În laserele cu plasmă cercetate în laboratoare totul este redus la o scară mult mai
mică. Aceasta este însă compensată în parte de faptul că se pot pune oglinzi de ambele
părţi ale mediului, pentru a produce o rază laser ce ar fi foarte lungă într-o extindere
virtuală.
7. Laser cu electroni liberi
Aceste lasere folosesc electroni neataşaţi de atomi ce sunt excitaţi prin unde
magnetice. Studiul acestui tip de laser a fost dezvoltat încă din 1977 şi a devenit un
important instrument de cercetare. Teoretic astfel de lasere, pot acoperi întreg spectrul, de
la infraroşu la raze X şi sunt capabile să producă raze de putere foarte mare.
8. Laseri cu lumină extremă în România
România este una din cele 13 ţări participante în proiectul european Extreme
Light Infrastructure (ELI) şi – din septembrie 2008 – una din cele 4 ţări, alături de Franţa,
Republica Cehă şi Ungaria, care şi-au manifestat interesul să găzduiască marele laser
pentru lumină extremă, care urmează să fie construit în urma aplicării proiectului ELI.
De curând, la Conferinţa Europeană pentru Infrastructuri de cercetare de la
Versailles (ECRI 2008), ministrul ceh al educaţiei şi cercetării, V. Ruzicka, a reamintit că
printre priorităţile ţării sale pe timpul asigurării preşedinţiei UE în prima jumătate a
anului viitor, va fi promovarea proiectelor de infrastructură de cercetare a căror găzduire
şi-o doreste Cehia, printre care şi ELI. Autorităţile franceze nu susţin explicit ELI – nu
79
trebuie să uităm că sunt 44 de mari proiecte de infrastructură europeană pentru găzduirea
cărora concurează ţările UE şi este clar că Franţa nu doreşte să rămână în urmă – deşi,
paternitatea descoperirilor decisive pentru definirea acestui domeniu al luminii extreme
aparţine Franţei, prin prof. Gerard Mourou.
Găzduirea proiectului ELI în România a fost puternic susţinută de autorităţile
române în domeniul cercetării (vezi inclusiv amintirea proiectului în rezultatele întâlnirii
la nivel înalt N.Sarkozy – T. Băsecu la Bucuresti şi întâlnirile premierilor celor două ţări
şi până la recentul discurs al prof. dr. Anton Anton, ministrul de atunci al educaţiei şi
cercetării, la ECRI 2008). Consorţiul institutelor care sunt în mod natural implicate în
proiectul românesc ELI include Institutul de Fizică Atomică de la Măgurele, care
conduce proiectul, Institutul Naţional de Fizica Laserilor, Plasmă şi Radiaţie, Institutul
Naţional de Cercetare-Dezvoltare pentru Inginerie Nucleară “Horia Hulubei”, Institutul
pentru Fizica Materialelor. Interviul realizat cu prof.dr. Dan C. Dumitraş (INFLPR), care
este coordonatorul din partea României pentru ELI, demonstrează că preocuparea pentru
proiectul “lumina extremă” este departe de a fi conjunctural: pe baza finanţărilor de la
buget, România se pregateşte să inaugureze în curând un laser de 15 TW, are în derulare
proiectul construirii unui laser de 1PW (acum nu există un laser de acest tip în funcţiune,
când va fi gata cel românesc va fi printre foarte puţinele din lume), a organizat la Braşov
o mare conferinţă internaţională în octombrie 2009, la care au participat cei mai mari
specialişti în domeniul laserilor de mare intensitate din lume şi îşi coagulează strategia de
pregatire a tinerilor specialisti în domeniu.
Prof. dr. Dan C. Dumitraş: “Noi toţi de aici avem o idee: lumina extremă. Vrem să
realizăm laseri de foarte mare putere – putere care să depaşească un peta-watt (PW) şi
pentru această idee există trei componente aproximativ paralele.
În primul rând: proiectul ELI, proiect care a început acum aproximativ doi ani, are
o perioadă de desfăşurare de 3 ani şi în care se vor stabili caracteristicile, principiile de
funcţionare ale acestui laser ELI, o structură paneuropeană care îşi propune să realizeze
cel mai mare laser din lume. Eu sunt responsabil din partea României în acest proiect
internaţional, care cuprinde 13 ţări şi care în clipa de faţă se desfăşoară în cele mai bune
condiţii.
Una din componentele acestui proiect în acest moment este selectarea locaţiei
acestei infrastructuri. În septembrie 2008 a fost termenul limită pentru depunerea
80
candidaturilor. 4 ţări concurează acum pentru a găzdui infrastructura. Este vorba de
România, Ungaria, Republica Cehă şi Franţa. Decizia va fi luata spre sfarsitul anului
acesta într-un cadrul politic al Uniunii Europene.
A doua componentă este legată de proiectele naţionale, proiecte care au fost
aprobate şi sunt în curs de desfăşurare, proiecte finanţate de la bugetul României, proiecte
care ne înscriu pe linia ţărilor cu cei mai puternici laseri din lume. Un astfel de proiect va
permite României ca peste 1 an, 1 ani şi jumatate, să avem în funcţiune un laser de un
petawatt (PW). Nu sunt multe ţări care posedă aşa ceva. De fapt, în clipa de faţă nu există
nicio ţară care sa aibă un laser de 1PW. A fost un singur laser, construit în SUA acum
câţiva ani, dar pe alte principii: energie extrem de mare pe durate foarte lungi. Noi avem
altă filosofie: să construim un laser care pe durate foarte mici – de femtosecunde -
folosind energii mai mici – să corespundă unor puteri de vârf la fel de mari.
Sunt proiecte care au în vedere dezvoltarea de aplicaţii medicale. Una din aplicaţii
este extrem de interesantă: protonoterapia. În loc de a utiliza radiaţiile ionizante de tip
radiaţie X pentru tratarea tumorilor canceroase, se folosesc fascicole de protoni, care pot
fi concentrate exclusiv pe tumoare, fără a afecta zona intermediară de ţesut sănătos.
Aceste fascicule sunt generate în momentul de faţă de acceleratoare care pot avea
dimensiuni de kilometri. Dar aceleaşi fascicule pot fi obţinute prin focalizarea
fasciculelor de laseri de mare intensitate, laseri care au dimenisunile unei camere
obişnuite, deci metri sau zeci de metri. Vedeţi deci că din punctul de vedere al
caracterului compact este o diferenţă notabilă. Aceasta este doar una din aplicaţii, dar mai
este şi tratarea deşeurilor radioactive, realizarea de noi materiale cu proprietăţi cu totul
speciale. Şi, în sfârşit, ştiinţa în general va beneficia de fascicule extrem de intense, al
căror efect este greu de bănuit în clipa de faţă.
La noi sunt mai multe proiecte legate de acest domeniu. Unele în programul
Capacităţi al PNCD II. Alte proiecte sunt finanţate din fondurile structurale de la Uniunea
Europeană, avem mai multe proiecte, unele deja în desfăşurare, altele au început în 2009.
Al treilea punct: pregătirea tinerilor pentru operarea acestor infrastructuri. Tinerii trebuie
să fie pregatiţi deja din acest moment şi pentru că experienţa noastră anterioară în
domeniul luminii extreme nu este foarte îndelungată – noi numai de câţiva ani dispunem
de aceşti laseri cu funcţionare în femosecunde şi de intensităţi foarte mari - suntem
nevoiţi să apelăm la ţări cu experienţă mai bogată, în primul rând Franţa, cu care avem
81
contacte excelente şi colaborări, în primul rând prin colegul Cristian Florea, care este
inima şi sufletul acestei colaborări. Noi avem în vedere pregătirea unui număr de 20-30
de tineri care să fie specializaţi în domeniul luminii extreme în urmatorii câţiva ani.
Aceşti tineri trebuie să abordeze o specializare cu totul nouă. Sunt puţini
specialişti în lume care cunosc detaliile acestei noi tehnologii şi în momentul în care vom
avea aceste structuri operaţionale în ţara noastră, ei vor fi cei care vor prelua atât punerea
şi menţinerea în funcţiune a acestor instalaţii, cât şi pregătirea experimentelor.”
Concluzii:
- Sistemul laser în fs cu putere de ordinul 1 PW, care se va construi până în 2011 în
România, ar putea fi unul din cele mai performante din lume, facilitate de interes naţional
şi internaţional;
- Cercetătorii români din străinătate, împreună cu cercetătorii din tară, au un rol important
în dezvoltarea unor proiecte comune bazate pe această facilitate laser;
- Sunt necesare eforturi pentru valorificarea facilităţii laser atât prin studii şi experimente
în domeniul ştiinţelor de bază, cât şi prin dezvoltarea unor aplicaţii cu impact economic
sau social.
VI. Aplicaţii ale laserilor
1. Aplicaţiile militare ale laserilor şi protecţia laser
Scopul majorităţii invenţiilor din ultimul secol a fost militar. Aşa s-a întâmplat şi
cu laserul. Pe lângă programul de apărare Star Wars, laserul a mai fost pus în practică şi
ca armă terestră.
Încă de la apariţia laserilor, în 1960, se prefigura interesul pentru aplicaţiile
acestora în domeniul militar. Primul laser - laserul cu rubin - a fost realizat într-un
laborator ce aparţinea firmei „Hughes Aircraft Company", cea mai mare companie de
electronică pentru apărare din SUA. Primul contract militar de aplicare a laserilor datează
din 1965 în SUA.
În prezent, aplicabilitatea laserilor cu corp solid, cu gaz şi chimici merge de la
sistemele tactice până la cele strategice.
Puterea unui laser în regim continuu necesară pentru a distruge un blindaj cu
grosimea de 40 mm, aflat pe un vehicul în zbor la o altitudine de 50 km, în timp de un
82
minut, ţinând seama de condiţiile atmosferice s-a calculat a fi de 160 MW. Când s-a
prevazut acest lucru, cu 35 de ani în urmă, era necesară o creştere a puterii laserilor cu 5
ordine de mărime, iar astăzi acest lucru s-a realizat. Nu trebuie însă neglijat faptul că
însăşi distrugerea parţială este de multe ori suficientă, iar în cazul rachetelor purtătoare
ajunge distrugerea sistemelor de ghidaj.
Rezultatele obţinute în aprilie 1968, când cu ajutorul unui fascicul laser s-a reuşit
doborârea unui avion ţintă au fost hotărâtoare privind creditarea laserilor pentru aplicaţii
militare. A urmat o alta supoziţie: posibilitatea declanşării bombei cu hidrogen cu
ajutorul laserilor cu corp solid.
Ponderea aplicaţiilor militare ale laserilor a câştigat teren rapid, aşa încât
cheltuielile cu cercetarea laser ale Departamentului Apărării al SUA - spre exemplu - au
crescut de la 100 de milioane de dolari în perioada 1960-1967, la 118 milioane numai în
anul 1970, la 126 de milioane în anul 1975, iar în perioada anilor ‘90 s-au cheltuit peste
un miliard de dolari. În 1969 ponderea aplicaţiilor militare ale laserilor era de 65% faţă de
35% pentru aplicaţii civile.
1.1. Aplicaţii tactice
Telemetria laser (masurarea distanţelor) permite determinarea cu o precizie foarte
mare a pozitiei unei ţinte. În cadrul programului Apollo-11 s-a reuşit determinarea
distanţei Pământ-Lună. În prezent există telemetre laser sol-sol, sol-aer, aer-aer şi aer-sol.
Locatoarele optice folosesc ca surse în special laserii şi acestea se bazează pe
utilizarea regiunii optice a spectrului undelor electromagnetice. Locatoarele laser sunt
capabile să localizeze avioane, tancuri şi submarine.
Iluminatoarele şi sistemele de ghidare a proiectilelor sunt utilizate în cazul
distanţelor scurte. Aparatul iluminează ţinta, care este identificată şi lovită cu un proiectil
rachetă lansat pe fasciculul infraroşu reflectat de ţinta iradiată. Firma General Dynamics a
demonstrat că se poate lovi o ţintă cu aria de 1 m2 cu o rachetă ghidată pe fascicul laser
infraroşu emis de către o celula GaAs. Firmele Philco Ford, Westinghouse şi Texas
Instruments produc astfel de aparate, iar firma North America Rockell Corp produce
laserii cu GaAs folosiţi pentru ghidarea rachetei Bullpup.
Ca arme de ghidaj cu laser există mai multe sisteme, dintre care amintim:
Paveway (Texas Instruments) şi Pave Storm (Goodyear; Texas Instruments) pentru
bombe, CLGP (Martin; Texas Instruments) pentru artilerie, Hellfire, Maverick (Hughes),
83
Bulldoy (Texas Instruments) şi Honest John pentru ghidaj aer-sol. Cele mai bune
dispozitive de localizare a obiectivului sunt Pave Arrow (Martin), Pave Sword (Martin) şi
Pave Penny (Martin).
Alte aplicaţii tactice ale laserilor sunt: recunoaşterea pe timp de noapte,
observarea sateliţilor, traiectografe şi sisteme de control al zborului, sisteme multimodale
(sisteme laser cuplate cu dispozitive de televiziune pentru zborul paralel razant cu
pământul), simulatorul de tragere, arma antipersoană, comunicaţii secrete la mică
distanţă, protecţia bazelor militare.
Aviatia, marina si fortele terestre sunt la fel de interesate in utilizarea laserilor.
1.2. Aplicaţii strategice
Există trei domenii de aplicaţii strategice considerate ca fiind deosebit de
importante: apărarea antiracheta, declanşarea bombei cu hidrogen şi prelucrarea
informaţiei.
Bugetul multor ţări dezvoltate este îndreptat către realizarea şi îmbunătăţirea
parametrilor de lucru ai laserilor de mare putere. În S.U.A. încă din anii ‘90 au fost
experimentaţi laserii contra avioanelor ţintă. Fuziunea nucleară intră în proiectele noilor
bombe cu hidrogen. Armele laser mobile destinate să distrugă rachete şi avioane pentru a
proteja trupele terestre sunt şi ele o realitate. La începutul anilor ‘90 un astfel de prototip
se experimenta la Arsenalul Redstone din Alabama, pentru înzestrarea trupelor terestre
ale S.U.A..
Prelucrarea optică a informaţiei sporeşte imens posibilităţile computerelor.
Memoriile optice, modulaţia de cod impulsuri, ghidurile de lumină etc. - reprezentau încă
din anii ‘90 domenii de cercetare pentru sistemele complexe de aparare. În aceeaşi
perioadă sistemul de contramăsuri optoelectronic bazat pe utilizarea laserilor cu corp
solid era în plină evoluţie, şi clasificat în ţări precum S.U.A., Federaţia Rusă, Franţa şi
Marea Britanie.
De mare interes sunt în prezent laserii chimici, care sunt alimentaţi de energia
uriaşă a flăcării sau a detonanţilor, şi în volume mici se pot declanşa impulsuri laser
extrem de energice, sau emisii laser în regim continuu de foarte mare putere cât şi laserii
cu corp solid dielectric (sticla dopată cu Nd, YAG dopat cu Nd).
Aplicaţiile indirecte ale laserilor, prin intermediul holografiei permit condensarea
documentelor de stat major pe microfilme nedecriptabile, recunoaşterea formelor de teren
84
şi a schimbării detaliilor prin cercetarea aerofotogrammetrică cu utilizarea hologramelor,
fotogrametria geodezică, controlul stabilităţii gurilor de foc, acţiunea agenţilor de
coroziune asupra tehnicii militare etc.
2. Aplicaţiile laserilor în medicină
Laserul este o instalaţie pentru generarea şi amplificarea radiaţiilor
electromagnetice din domeniul vizibil, bazată pe fenomenul de emisie stimulată a
radiaţiei. Rezultă un fascicul luminos monocromatic paralel, coerent şi foarte intens, cu
lungime de undă situată în regiunile ultraviolet, vizibil sau infraroşu ale spectrului.
LASER-ul exercită asupra ţesuturilor vii efecte termice, fotochimice şi mecanice.
Aplicaţiile medicale principale ale LASER-ului sunt în oftalmologie şi chirurgie.
Utilizarea LASER-ului în medicină este în continuă extensie. Un domeniu de
mare interes, îndeosebi în cercetare, este microscopia optică de baleiaj folosind LASER.
Alte aplicaţii sunt în: dermatologie, în tratarea unor afecţiuni grave ale pielii, în lupta
împotriva cancerului etc., în biologie, în tot ceea ce implică cercetare.
Oftalmologia a fost unul din principalele câmpuri ale medicinei,şi după mai mult
de 25 ani, acesta poate fi folosit de la diagnostic la tratament. Se crează o mică gaură în
iris, care va elibera presiunea intraoculară, lucru care nu dăunează nici corneei şi nici
altor părţi ale ochiului. Există mai multe modalităţi de a realiza această gaură, în schimb
cu laserul ea se închide mult mai repede. Oftalmologii pot alege diferite lasere pentru a
trata diferitele varietăţi de probleme ale retinei, chiar şi în cazul diabeticilor. Lumina
verde laser este folosită pentru a îndepărta vasele de sânge anormale de la suprafaţa
retinei, cele de pe membrana coroidală sunt îndepărtate cu lumină galbenă şi roşie
datorită abilităţii acestora de a pătrunde în ţesut.
Folosirea laserului în dermatologie : îndepărtarea diferitelor afecţiuni ale pielii de
exemplu în tratarea cancerului, îndepărtarea permanentă a firelor de păr etc.
Deci, în medicină laserul este folosit:
- în dermatologie, el serveşte la distrugerea unor tumori cutanate şi a petelor pigmentate;
- în gastroenterologie, laserul este utilizat pentru a pulveriza calculii canalului coledoc;
- pentru deschiderea unei treceri care să restabilească circuitul digestiv în tumorile
evoluate ale esofagului şi ale rectului;
- pentru a coagula vasele în interiorul tubului digestiv (ulceraţii, angioame).
- în ginecologie, el este folosit mai ales pentru a distruge leziunile precanceroase ale
85
colului uterin;
- în neurologie el permite distrugerea unor leziuni tumorale;
- în oftalmologie laserul este utilizat mai întâi de toate în prevenirea dezlipirii de retină,
pentru a face să adere retina şi membranele subiacente la nivelul rupturilor sau leziunilor
degenerative ale retinei, apoi, pentru distrugerea micilor leziuni retiniene şi, în sfârşit,
pentru fotocoagularea microanevrismelor retiniene consecutive diabetului;
- în otorinolaringologie, laserul permite tratarea unor leziuni ale corzilor vocale şi ale
laringelui;
- în pneumologie, laserul permite distrugerea tumorilor care obturează bronhiile mari
stânjenind respiraţia; el mai dă posibilitatea tratării obstacolelor netumorale ca îngustările
consecutive unei cicatrice rămase după întubare sau traheotomie; în caz de tumoră
malignă, laserul poate servi la ameliorarea confortului respirator al bolnavului;
- tratamentul leziunilor virale, cum ar fi virusul papiloma.
Noi indicaţii sunt actualmente în studiu: distrugerea plăcilor de aterom de pe
pereţii arteriali, ale tumorilor prostatei etc.
În ingineria genetică şi nanotehnologii (tehnologii care operează cu obiecte de
dimensiunile 910 − m), cu ajutorul laserului se taie şi se combină fragmente de gene,
molecule biologice şi obiecte cu dimensiuni de ordinul milionimilor de milimetru.
3. Aplicaţiile laserilor în conservare şi restaurare
Tehnologia modernă cu laseri a fost folosită cu succes într-o gamă largă de aplicaţii în
conservarea şi restaurarea operelor de artă.
Curăţirea cu laseri
Cei mai utilizaţi laseri în curăţirea picturilor sunt laserii cu excimeri. Aceşti laseri
emit pulsuri de radiaţie de aproximativ 20ns de lungimi de undă în UV (193 nm, 248nm,
308nm ) şi sunt capabili să îndepărteze materialele strat cu strat în paşi de 0,1-1µm.
Laserii cu excimeri produc aşa numita ablaţie laser (laser ablation), care constă în
vaporizarea aproape instantanee a unei cantităţi mici de material, în urma interacţiei
dintre fasciculul laser focalizat şi suprafaţa care absoarbe puternic. În acest mod, radiaţia
laser facilitează curăţirea suprafeţei, a straturilor pictate afectate de poluare, murdărie,
îmbătrânire, lăsând materialul dedesubt neafectat. S-a demonstrat de asemenea că se pot
86
îndepărta cu aceşti laseri şi suprapictările (repictări). În acest caz s-a îndepărtat o grosime
de material de aproximativ 300 µm.
Metodele tradiţionale de conservare a picturilor se bazează pe tehnici mecanice
sau chimice alese de conservator. Deoarece aceste procese sunt dificil de controlat, este
necesară o expertiză serioasă pentru a obţine rezultate optime. În plus, solvenţii chimici
pot penetra pictura şi să strice pigmenţii şi substratul.
Spre deosebire de aceste tehnici tradiţionale, laserii cu excimeri pot fi utilizaţi
pentru a îndepărta straturile nedorite de pe suprafaţă într-o manieră controlabilă şi
automată. Prin alegerea corectă a parametrilor laser, investigaţii detaliate au demonstrat
că materialul poate fi îndepărtat prin mecanismul de fotoablaţie cu efecte termice sau
fotochimice minime asupra materialului dedesubt.
În general sunt trei tipuri de tehnici de curăţire în care laserii cu excimeri sunt
adecvaţi, şi anume:
- îndepărtarea straturilor superficiale de verni sau regiuni contaminate de pe
picturi;
- curăţirea materialului suport al picturilor (canava, lemn, hârtie);
- îndepărtarea suprapicturilor.
Fiecare din cazurile de mai sus trebuie să fie abordate folosind o strategie
individuală pentru a obţine rezultate optime. De exemplu, curăţirea superficială cu laser
îndepărtează straturile de verni fotodegradate fără contaminarea picturii dedesubt, atunci
când densitatea de energie (fluentă) este în jur de 0,2-0,3 J/cm2. Îndepărtarea
suprapictărilor poate fi deasemenea obţinută în paşi microscopici, în acest caz fluenţa
fiind de până la un ordin de mărime mai mare decât în cazul curăţirii cu laser, deci 2,3
J/cm2. Recent, s-a demonstrat că laserul cu excimer (308 nm) este potrivit şi în
îndepărtarea încrustaţiilor de pe suprafaţa marmurei şi astfel s-a deschis calea pentru
curăţirea sculpturilor.
Pentru curăţirea picturilor, utilizând laserii cu excimeri se foloseşte o instalaţie
compusă din:
- masa x-z pentru montajul şi deplasarea picturii;
- un set de optică adecvată pentru obţinerea fasciculului laser şi a focalizării
acestuia;
87
- module de diagnoză pentru monitorizarea si controlul on-line al procesului de
curăţire.
Mai precis, masa x-z este o instalaţie controlată de computer care este utilizată
pentru deplasarea controlată a picturii în raport cu fascicolul laser. Pentru diagnoză se
poate utiliza controlul on-line prin reflexie difuză sau tehnici spectrale de Laser Induced
Breakdown Spectroscopy (LIBS), holografie, microscopia optică, cromatografia cu gaz,
combinată cu spectroscopia de masă, etc.
Fluorescenţa indusă laser ( Laser Induced Fluorescence: LIF)
LIF este o tehnică analitică multilaterală şi nedistructivă care poate fi efectuată in-
situ asupra operei de artă şi prin care se obţin informaţii asupra structurii moleculare a
pigmenţilor şi a lianţilor, atât organici cât şi anorganici. În acest gen de experiment se
foloseşte un fascicul laser continuu sau pulsat pentru a excita o mică parte de pe suprafaţa
unei probe. După excitare, substanţele organice sau anorganice din probă emit o bandă
largă de fluorescenţă caracteristică substanţelor din care provin. Astfel s-a utilizat această
metodă pentru analiza nedistructivă a pigmenţilor. Experimentele au arătat că o parte din
pigmenţii uzuali, şi chiar un amestec din aceştia au putut fi identificaţi prin emisia
caracteristică de fluorescenţă. În plus, tehnica de fluorescenţă cu laser a fost utilizată
pentru identificarea oxidării fotochimice a verniurilor. La verniul îmbătrânit în UV se
observă o deplasare înspre roşu cu 100 nm a spectrului de fluorescenţă. Una din
inconvenienţe la această tehnică, pe lângă faptul că nu este atât de selectivă, deoarece
benzile moleculare de fluorescenţă sunt foarte largi, este şi dificultatea detectării
pigmenţilor cu randament cuantic foarte scăzut, valori ce sunt practic imposibil de
măsurat în prezenţa unor cantităţi mici de impurităţi fluorescente.
Spectroscopia într-o descărcare indusă laser (Laser Induced Breakdown
Spectroscopy: LIBS)
LIBS este o tehnică bine stabilită, sensibilă şi o metodă analitică selectivă pentru
analiza elementară a materialelor care şi-a gasit aplicare în industrie, geologie şi ecologie.
Această tehnică se bazează pe producerea efectului de ablaţie laser, adică a unei
plasme laser în urma interacţiei fasciculului laser cu suprafaţa şi analiza spectrală a
radiaţiei emise de către atomii sau ionii produşi în această plasmă laser de scurtă durată.
Pentru producerea ablaţiei, se folosesc laseri cu excimeri sau cu Nd:YAG pulsaţi. În
experimentele de tip LIBS, în timpul ablaţiei, se creează un crater microscopic de câţiva
88
zeci de microni în diametru şi 0,1 µm în adâncime. Ca rezultat, afectarea operei de artă
este cu greu vizibilă cu ochiul liber, în special când se foloseşte un laser cu excimer, când
se vaporizează prin ablaţie doar o zecime de nanogram (10-10g)de material. Astfel, tehnica
poate fi caracterizată ca fiind aproape nedistructivă. În plus, deoarece adâncimea de
ablaţie la un singur puls laser de ordinul nanosecundelor (1ns=10-9s) este foarte mică, în
cazul materialelor polimerice de ordinul 0,1-2 µm, rezultă că LIBS poate fi efectuată
pentru a analiza transversal o operă de artă (o pictură) şi obţinerea de informaţii privind
straturile multiple pictate, inscusiv suprapictările.
Majoritatea pigmenţilor folosiţi în pictura din antichitate până în timpurile
moderne sunt formate din substanţe ce conţin metale, iar LIBS este o tehnică ce poate
analiza aceste metale cu o mare selectivitate şi sensibilitate. Spectrele LIBS au fost
colectate de la câţiva pigmenţi general folosiţi, iar spectrele lor prezintă linii atomice
caracteristice, demonstrând abilitatea acestor tehnici de a identifica şi discrimina între
diferiţi pigmenţi.
Spre deosebire de LIF, LIBS este mai selectivă datorită spectrelor de emisie mai
accentuate comparativ cu cele de fluorescenţă de bandă largă. Fiecare lungime de undă a
liniilor de emisie şi poziţia lor relativă pentru cele mai multe dintre elemente, asigură
amprenta caracteristică pentru cele mai multe dintre elemente, ceea ce duce la
identificarea lor unică. Posibilele scăderi ale selectivităţii se datorează interferenţelor
datorate emisiei fondului din matricea organică, compoziţia similară a diferiţilor pigmenţi
sau slaba sensibilitate a detectabilităţii unor elemente, şi în special a nemetalelor.
4. Aplicaţii ale laserilor cu semiconductori
Diodele sunt larg răspândite. Faptul că sunt ieftin de produs, uşor de folosit şi
foarte ieftin de folosit duce la producerea lor în masă şi includerea lor în cele mai multe
aparate electronice ce au nevoie de laseri.
Lecturatoarele de cd, fie ele CD-ROM-uri sau CD-playere, sunt toate prevăzute
cu diode laser. Playerele DVD au, deasemenea, diode laser, doar că acestea emit fascicule
mult mai fine. CD-Writer-ele şi CD-ReWriter-ele folosesc diode ce emit laseri apropiaţi
de IR (800 nm) şi puteri de câţiva W. Aceleaşi diode, dar de puteri ceva mai mici, sunt
prezente şi în imprimantele cu laser. Alte produse care folosesc laseri emisi de diode sunt
cititoarele de coduri de bare (Bar-Code Readers), unele scannere, pointerele etc. Poate cel
89
mai important folos, după CD/DVD-playere, este cel adus în comunicaţii prin fibra
optică. În cadrul fiecărui emiţător pe fibra optica se află o diodă laser. Mai nou s-a
început folosirea diodelor şi in medicină şi în holografie. Diodele nu sunt folosite în
aplicaţiile militare (radar, ghidare rachete, transmisiuni de date prin eter etc.), aplicaţiile
astronomice (distanţe cosmice şi determinări de compoziţii), efectele speciale de
anvergură şi holografia de mare întindere datorită puterii limitate relativ mici pe care o
dezvoltă.
5. “Radarul” cu LASER (LIDAR)
Metoda se bazează pe determinarea exactă a duratei de propagare a unui puls de
lumină între locul de emisie şi ţintă. A devenit de importanţă practică dupa crearea
laserilor de mare putere în impuls.
Energia emisă poate fi concentrată într-un fascicul de deschidere foarte mică (de
ordinul 10-4 rad) permiţând telemetrarea chiar pe distanţe astronomice.Datorită frecvenţei
ridicate a undelor electromagnetice din domeniul optic (∼ 4x1014 Hz) sistemul cu laser va
fi caracterizat de o precizie superioară sistemului radar cu unde centimetrice. Utilizarea
laserului în dispozitivele de telemetrie permite obţinerea unui raport semnal / zgomot
ridicat, datorită benzii spectrale extrem de înguste.
Radarul cu laser este utilizat pentru traiectografia obiectelor mobile îndepartate:
rachete, sateliţi, baloane.
Laserii utilizati sunt cu rubin (λ = 694,3 nm) sau cu sticlă dopată cu neodim (λ =
1060 nm). Sistemul afocal de ieşire are rolul de a micşora divergenţa fasciculului laser de
la valoarea naturala α la o valoare α’ legate prin relaţia:
G2 = α2 / α’2 = S’ / S
Unde G este grosismentul sistemului iar S si S’ sunt suprafeţele fasciculului înainte,
respectiv după parcurgerea sistemului afocal.
Iluminarea obiectului ţintă, aflat la distanţa x de sursă, va fi dată de
E = 4TP / πα’2x2 = 4TPG2 / πα2x2
90
Unde T este factorul de transmisie al atmosferei pe distanţa x iar P este puterea la
maxim a pulsului laser. Divergenţa fasciculului trebuie să fie cât mai mică dar în acelaşi
timp să aibă o valoare suficientă pentru a tolera erorile inerente de vizare.
Mărimea semnalului recepţionat şi mărimea raportului semnal / zgomot depind
esenţial de starea suprafeţei ţintei. Situaţiile posibile se încadrează între două posibilităţi
extreme: suprafaţă perfect difuzantă şi suprafaţă acoperită de elemente reflectătoare.
Radiaţia reflectată va fi recerpţionată cu un telescop a cărui suprafaţă utilă de
intrare trebuie să fie suficient de mare pentru asigurarea unei sensibilităţi ridicate.
Valorile limită ale distanţei depind, în principal, de parametrii instalaţiei şi sunt
funcţii lent variabile de puterea laser emisă.
Transmisia atmosferică joacă un rol important. Ea limitează serios raza de
actiune, în special în cazul unei traiectorii orizontale când absorbţia se produce pe toată
distanţa dintre aparatul de măsură si ţintă. În cazul când obiectul vizat se mişcă în afara
atmosferei absorbţia este importantă numai pe distanţa de câţiva km
În general trebuie să se ţină seama că proprietăţile fasciculului emis sunt variabile
de la un puls la altul.
Determinarea cu precizie a distanţei cu ajutorul radarului optic cere cunoaşterea
cât mai bună a indicelui de refracţie a mediului de propagare.
Fotodetectorii convenţionali şi sistemele de măsurare a timpului permit obţinerea
unei rezoluţii de ordinul nanosecundei, ceea ce corespunde unei precizii absolute asupra
distanţei de ordinul unui metru. Aceasta înseamnă o precizie relativă de 10 -3 pentru
distanţe de un km.
Îmbunătăţirea semnalului de ecou cere echiparea suprafeţei ţintelor cu sisteme
reflectătoare constituite din piese de tip colţ de cub. Un asemenea reflector se află în
prezent plasat şi pe Lună.
6. Laserele tehnologice
Laserele de mare putere cu acţiune continuă sunt utilizate pentru tăierea, sudarea
şi lipirea pieselor din diferite materiale. Temperatura înaltă în fasciculul laser permite
sudarea unor materiale, imposibil de realizat prin alte tehnologii (de exemplu, metal şi
ceramică). Monocromaticitatea înaltă a radiaţiei permite focalizarea razei luminoase într-
un punct de ordinul submicronilor (datorită lipsei dispersiei) şi utilizarea ei la executarea
91
microcircuitelor. La prelucrarea pieselor în vid sau în atmosferă de gaz inert fasciculul
laser poate fi introdus în camera tehnologică printr-un geam transparent.
Fasciculul laser este „ideal” de rectiliniu şi poate servi ca o „riglă” foarte comodă
pentru orientare. Laserul cu impulsuri este folosit în geodezie şi construcţia de case,
pentru măsurarea distanţelor pe teren după timpul de parcurgere de către impulsul de
lumină a distanţei dintre două puncte.
7. Laserul în cercetarea ştiinţifică
Temperatura şi concentraţia extrem de înaltă a radiaţiei laser oferă posibilitatea de
a studia materia în stări extreme, existente numai în adâncurile stelelor fierbinţi. Un rol
deosebit de important îl joacă laserele în fizica nucleară, la declanşarea reacţiilor
termonucleare. În căutarea de noi surse de energie care să satisfacă cerinţele mereu
crescânde ale omenirii, fizicienii au ajuns la ideea utilizării în acest scop a reacţiilor
termonucleare controlate. Una dintre aceste reacţii constă în fuziunea, în anumite condiţii,
a unor nuclee atomice mai uşoare şi formarea unuia mai greu, însoţită de degajarea unei
cantităţi imense de energie.
Laserele oferă şi chimiştilor noi posibilităţi în studiul şi cercetarea reacţiilor
fotochimice, cu multiple aplicaţii în tehnologiile chimice moderne. De exemplu, prin
activarea clorofilei cu ajutorul luminii laser se poate accelera şi controla procesul de
fotosinteză, ceea ce deschide noi perspective în obţinerea pe cale industrială de carbonaţi
şi, eventual, proteine sintetice.
8. Laserele şi calculatoarele
Cu ajutorul laserelor s-ar putea realiza pe cale optică transmiterea semnalelor între
diferitele componente ale calculatorului, fără ca între acestea să existe vreun contact.
92
Chiar şi alimentarea calculatorului s-ar putea face cu ajutorul luminii laser, fără să
mai fie nevoie de curent electric. Impulsurile luminoase de scurtă durată produse de un
laser sunt transmise între diferitele elemente componente prin intermediul unor
„conductori” de lumină de tip special, cunoscuţi sub numele de fibre optice. Aceste
„cabluri” de lumină sunt, de fapt, fire de sticlă foarte subţiri în care lumina, pătrunzând
sub un unghi oarecare faţa de axul firului, se propagă prin reflexii repetate pe pereţii
firului, acoperit cu o peliculă extrem de fină tot din sticlă, dar având indicele de refracţie
mai mic decât al firului. Printr-un astfel de fir cu diametrul de numai 1 mm se pot
propaga simultan sute de impulsuri laser.
Aşadar, se conturează apariţia unei noi generaţii de calculatoare, calculatoarele
optice, căror construcţie şi principiu de funcţionare diferă mult de cele ale calculatoarelor
electronice.
În prezent există diverse proiecte de realizare a acestui nou tip de calculatoare.
Fără a intra în detalii, vom menţiona că viitoarele calculatoare vor avea dimensiuni mult
mai mici decât cele electronice, iar informaţiile obţinute, prelucrate şi redate de
calculatoarele optice nu vor mai fi triate după adresă, ca în calculatoarele electronice, ci
după imagini. Aceasta înseamnă că datele nu mai sunt tratate separat, fiecare în parte, ci
există posibilitatea prelucrării lor în grup, calculatorul optic putând memora dintr-o
singură „privire” o mare cantitate de informaţii. În memoria noilor calculatoare
informaţiile sunt reţinute sub formă de imagini. Se vorbeşte deja de o logică a imaginilor
şi de o aritmetică a imaginilor.
Calculatoarele optice vor avea o memorie imensă, capabilă să cuprindă o cantitate
de informaţii echivalentă cu cea conţinută într-o bibliotecă cu milioane de volume,
precum şi o viteză fantastică, de circa 1013 – 1014 operaţii pe secundă!
Domeniile de utilizare a laserului, deloc complete, punctate mai sus ilustrează
acea imensă influenţă pe care o exercită laserul în dezvoltarea ştiinţei şi tehnicii, precum
şi în viaţa societăţii moderne. Se poate afirma, fără prea mare exagerare, că laserul apărut
la mijlocul secolului XX a produs un impact asupra omenirii, asemănător cu acela pe care
l-a avut energia electrică şi radioul cu o jumate de secol mai înainte.
Convorbiri efectuate cu ajutorul fasciculului laser
93
Modalitatea de transmitere a unor informatii in timp real a cunoscut de-a lungul
timpului mai multe forme, printre primele fiind semnalele cu aburi,semnale luminoase
sacadate avand la baza codul morse , telegraful optic,etc.
Aceste metode au încetat să mai fie folosite din cauza vitezei mici de transmitere
a mesajelor, nesiguranţă şi fragilitate.
Comunicaţia a continuat cu telegraful electric şi telefonul electric, urmănd
comunicarea prin radio şi televiziune. Radiocomunicaţia se realizează prin unde
electromagnetice dintr-o largă gamă de fracvenţe – de la aproximativ 104 Hz (cu lungimi
de unda de zeci de kilometri) până la 1012 Hz (unde submilimetrice).
Crearea laserului a adus frecvenţe de până la 1015 Hz (unde cu lungimea de
zecimi de micron). Aceasta a dus la crearea comunicaţiilor radio în gama optică.
Au fost create şi linii telefonice fără cabluri bazate doar pe radiaţii laser. O astfel
de linie telefonică este la Moscova şi leagă două instituţii una de cealaltă, la o dist de
circa 5 km. Cu ajutorul fasciculului laser care “leaga” staţii telefonice se pot efectua
simultan câteva zeci de convorbiri. O astfel de convorbire a fost stabilită în Armenia,
între Erevan şi Observatorul astronomic de la Biurakan, situat pe muntele Ararat
(lungimea undei fiind de circa 50 km).
De obicei se folsesc laseri cu semiconductori sau cu heliu – neon. Radiaţia laser
este modulată cu ajutorul oscilaţiilor sonore într-un modulator şi este dirijată, printr-o
instalaţie de integrare, spre abonatul aflat la capătul liniei. Acolo, fasciculul laser intra
într-o instalaţie de recepţie şi apoi trece într-un demodulator, care separă oscilaţiile
sonore şi dirijate spre instalaţia de recepţionare a sunetului.
94
BIBLIOGRAFIE
Doru C.A.Duţu - Laserul lumina de mâine, Ed.Albatros, Bucureşti 1981 Blokhintsev, D. - Principes de mecanique quantique, Ed.MIR, Moscou,1981 Brandsen,B.,Joachain,C.J-Introducere în mecanica cuantică,Ed. Tehnică Bucureşti, 1995Brandt, S, Dahmen, H. Mecanica cuantică în imagini, Ed.Tehnică,Bucureşti, 1998Cotăescu, I.- Curs de mecanică cuantică, Tipografia Univ. din Timişoara,1990Muscalu , S - Fizica atomică, Ed. Didactică şi Pedagogică, Bucureşti,1980Omnµes, R.- Interpretarea mecanicii cuantice, Ed.Tehnică, Bucureşti, 1999Preda, A.M. - Introducere în electronica cuantică, Ed. Stiinţifică, Bucureşti, 1995Ţiţeica, Ş - Curs de fizică statistică şi teoria cuantelor, Ed.ALL, Bucureşti,2000Ţiţeica, Ş - Mecanica cuantică, Ed.Academiei RSR, Bucureşti 1984Vescan, T.-Cuantele, o revoluţie în fizică, Ed. Enciclopedică Română,Bucureşti, 1971 Wichmann, E.H. - Fizica cuantică, vol.IV, cursul de fizică Berkeley,Ed.Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1983.Zaharie, I. - Culegere de probleme de fizică, vol.II, Litografia Univ.Tehnice Popescu I. M., Preda A. M., Tudorache St., Cristescu C. P., Cone G., Sterian P. E., Lupascu A. I. – Aplicaţii ale laserilor, Editura Tehnică, Bucureşti, 1979.Revue Internationale de Defense, colecţia 1974-1990.Popescu I. M. – Fizica şi ingineria maserilor şi laserilor, partea a II a, Universitatea de Ştiinte Ingineresti „Politehnica" din Bucuresti, Catedra de Fizica, Bucuresti, 1992.Dumitras D. C. – Biofotonica, Editura All, Bucuresti, 1999Adelina Ciocan- Note de curs, 2002Siân Ede- Art&Sience, Editura I.B. Tauris, London, 2005J. F. Asmus, C. G. Murphy, W. H. Munk-Studies on the Interaction of Laser Radiation with Art Artifacts Developments in Laser Technology II, Ed. by R. F. Weurker, Proc. SPIE 41, 19 (1973)
http://science.howstuffworks.comhttp://www.repairfaq.orghttp://www.aps.org/publicationshttp://technology.niagarac.on.ca/courses http://laserul.idilis.rohttp://www.actrus.ro/reviste/4_2000 http://alpha1.infim.ro/cost/pagini/handbookwww.getty.eduhttp://www.art-innovation.nl/index/LASERACThttp://icom.museum
95