Laserul cu Dioxid de Carbon

Laserul cu Dioxid de Carbon

Procese laser in laserii cu CO₂,Tipuri de Laser cu CO₂,Aplicatii

C.Patel a demonstrat pentru prima data procesul laser intr-o molecula de CO2 in 1964.El a transmis un puls electric print-un gaz pur de CO2 intr-un tub laser si a obtinut un mic fascicul.CO2-ul este gazul unde procesul laser are loc,dar alti aditivi gazosi imbunatatesc eficienta totala a laserului.

Laserul standard cu CO2 include inmediul activ un amestec de CO2 cu N2 si He.Proportia optima pentru aceste gaze in amestec depinde de sistemul laser si de mecanismul de excitatie.In general, pentru un laser cu functionare continua,proportiile sunt:

CO₂ : N₂ : He 1 : 1 : 8

Molecula de CO2 este liniara,si acesti trei atomi sunt situati intr-o linie dreapta cu atomul de carbon in mijloc.In figura 7.1 cele trei moduri vibrationale ale moleculei de CO2 sunt ilustrate:

Figure 7.1 Modurile oscilatorii ale moleculei de CO₂

1.Modul de intindere simetrica (n₁).

2.Modul de curbura (n₂).

3.Modul de intindere asimetrica (n₃).

Tranzitiile in laserul cu CO₂

Tranzitiile laser in laserul cu CO2 apar atunci cand molecula se duce dintr-un nivel energetic ridicat,nivelul modului de intidere asimetrica,intr-unul din celelalte doua,asa cum se vede si in figura 7.2.

1.Tranzitia catre modul de intindere simetrica corespunde lungimii de unda 10.6 mm.

2.Tranzitia catre modul de curbura corespunde lungimii de unda 9.6 mm.

Fiecare dintre nivelurile energetice vibrationale este subdivizat in mai multe nivele rotationale.Tranzitiile pot aparea intre niveluri energetice vibrationale cu nivele rotationale diferite,asa ca sunt multe linii laser in jurul tranzitiilor vibrante principale.

Figure 7.2: Diagrama nivelurilor energetice ale unui laser cu CO₂

Functionarea laserului cu CO₂

O descarcare electrica este creata in interiorul tubului laser.Energia electronilor accelerati este transferata prin coliziune catre moleculele de Nitrogen si catre moleculele de CO2.Primul nivel energetic vibrant al moleculei de Nitrogen este foarte asemanatoare cu modul de intindere asimetric al moleculei de CO2,astfel energia poate fi usor transferata de la moleculele excitate de nitrogen la moleculele CO2.Moleculele de Heliu sunt adaugat in amestec pentru:

1.A goli nivelele inferioare de energie pentru a mentine inversiunea populatiei.

2.A stabiliza descarcarea electrica prin preluarea de caldura din zona de producere a fenomenului laser.

Caldura specifica (care determina conductivitatea termica) a He (1.24 cal/g . ⁰K) este de cinci ori mai mare ca a Nitrogenului (0.249 cal/g . ⁰K).

Presiunea din interiorul tubului de CO2 este de 5-30 de Torr,din care 10% apartine CO2-ului,10% N2-ului,si restul Heliului.

Tipuri de laser cu CO₂

Exista multe tipuri de laser cu CO2,toate bazate pe acelasi principiu fizic.Diferenta intre ele consta in structura lor,mecanismul de excitatie,si radiatia emisa.Le putem clasifica in functie de unele criterii:

1.Modul de operare

continua

puls

excitatie cu ajutorul radio frecventei (RF)

2.Configuratia geometrica a descarcarii electrice:

descarcare longitudinala

descarcare transversala

3.Alimentarea cu amestecul de gaze

alimentare lenta

alimentare rapida

incinta inchisa

Putem avea orice combinatie a acestor posibilitati.Vom descrie pe scurt cateva dintre ele.

Laserii cu CO2 cu descarcare longitudinala

In acesti laseri un amestec proaspat de gaze curge continuu prin laser atat timp cat dureaza procesul laser.Curgerea gazului este folosita atunci cand se doreste obtinerea puterii maxime a laserului.Gazul curge de-alungul tubului si este eliberat in atmosfera,deoarece nu este toxic.Acesti laseri sunt foarte simplii, si cerintele privind puritatea gazului sunt reduse.Se pot obtine puteri de sute de watti.In principiu,laserul conventional cu CO2 nu este altceva decat un tub racit cu apa si cu oglinzi la ambele capete prin care circula amestecul laser si este excitat electric.Sub conditii optime,se pot obtine puteri de aproximativ 80 mW/m pentru tuburi scurte (<3m).Puteri de aproximativ 8.8 kW au fost obtinute dintr-un laser de 10m,la inceputurile acestui laser.In zilele noastre, excitatia transversala rapida a inlocuit dispozitivele lungi.Schema unui laser CO2 cu descarcare longitudinal-axiala este prezentata in figura 7.3.Un catod central si doi anozi la capetele laserului sunt folositi.

Laserul cu CO2 cu unda ghidata

Operarea unui laser intr-un tub cu un diametru mic favorizeaza puternic pierderile radiatiei datorita difractiei.Totodata,daca tubul este construit in forma unui ghid dielectric a undei,pierderile datorate difractiei se minimizeaza si poate fi considerat un avantaj posibiltatea reducerii temperaturii gazului de catre peretii tubului si facilitarea dezexcitarii a speciilor moleculare prin coliziunea cu peretii tubului.Acesti factori determina operarea la presiuni mari cu un randament crescut,o putere/unitatea de volum ridicata,latime de banda si intensitatea saturatiei.O diagrama schematica a unui asemenea sistem este prezentata in figura 7.4.

Fig.7.4 Wave guide laser schematics

Folosind tuburi ceramice,laseri cu CO2 foarte mici pot fi fabricati.Acesti laseri mici pot sa produca puteri pana la 50 de watti in regim continuu.Aceste sisteme au avantajul unei puteri de iesire stabile si solide din punct de vedere mecanic.Combinatia dintre un randament ridicat si o presiune de lucru ridicata inlesneste operarea in cadrul unei singure frecvente si o banda larga de frecvente care pot fi folosite.O banda de cateva sute de MHz a fost demonstrata.

Laserii cu CO2 cu incinta inchisa

Tubul laser este umplut cu amestecul propice si inchis,cum am vazut la laserul cu He-Ne.O tensiune ridicata este aplicata la ambele capete ale tubului.Electronii accelerati excita moleculele de gaz.

Problema cu laserii gazosi cu incinta inchisa este inlocuirea in timp a moleculelor de CO2 cu molecule de CO si intr-un final cu molecule de O2.Pentru a reduce acest proces,un agent catalizator este adaugat la amestecul gazelor.Acest agent catalizator inverseaza procesul prezentat mai sus

Uneori un rezervor cu gaz este adaugat la incinta inchisa pentru a permite unele reimprospatari ale gazelor laser din interiorul tubului.

Noua generatie a incintelor inchise este facuta din metal,fara niciun tub din sticla.Acesti laseri sunt fabricati de o firma americana numita "Synrad" si sunt ieftini,eficienti si fiabili.Acesti laseri nu sunt excitati printr-o descarcare electrica directa,ci prin un curent generat de radio frecventa (RF).Modul lor de operare va fi descris mai tarziu.

Laserul cu CO2 cu excitatie transversala

Atunci cand curgerea gazelor in interiorul laserului este perpendiculara pe axa laserului,este posibil sa avem o curgere mult mai mare datorita distantei mici.Cum racirea cu ajutorul curgerii gazului este foarte eficienta,este foarte posibil sa se obtina puteri foarte mari pentru acest tip de laseri.

Ambele,si curgerea gazului,si descarcarea electrica, se petrec de-alungul adancimii laserului.Astfel,distanta dintre electrozi este mica si descarcarea electrica poate fi obtinuta pana si pentru gaze la presiune mare.Curgerea transversala este folosita pentru laseri cu CO2 foarte puternici.

Laserii cu CO2 ETA

Laserii in puls cu CO2 excitati transversal la presiune atmosferica (CO2 ETA) produc cea mai mare putere in puls a laserilor CO2.Diferite tehnici au fost elaborate pentru a se obtine o descarcare uniforma intre doi electrozi plati la presiune mare.

Scopul principal este sa se obtina un volum mare de gaz excitat la o presiune mare,aproape de presiunea atmosferica.La presiune inalta,orice neuniformitate in cazul campului electric,duce la aparitia unui arc electric.Arcul electric preia toata energia de pompaj si fenomenul laser nu are loc.Pentru a preveni aparitia unui arc electric s-au folosit diferite metode pre-ionizate.Prezentam in continuare laserul cu dubla descarcare,laserul preionizat ultraviolet si laserul cu descarcare controlata de un fascicul de electroni.

Laserul cu dubla descarcare

Una din cele mai comune tehnici folosite consta in folosirea unei descarcari auxiliare intre fire si electrodul principal.De exemplu, dintr-un laser cu sectiunea transversala de 4.5 x 3.5 cm ² si o lungime de 80 cm se poate obtine aproximativ 25 joule/puls la o presiune de lucru de o atmosfera.Se poate regla modul de operare folosind o diafragma de difractie.

Pentru a imbunatati uniformitatea descarcarii,aditivi cu un mic potential ionizator sunt folositi.

Laserul preionizat ultraviolet

Alta tehnica presupune folosirea radiatiei ultraviolete preionizate produsa de o descarcare pin-pin auxiliara.Descarcarea principala este produsa intre electrozii profilati Chang.Este sustinuta de un condensator principal (100 nF/40kV de obicei).Radiatia ultravioleta este produsa de doua randuri de scantei pin-pin,fiecare alimentat de un condensator de 1 nF.Densitatea de putere la iesire este de aproximativ 30-40 J/litru cu o eficienta de aproximativ 10%.

Laserul cu descarcarea controlata de un fascicul de electroni

Cea mai puternica metoda de a obtine descarcari masive la presiunea atmosferica este prin folosirea unei sectiuni transversale cat mai mari a unui fascicul de electroni.Dispozitivul are doua parti:camera laserului si camera tunului.Camera tunului trebuie sa fie vidata pana la 5*10^-5 Torri.Aplicand catodului rece un puls de tensiune ridicata de 500 kV ,produce un fascicul de electroni care acopera o arie mare de 10 cm x 10 cm.Fasciculul trece printr-o folie de titan subtire de 50 microni care separa camera tunului de camera laserului.Camera laserului este umpluta cu un amestec de gaze la presiunea atmosferica sau peste presiunea atmosferica.Ionizarea amestecului de gaze este datorata emisiei secundare de electroni produsa de electronii rapizi,care intra in cavitatea laser.Densitatea de energie emisa este de aproximativ 100 J / litru si 1kJ / 1 microsecunda.

Laserii acestia au candidat la fuziunea controlata prin inductie laser.De aceea au fost dezvoltati masiv,pentru a putea fi folositi ca amplificatoare finale in sisteme laser imense multi-fascicul.Datorita faptului ca lungimea de unda a laserului cu CO2 este prea mare pentru o cuplare cu tinta,nu este mai folosit in acest domeniu.Dar tehnicile folosite pentru dezvoltarea acestui laser au fost folosite pentru dezvoltarea urmatoarei generatii de laser.Laserii excimer,de exemplu,beneficiaza foarte mult de tehnica laserului ETA cu CO2.

Fig.7.6 Dispozitivul pentru descarcarea controlata a fasciculului de electroni

Daca nu se petrece nici o descarcare principala,numarul electronilor secundari descreste printr-o recombinare si un atasament.Presupunand ca procesul de recombinare troneaza peste procesul de atasare,ecuatia care descrie densitatea de electroni N_e poate fi scrisa:

Unde S(t) este termenul sursa si a este coeficientul de recombinare.Forma lui S (t) este similara cu voltajul total pulsatori,numit si Generatorul Marx.Valoarea maxima a lui S (t) este de aproximativ 5 x10¹⁹cm^-3s^-1.Coeficientul de recombinare are o valoare de aproximativ 2x10^-6.

Laserii Industriali de Putere Mare

In ultimii ani laserii cu CO2 sunt tot mai des folositi in domeniul industrial.Vom prezenta cateva tipuri de instalatii industriale de la firma ROFIN-SINAR:seriile SLAB (excitatie RF),SM,HF si SR.

Seriile SLAB

Laserul cu CO2 racit prin difuzie din seria SLAB a firmei ROFIN-SINAR marcheaza inceputul unei noi ere in folosirea tehnologiei laser in industrie pentru taiere,sudare sau tratament de suprafata.Designul revolutionar a laserilor SLAB ofera multe avantaje decisive cum ar fi un design extrem de compact si eliminarea sursei externe de gaz.Consumul de gaz este neglijabil,cilindru cu gaz integrat in capetele laser dureaza aproximativ 12 luni pentru o folosire continua.Alte caracteristici includ o calitate extraordinara a fasciculului si o reducere semnificativa a operatiilor de mentenanta.

Date tehnice:

Slab-series principle:

SM-series

Date tehnice:

Proprietatile laserului cu CO2

Laserii industriali de mare putere produc mai mult de 10000 watti in regim continuu.Spectrul de lucru este spectrul infrarosu: 9-11 mm.

Eficienta ridicata,de aproape 30%.

Pot sa opereze si in regim continuu si in regim pulsatoriu

Puterea medie este de aproximativ 80 W/m pentru laserii cu o curgere lenta a gazului, si de cateva sute de wati [W/m] pentru laserii cu o curgere rapda a gazului.Au o operare simpla si nu sunt toxici.

Un scurt rezumat al laserilor cu CO2,in functie de grupe:

Laseri cu gaz.

Emit in spectrul infrarosu (l = 9-11 mm).

Excitatie electrica.

Regim continuu,dar si regimul pulsatoriu este posibil.

Laser cu patru nivele.

Laseri comerciali cu CO2 cu incinta inchisa

Aplicatii Medicale a Laserilor cu CO2

Laserul Luxar NovaPulse cu CO2 si putere de iesire de 20 W este ideal pentru clinici mici si birouri.Bazat pe un sistem flexibil de distribuire a fasciculului cu fibra optica combina precizia unui laser si hemostaza si ofera senzatia unui scalpel.NovaPlus

ofera un puls de scurta durata si amplitudine mare urmat de o scurta pauza pentru a permite tesutului sa se raceasca astfel minimizand cicatricile si necroza termica.O larga varietate de unelte maximizeaza eficienta intr-o activitate completa de ENT,dermatologie,maxilofacial si pedichiura si proceduri chirurgicale generale.Un scaner specializat ofera o vaporizare fara ardere,uniforma,strat cu strat a suprafetelor de aproape 10 mm² .

Laserul cu CO

Acest laser este foarte similar cu laserul cu CO2,exceptie facand gazul mediului activ-CO.Spectrul fasciculului emergent este de 5 - 6 mm.Una din problemele acestui laser este ca este otravitor.

Alti Laseri cu Mediu Activ Gazos

Laserul cu vapori de metal,Laserul cu ioni de Argon,Laserul cu Nitrogen,Laserul Excimer,Laserii Chimici

Laserul cu vapori de metal

Mediul activ al acestui laser este alcatuit din vapori cu atomi metalici.Exista o diferenta intre doua tipuri ai acestui laser:

a. Laserii cu vapori de metal neutru, care includ:

1.Laserul cu vapori de cupru (LVC)

2.Laserul cu vapori de aur (LVA)

b. Laserul cu vapori de metal ionizat,care include:

Laserul cu Heliu-Cadmiu

Toti laserii cu vapori metalici emit radiatie electromagnetica vizibila,sub forma unor pulsuri rapide cu eficienta ridicata.

Laserul cu vapori de cupru

Fenomenul laser in vaporii de cupru a fost demonstrat in 1966.Primul laser comercial cu vapori de cupru a aparut in jurul anului 1980.Acest laser a fost atractiv datorita eficientei sale,de aproximativ 1%,pentru un laser care emite in spectrul vizibil si pentru puterea ridicata obtinuta in regim pulsatoriu.

Laserul cu vapori de cupru este un laser gazos,construit ca un tub cu ferestre la ambele capete.Tubul este umplut cu un gaz inert si cu o cantitate mica de cupru pur.Pentru a obtine vapori de cupru,metalul trebuie sa fie la o temperatura ridicata,astfel tubul este construit din alumina sau zirconiu,materiale care sunt rezistente la temperaturi ridicate.Diametrul tubului este de 10-80 mm,si contine Neon la o presiune de 25-50 Tori.

Lungimile de unda emise de laserul cu vapori de cupru sunt: l₁ = 510.6 nm (verde) si l₂ = 578.2 nm (galben).Din pacate,ambele tranzitii laser se petrec la niveluri energetice inferioare care nu sunt metastabile (cu o durata de viata de sute de microsecunde).Cum populatia acestor nivele energetice creste rapid,conditia pentru inversiunea populatiei este distrusa,si fenomenul laser dispare.Dupa disparitia fenomenului laser,nivelele energetice inferioare se degradeaza pana la starea de baza prin coliziuni moleculelelor excitate cu peretii tubului.Atunci,un alt puls laser este format.Timpul dintre pulsuri este mai mic de 100 ns.Astfel,laserul poate opera numai in regim pulsatoriu.

Laserul cu vapori de cupru este un laser cu trei nivele:

1.Starea de baza a atomului de cupru.

2. Nivelul superior de energie.

3.Nivelul inferior de energie

Laserii cu clorura de cupru (CuCl) si laserul cu bromura de cupru (CuBr) sunt variatii ale laserului cu vapori de cupru.Incepand cu un halogen al cuprului decat cu metalul pur,acesti laser pot opera la temperaturi mai joase decat cele necesare pentru producerea vaporilor de cupru.Totodata,cuprul trebuie disociat de halogenul sau pentru a produce fenomenul laser.Din aceasta cauza,necesitatile energetice sunt oarecum neobisnuite,o pereche de pulsuri de tensiune inalta aflate intr-o succesiune rapida sunt necesare pentru a opera laserul.Primul separa cuprul de atomii de clor sau brom si al doilea pompeaza atomii de cupru la nivelul energetic necesar.

Functionarea laserului cu vapori de cupru

Punctul de topire al cuprului este la 1083⁰C.La temperaturi mai ridicate de punctul de topire,sunt creati vapori de cupru la o concentratie suficient de mare ca sa poata servi la producerea fenomenului laser.Un volum de cupru pur este introdus in mijlocul tubului inaintea umplerii cu neon.Descarcarea electrica este creeata prin aplicarea unei tensiuni inalte electrozilor.Rezultatul este cresterea temperaturii in interiorul tubului,pana la evaporarea cuprului,si presiunea vaporilor este de aproximativ 0.1 Torri.Temperatura masurata in afara tubului poate ajunge la 1400-1500 ⁰C.In timpul procesului laser,numai o mica fractiune din atomii de cupru sunt ionizati,si se misca (atractie electrica) catre capetele tubului.Acolo,vaporii se racesc si trec in stare solida.Astfel,cantitatea de vapori de cupru din tub scade.Dupa cateva sute de ore de functionare,o noua cantitate de cupru trebuie introdusa in tub.

Pulsurile de inalta tensiune aplicate electrozilor aflati la capetele tubului accelereaza electronii care se ciocnesc cu moleculele vaporilor de cupru,excitandu-le spre unul din cele doua nivele laser disponibile,asa cum este prezentat mai jos.

Figure 8.1: Diagrama nivelurilor energetice ale laserului cu vapori de cupru

Aplicatii ale laserului cu vapori de cupru

1.Surse de pompaj pentru laserii Dye,pentru pulsuri scurte.

2.Iluminarea obiectelor in fotografierea de mare viteza.

Emisia laserilor cu vapori de cupru este in spectrul vizibil,in pulsuri foarte scurte,la o frecventa foarte mare a pulsului.Astfel,radiatia emisa poate fi folosita ca sursa de iluminare pentru fotografierea-flash de mare viteza.Un exemplu este fotografierea gloantelor de pusca la viteze de 300-15000 m/s.

3.In cadrul criminalitatii:

Identificarea amprentelor si urmele unor elemente speciale la locul crimei.Radiatia laser este folosita pentru ilumina proba,si fluorescenta la lungimi de unda mari este examinata.Datorita puterii mari,urmele reziduale pot fi identificate,urme care nu puteau fi identificate folosind lumina conventionala cu un spectru ingust.

4.Terapia Foto-Dinamica (TFD)

Distrugera selectiva a celulelor canceroase cu ajutorul radiatiei laser la o lungime de unda specifica,dupa injectarea unui medicament special.

5. Imbogatirea Uraniului (U₂₃₅)

Prin fotoionizarea selectiva a U₂₃₅ intr-un abur de uraniu natural.Cantitatea de U₂₃₅ in Uraniul natural este foarte mica,si este foarte greu de izolat.Folosind laserul cu vapori de cupru,se face posibila pomparea cu ajutorul laserilor reglabili Dye la puteri foarte mari.Este posibila reglarea laserului Dye pentru ionizarea Plutoniului (Pu₂₃₉) care este folosit la armele nucleare.

Puterea medie declarata a acestor laseri este de 6000 W,comparata cu cei 100 W a laserilor comerciali.

Laserii cu vapori de aur

Laserii cu vapori de aur sunt foarte similari cu cei cu cupru privind structura si principiu de operare.Uneori,acelasi sitem este folosit pentru acelasi laser.Singura schimbare este inlocuirea cuprului solid cu un fir de aur pur.Lungimea de unda a laserului cu vapori de aur este de 628nm (rosu).Principala aplicatie a laserului cu vapori de aur este tratament experimental a cancerului prin terapie foto dinamica (TFD).

Laserul cu Heliu-Cadmiu

Laserii cu Heliu-Cadmiu pot fi impartiti astfel:

Laserii cu vapori de metale-cadmiul este un metal,procesul laser are loc intre nivelele energetice ale ionilor de cadmiu,astfel mediul activ este alcatuit din vapori metalici ionizati.

Laserii cu ioni-proprietatile laserului cu heliu-cadmiu sunt similare cu cele alea laserului cu heliu-neon,care este un laser gazos cu atomi neutrii.Laserul cu He-Cd este un laser cu mediu activ gazos,si cadmiul este adus in faza gazoasa prin incalzire.

Excitarea nivelelor superioare de energie a atomilor de cadmiu din gaz este similara cu procesu de excitare a gazului de neon in laserul cu heliu-neon:atomii de He sunt excitati prin coliziunile cu electronii accelerati si transmit energia lor atomilor de cadmiu prin coliziune.Tranzitiile din laserul cu He-Cd sunt intre nivelurile energetice a atomilor ionizati singular si aproximativ 12 linii sunt disponibile.Aceste lungimi de unda sunt in regiunea lungimilor de unda scurte ale violetului si ultravioletului.Astfel,aplicatia principala a laserului cu He-Cd este in laboratoarele de optica,pentru fabricarea diafragmelor holografice.

Problema practica a laserului cu He-Cd este de a mentine distributia omogena a a vaporilor de metal in tub.Ionii sunt atrasi de ferestrele reci de la capetele tubului .Pentru a preveni acoperirea ferestrelor cu cadmiu, capcane reci sunt montate inainte de ferestrele laser.

Fenomenul laser in laserul cu Heliu-Cadmiu

Cadmiul este incalzit la o temperatura de 250⁰C, pentru a creea o presiune adecvata a vaporilor.Presiunea vaporilor de cadmiu de cativa militorri este adaugata la presiunea gazului de heliu de 3-7 militorri.Cum heliul este un gaz nobil, energia sa de excitatie este de foarte mare (24.46 eV) comparata cu cea a cadmiului (8.96 eV).Astfel,in laserul cu He-Ne, heliul ramane neutru din punct de vedere electric si umple cavitatea tubului,in timp ce atomii pozitivi de cadmiu se misca spre catod.In constructia tubului,cea mai mare problema este reducerea cantitatii de ioni de cadmiu de pe catod.Cel mai bun laser He-Cd pierde aproximativ 1 g de cadmiu pentru fiecare 1000 de ore de functionare.Prin comparatie,randamentul si puterea de iesire a liniilor principale ale laserului cu He-Cd sunt mai mari decat ale laserului cu He-Ne,dar mai slabe decat ale laserului cu Ar⁺ .

Caracteristicile laserului cu He-Cd:

Lungimi de unda:lumina albastra 441.6 nm,lumina ultravioleta 325nm.

Putere maxima:150 mW pentru lumina albastra si 50mW pentru lumina UV.

Eficienta maxima totala:pentru albastru 0.02 % si pentru UV 0.01%.

Adancime spectrala:0.003 nm (aproximativ 5 GHz) si o lungime de coerenta de aproximativ 10 cm.

Distanta dintre doua moduri longitudinale: aproximativ 200MHz.

Laserii cu gaz ionizat

Cei mai des intalniti laseri cu gaz ionizat folosesc gaze nobile Argon (Ar⁺) si Krypton (Kr⁺).Ne vom concentra asupra laserului cu ioni de argon pentru ca este mai des folosit.

Laserul cu Ioni de Argon (Ar⁺)

Wiliam Bridges a inventat laserul cu Argon in 1964 la Hughes.Laserul cu ioni de Argon contine un tub umplut cu Argon care se transforma in plasma in starea excitata.Plasma este o stare a materiei in care electronii sunt separati de atomi si molecule,ce inseamna ca ea contine ioni si electroni liberi.O diagrama schematica a nivelelor de energie a laserului cu Argon este prezentata in figura 8.2.

Doua tranzitii laser principale sunt la o lungime de unda vizibila:albastru 488nm si verde 514.5 nm dar laserul cu ioni de Argon emite si in spectrul UV:351.1 nm si 363.8 nm.

Puterea de iesire a Laserului cu Argon

Cand vorbim despre puterea laserului cu Argon este important sa mentionam daca este vorba de puterea tuturor liniilor impreuna sau la o lungime de unda specifica.Unele aplicatii necesita o lungime de unda specifica care poate fi obtinuta cu ajutorul unei diafragme sau o prisma la sfarsitul cavitatii optice.Laserii cu gaz ionizat sunt singurii laseri cu emisie in spectrul vizibil din laserii cu mediu activ gazos care emit multe culori cu o putere relativ mare (de cativa wati).

Figure 8.3

Imaginea 8.3 arata toate lungimile de unda a luminii care poate fi emisa de un laser cu argon care opereaza in multimod.Fiecare lungime de unda este o sursa de lumina monocromatica si fiecare lungime de unda are o latime de banda foarte ingusta.Cele doua lungimi de unda dominante,cea de 514nm,verde, si 488nm,albastru, alcatuiesc aproximativ 67% din puterea totala emisa.Operarea in cadrul unei singure linii este posibila prin montarea unei prisme,o diafragma de difractie sau alte dispozitive optice speciale pentru a filtra lungimile de unda nedorite.Bineinteles ca atunci cand este dorita operarea intr-o singura linie,si puterea de emisie scade.

Eficienta laserului cu Argon (Ar⁺)

Observam din diagrama din figura 6.4 ca energia necesara procesului laser apartine ionilor de Argon,astfel atomii gazului din interiorul tubului trebuie sa fie ionizati prima data.Dupa cum se observa din diagrama,starea de baza a laserului este de aproximativ 16eV peste starea de baza a atomului neutru de Argon.Aceasta reprezinta o cantitate mare de energie care trebuie administrata laserului,dar nu este folosita pentru producerea radiatiei laser.Aceasta energie consumata este unul din motivele pentru eficienta redusa a laserului cu Argon, de 0.1 %.

Puterea de emisie a Lserului cu Argon

Randamentul mediului activ al laserului cu argon este foarte ridicat,astfel putere mare poate fi obtinuta din acesta(zeci de wati),cu o eficienta redusa,cum am vazut anterior.Puterea creste ca o functie neliniara a densitatii curentului din tub.Astfel,este normal sa se foloseasca tuburi inguste si curenti ridicati (100-500 A/cm²).Laserul cu ioni de Argon necesita de obicei linii de alimentare cu 3 faze.Pornirea laserului se face cu un puls de inalta tensiune,aproximativ 10 kV curent continuu,care ionizeaza argonul.Un curent continuu ridicat,mai mult de 50 de Amperi,mentine procesul laser.Asemenea densitati ridicate de curent dezvolta multa caldura,care trebuie indepartata.Laserul cu ioni de Argon necesita astfel o racire cu apa.Pentru a rezista la temperaturi ridicate,tubul laser este fabricat din materiale cu punct ridicat de topire cum ar fi oxidul de beriliu.Acest material are o conductivitate termica ridicata,si nu este distrus de descarcarile electrice.Radiatia laserului cu ioni de argon este periculoasa pentru ochi (clasa 3b sau mai sus),si lucrul cu el necesita echipament de protectie cum ar fi ochelarii de protectie pentru toata lumea din incapere.O schema a laserului cu ioni de argon este prezentata in figura 8.4.

Figure 8.4 Principiul laserului cu ioni de argon

Ultimul rezonator este alcatuit din doua oglinzi.Una are un grad ridicat de reflectivitate iar cealalta este partial reflectanta (cuplajul de iesire).Din acest cuplaj de iesire fasciculul laser paraseste cavitatea optica.Dispozitivul optic pentru unghiul lui Brewster este montat la ambele capete ale tubului,si minimizeaza pierderile datorate reflectiei si determinand in acelasi timp si polarizarea fasciculului.Cand laserul este pornit pentru prima data, un decalaj permite stabilizarea temperaturii.Apoi un puls de inalta tensiune,8 kV curent continuu,ionizeaza gazul.Dupa ionizare,un curent continuu puternic,de 45 Amperi si aproximativ 600V mentine in tub o descarcare suficienta pentru a mentine gazul ionizat.Tubul tipic de laser cu argon are un invelis din tungsten care are un punct ridicat de topire si permite laserului sa opereze la puteri ridicate cu o durata de viata ridicata a tubului.

Laserii cu argon cu o putere medie de peste 3 wati necesita o racire cu apa si o alimentare in 3 faze cu 220V AC/50 Amperi.

Emisia laserului cu Argon este periculoasa pentru ochi.Si un fascicul reflectat sau difuz poate cauza leziuni permanente retinei daca este expusa peste EMP(expunerea maxima permisa).

Laserul cu Krypton

Laserul cu Krypton este foarte asemanator cu laserul cu argon,dar eficienta sa este mai redusa.Acest laser are multe linii in spectrul vizibil,in special in portiunea galben-rosu a spectrului.Puterea mxima emisa a fiecarei linii este de aproximativ 100mW.Aplicatiile principale ale acestui laser sunt in industria divertismentului,pentru a creea efecte vizuale fantastice.

Laserul cu Nitrogen

Laserul cu nitrogen a fost pentru prima data descoperit in 1963 si a fost vandut ca un laser comercial pana in 1972.Mediul activ este gazul de nitrogen la o presiune de 20 de torri pana la 1 atmosfera.In unii laseri cu nitrogen gazul curge prin tub,in timp ce in cazul altora tubul este inchis.La fel ca majoritatea laserilor cu gaz,laserul cu nitrogen se bazeaza pe tranzitiile intre nivelele energetice vibrante si este excitat electric.Diagrama nivelelor energetice a laserului cu nitrogen este prezentata in figura 8.5.

	Figure 8.5: Energy level diagram of the nitrogen laser

Functionarea pulsatorie a laserului cu nitrogen

Un scurt puls,de aproximativ 10 nsec, de tensiune inalta,20-40 kV determina excitatia gazului.Aceasta tensiune ridicata creeaza o descarcare electrica in gaz,care cauzeaza inversiunea de populatie.Un puls de ordinul nsec este emis si gazul revine la starea de baza.Laserul cu nitrogen lucreaza in regim pulsatoriu.Este imposibil sa lucreze in regim continuu deoarece durata de viata a nivelului superior de energie este de aproximativ 40 nsec, in timp ce durata de viata a nivelului inferior de energie este de 10 msec.

Randamentul mediului activ al laserului cu nitrogen este foarte ridicat.Un mediu activ de 1 metru lungime este suficient pentru a creea radiatie laser,chiar si fara oglinzi.In practica se foloseste o oglinda total reflectanta (100%) la un capat,iar la celalalt una partial reflectanta,pe unde este emis fasciculul laser.

Proprietatile Laserului cu Nitrogen:

Laserii cu nitrogen emit radiatie in zona ultravioleta a spectrului electromagnetic,la o lungime de unda de 337.1 nm.

Un laser foarte simplu si ieftin.

Functionarea in regim pulsatoriu la puteri foarte mari,de ordinul catorva MW.

Frecventa pulsului,pana la 1000Hz-limitata de efectele termice.

Durata pulsului de ordinul a zeci de nsec.

Energia per puls-cativa mili Joule.

Energia medie-pana la cateva sute de mW

Eficienta totala-aproximativ 0.1 %

Aplicatii principale ale Laserului cu Nitrogen

Pomparea optica a laserilor Dye.

Spectroscopia in domeniul UV

Verificari nedistructive obtinute prin incalzirea probei cu un puls al laserului cu nitrogen.

Masurarea fluorescentei materialelor.

Masurarea unor procese foarte rapide.(iluminarea cu pulsuri scurte pentru fotografiere).

Laserii Excimer

Exista laseri unde conditiile pentru realizarea procesului sunt realizate in moduri exotice.Ca un exemplu, vom examina o familie de laseri unde radiatia este emisa dintr-o molecula ,care exista numai pentru o scurta perioada de timp.Aceasta molecula este alcatuita dintr-un atom a unui gaz nobil:argon,krypton sau xenon si un atom al unui halogen:fluor,clor,brom sau iod.

Excimerul este o molecula care are o existenta numai in starea excitata.In starea de baza aceasta molecula nu exista si atomii sunt separati.Starea excitata dureaza foarte putin,mai putin de 10 nanosecunde.

Termenul de excimer vine de la combinarea termenilor: dimer excitat,care inseamna ca molecula este alcatuita din doi atomi care exista numai in starea excitata.

Laserul excimer a fost inventat in 1971 in Uniunea Sovietica de un grup de cercetatori:Basov,Daniychev si Popov.Ei au aratat emisia stimulata la o lungime de unda de 172 nm a gazului Xe₂ la temperatura joasa,si pompat de un fascicul de electroni.

Searl si Hart au raportat primul proces laser intr-un gaz nobil cu halogen

(XeBr) in 1975.Laserii excimer mai des intalniti sunt listati in tabelul 8.1,fiecare cu lungimile de unda caracteristice.

Table 8.1 Lungimile de unda ale laserului excimer

Nivelurile energetice ale unui laser excimer

Compusul unui gaz nobil este o contradictie,deoarece gazele nobile sunt inerte.Atomii creeaza o stare limita numai atunci cand o tensiune ridicata ii induce intr-o stare excitata.Aceasta stare limita este nivelul laser superior,din acest nivel molecula se intoarce la starea de baza.Conditia inversiunii de populatie este atinsa la momentul cand exista o stare excitata,din moment ce populatia nivelelor inferioare laser sunt intotdeauna zero.

Figura 8.6 ilustreaza o diagrama a nivelelor energetice a laserului Excimer,ca o functie a distantei intre atomi in molecule.R reprezinta atomul gazului nobil si H reprezinta halogenul.

Figure 8.6:Nivelurile energetice ale laserului excimer

   

Curbura din diagrama (sursa potentiala) a starii excitate arata existenta unei stari momentan stabile.Faptul ca nu exista nicio potentiala sursa in starea de baza arata ca nu exista o stare limita a moleculei atunci cand nu este excitata.

Numai in zona marcata,in interiorul posibilei surse a starii excitate poate sa existe o stare limita,si apare pentru o distanta specifica intre atomi.

Functionarea laserului excimer

Compozitia gazului in interiorul tubului laser este alcatuita din foarte putin halogen (0.1-0.2 %) si putin gaz nobil (argon,krypton sau xenon) si aproximativ 90% neon sau heliu.

Atomii halogenului pot sa provina din molecule de halogen,cum ar fi: F₂, Cl₂, Br₂ , sau din alte molecule care contin halogeni cum ar fi: HCl, NF₃.

Avantajele folosirii unui compus si nu a halogenului pur este activitatea chimica puternica a moleculei de halogen (in special fluorul).

Excitatia Laserului Excimer

Trecerea unui puls electric puternic prin amestecul gazos produce excitatia laserului excimer.Excitatia trebuie sa fie foarte scurta si foarte puternica,incepand de la 100 kW/cm³ si urcand pana la cativa megawati pe cm³ .Electronii din gaz sunt accelerati si ca rezultat al curentului ridicat,transfera energia cinetica moleculei de gaz prin coliziune.Moleculele gazului nobil si ale halogenului sunt sparte si formeaza complexul excitat limita.Este posibil sa se imbunatateasca eficienta pompajului prin ionizarea amestecului gazos folosind raze X.

Rata pompajului este de ordinul Gigawatilor per litru de gaz.Durata de viata a starii excitate este de ordinul zecilor de nsec.Astfel,pulsul laser este limitat la zeci de nano-secunde.

Datorita randamentului ridicat al mediului activ al laserului excimer,laserul poate opera fara oglinzi.Practic,una din oglinzi este total reflectanta,iar cealalta este inlocuita de o ferestra transparenta.Procentajul foarte mic al reflectiilor Fresnel este de ajuns sa mentina procesul laser.Datorita cerintelor pentru un pompaj rapid si puternic,este normal sa se foloseasca descarcarea transversala(la un unghi optim fata de axa laserului).

In cazul descarcarii transversale,distanta dintre electrozi este mica,si este foarte mult spatiu pentru electrozi de-alungul axei laserului.O mare atentie trebuie atribuita alegerii materialelelor din interiorul cavitatii laser,datorita reactivitatii ridicate a gazelor.Cum gazele din interiorul laserului excimer sunt foarte toxice,laserul trebuie etansat dupa umplerea cu gaz.Laserul este folosit pentru cateva milioane de pulsuri,iar apoi o reumplere cu gaz este necesara.

Proprietatile laserului excimer

Laserii excimer emit in domeniul UV.Radiatia emisa este in pulsuri scurte.Durata unui puls se intinde de la cateva picosecunde pana la microsecunde (10^-12-10^-6 sec).Presiunea din interiorul tubului este ridicata: 1-5 Atm.Eficienta unui laser comercial excimer este de cateva procente.

Aplicatii ale laserului excimer

Laserii comerciali excimer pot sa emita radiatie UV cu o putere medie de 100 wati.Cum lungimea de unda emisa este foarte scurta,fiecare foton poarta o cantitate mare de energie,care nu este suficienta pentru a sparge legatura dintre moleculele materialului care absoarbe radiatia.Fiecare puls al laserului excimer contine un numar mare de fotoni,datorita unei puteri ridicate.De altfel,laserul excimer este o scula perfecta pentru taiat aproximativ orice material.

Aplicatii speciale

Fotolitografiere-procesare de material la o precizie foarte ridicata (la micron).

Taierea de tesut biologic fara a afecta zonele invecinate.Corectarea problemelor vizuale.Prin taierea unor straturi foarte subtiri ale corneei,astfel remodeland-o,se evita necesitatea purtarii ochelarilor.Marcarea produselor:cum fiecare material absoarbe lungimea de unda scurta a laserului excimer,este posibila marcarea a tuturor tipurilor de material,cum ar fi plasticul,sticla,metalul etc.Pretul unui laser excimer este relativ ridicat,de ordinul a zeci de mii de dolari) dar este folosit des pentru proprietatile sale unice.

Laserii Chimici

Laserul chimic este un exemplu de laser unde energia de pompaj este asigurata de o reactie chimica intre 2 atomi.Laserul chimic este un membru al familiei laser cu gaz dinamic.

Laserii dinamici chimici sunt bazati pe expansiunea rapida a gazului cald sub presiune,prin duze aproape de un vacuum.Expansiunea rapida reduce temperatura gazului.

Cum transferul moleculelor catre starea de baza dureaza mai mult decat timpul necesar expansiunii ,obtinem la o temperatura joasa multe molecule la nivele excitate.Astfel,apare inversarea populatiei.

Gazul curge in general prin duze in curgere transversala (perpendicular pe axa optica a laserului),astfel multe duze pot opera in acelasi timp,obtinand astfel o putere ridicata din partea laserului.

J. V. V. Kasper si G. C.Pimental au descoperit primul laser chimic,care functiona in regim pulsatoriu,in 1965.Procesul laser al laserilor chimici se bazeaza in general pe tranzitiile vibrante ale moleculelor diatomice.

Materialele folosite la un laser chimic

Majoritatea laserilor chimici sunt bazati pe un halid al hidrogenului.Cel mai cunoscut membru al acestei familii este acidul fluorhidric.Radiatia emisa este in domeniul infrarosu,cu cateva linii in acest spectru:2.6-3.0 mm.

Atunci cand hidrogenul este inlocuit cu izotop mai greu-deuteriul,alt membru al familiei este creeat fluorura de deuteriu (DF) si emite in spectrul 3.5-4.2 mm.Alti halizi cum ar fi acidul clorhidric (HCl) si acidul bromhidric (HBr) au demonstrat fenomenul laser in laborator,dar nu sunt foarte comuni.

Datorita faptului ca fluorul si hidrogenul sunt gaze foarte reactante,hidrocarburi sunt folosite ca surse de hidrogen si compusi ai fluorului cum ar fi SF₆ sau NF₃ sunt folositi ca sursa de fluor.Extragerea fluorului are loc prin descarcare electrica,care separa moleculele de SF₆ in fluor si sulf.In laserii chimici comerciali,oxigenul este adaugat in camera de reactie,pentru a interactiona cu sulful pentru a creea moleculele de SO₂ .Heliul este adaugat ca un gaz de dilutie, si uneori si alte gaze.Presiunea totala din interiorul laserului chimic este mica,de cativa Torri.

Reactia chimica

Reactia dintre hidrogen si fluor poate fi pornita printr-o scanteie electrica sau prin metode chimice.In reactia dintre moleculele hidrogenului si atomii de fluor,fluorul foarte reactiv interactioneaza cu moleculele de hidrogen pentru a creea molecule libere de hidrogen plus o molecula de HF*.Atunci, hidrogenul liber reactioneaza cu moleculele de fluor:

H₂ + F HF* + H (8.1)

H + F₂ HF* + F (8.2)

Aceste reactii vor continua atat timp cat exista molecule de fluor si hidrogen.Astfel,curgerea gazului creeaza o emisie laser continua.Molculele de HF si DF au o serie de niveluri energetice vibrante.

Asa cum am vazut la modelul atomic al lui Bohr,diferenta dintre nivelele energetice succesive descreste la nivele superioare.Asta inseamna ca atunci cand tranzitia are loc intre doua nivele energetice superioare,cum ar fi E₇-E₆ ),fotonul emis va avea o energie inferioara (o lungime de unda mai mare) decat a fotonului emis din tranzitia dintre nivlele energetice inferioare (cum ar fi E₂-E₁).Cum fiecare nivel vibrant are cateva sub-nivele rotationale,avem explicatia pentru lungimile de unda emise de laserii chimici.

Structura laserului chimic

Schema structurii unui laser chimic este prezentata in figura 8.7.

Figure 8.7: Structura de baza a unui laser chimic

Gazele sunt injectate in laser prin tevi cu pinhole la capete.Designul pinholeurilor este critic pentru a evita echilibrul termodinamic al gazului.Gazul curge rapid prin pinholeuri si creeaza o curgere turbulenta.Asta rezulta intr-o molecula excitata de halid al hidrogenului.Gazul excitat intra in cavitatea optica a laserului la un unghi optim fata de axa optica a laserului.

Avantajele Laserilor Chimici

Sursa de energie este depozitata conventional(baloane de gaz).

Putere de emisie foarte mare.

Atmosfera este mult mai transparenta la spectrul emis de laserul DF decat pentru laserii HF,astfel laserul DF este mult mai dezvoltat,desi are o eficienta scazuta,iar pretul pentru izotopul deuteriului este ridicat.

Dezavantajele Laserilor Chimici

Fluorul este un gaz foarte reactiv.

Hidrogenul este un gaz foarte inflamabil.

Functionarea Laserului Chimic

Un laser chimic comercial,un voltaj ridicat de aproximativ 8000 de volti este aplicat electrozilor tubului laser.Unii laseri folosesc radiatia UV inaintea descarcarii electrice pentru a pre-ioniza gazul si pentru a imbunatati reactia chimica.

Reactia chimica dintre fluorul liber si hidrogen genereaza o mare cantitate de caldura in timp ce creeaza molecula de HF* care este in stare excitata.Daca verificam eficienta electrica a semnalului de intrare fata de emisia laser,obtinem mai mult de 100%,datorita reactiei chimice cauzata de reactia dintre fluorul liber si hidrogen.In laserii chimici comerciali,eficienta electrica este mai mica de 1%,in timp ce eficienta chimica este de aproximativ 20%.

Aplicatiile laserului chimic

Majoritatea aplicatiilor care vizeaza laserul chimic sunt in domeniul militar,astfel numarul de aplicatii publicate este limitat.

Laserul MIRACL (Mid infra-red advanced chemical laser) este cel mai cunoscut laser chimic al institutului american American High Energy Laser System Test Facility, cu domiciliul in White Sands Missile Range in Noul Mexic.Este proiectat sa distruga rachetele inamice in aer.A fost primul laser chimic cu putere de ordinul megawatilor si functionare continua si a fost folosit pentru prima data in 1980.Acest laser poate emite un fascicul continuu cu o putere de aproximativ 2 megawati,pentru un timp scurt,aproximativ 70 secunde.Orificiul transparent a telescopului folost pentru a ghida laserul are 1.5 metrii cu o urmarire automata a tintei cu calculatorul.Calitatea fasciculului este buna.Este laserul demonstrat a fi fiabil in mai multe de 150 de procedee laser,cu un timp de lucuru de peste 3000 secunde in ultima decada.

Functionarea laserului MIRACL

Functionarea laserului MIRACL este similara cu cea a motorului unei rachete spatiale,unde combustibilul (etilena, C₂H₄ ) este ars cu un oxidant(trifluorura de nitrogen NF₃).Atomii liberi si excitati de fluor sunt unul din produsii combustiei.In aval fata de combustor,heliul si deuteriul sunt injectati in evacuare.

Deuteriul se combina cu fluorul excitat pentru a obtine molecule excitate de fluorura de deuteriu, in timp ce heliul stabilizeaza si controleaza temperatura.Cavitatea optica este racita activ si poate fi folosita pana cand alimentarea cu combustibil este incheiata.Puterea de emisie a laserului poate fi controlata prin curgerea combustibilului si a amestecului.Fasciculul laser din rezonator este de aproximativ 21 cm inaltime si 3 cm latime.

Dispozitive optice pentru modelarea fasciculului sunt folosite pentru a produce un fascicul patrat cu latura de 14 cm.Diagnosticarea cu privinta la forma fasciculului,puterea absoluta si profilul intensitatii se face pentru fiecare folosire a laserului.

In iunie 1996,o operatiune de succes a avut loc,constand in urmarirea unei rachete de la o distanta de 23 km pana la o distanta de 50 de km prin iluminarea cu un laser chimic.Racheta zbura la o viteza de 1000 m pe secunda.

Laserul chimic cu oxigen iodat (COIL)

Alt laser chimic care este bazat pe reactia complicata dintre iod si oxigen.Acest laser a fost inventa in America, la US Air-Force Weapons Laboratory in 1977.Este testat la Laboratorul Phillips al Fortei Aeriene ca o potentiala arma.Scopul sau principal este sa distruga rachetele in aer.Laserul COIL a fost ales sa fie a doua generatie de laseri aeropurtati (ABL),construit pentru a intercepta rachetele balistice in pragul lansarii.Acest laser emite radiatie la o lungime de unda de aproximaitv 1.3 mm.Aceasta este cea mai scurta lungime de unda obtinuta de un laser chimic.Aceasta lungime de unda este de dorit pentru arme,datorita transmisiunii ridicate a atmosferei la aceasta lungime de unda si datorita dispozitivelor optice mari si bune calitativ,necesare pentru un sistem laser puternic.

Laserii cu emisie in domeniul indepartat al infrarosului (FIR)

Laserii FIR emit radiatii in domeniul indepartat al infrarosului(12-1000 mm).Undele mai mari decat 100 mm sunt numite uneori numite unde submilimetrice.Laserii FIR sunt laseri cu gaz a carui proces laser are loc inte nivelele rotationale ale moleculelor de gaz a mediului activ.Normal,aceste tranzitii au loc intre aceleasi nivele vibrante.Mediul activ al laerilor FIR este de obicei un gaz a unei molecule organice cum ar fi C₂H₄, CF₄, NH₃.

Datorita latimii inguste a fiecarui nivel energetic a acestor materiale,este ineficient sa pompam optic cu surse conventionale de lumina.Cea mai buna metoda pentru a obtine inversiunea de populatie in acesti laseri este pomparea cu ajutorul altor laseri cu o lungime de unda scurta.De obiecei,laserul cu CO2 este folosit pentru pompaj.

Proprietatile Laserilor FIR

O schema a unui laser FIR este prezentata in figura 8.8.

Figure 8.8: Schema unui laser FIR

In laborator,mii de linii ale laserilor FIR au fost masurate.Totusi,foarte putini laseri FIR sunt disponibili in comert si de obicei sunt pentru cercetarea.Puterea de emisie a unui laser FIR este de ordinul miliwatilor pana la sute de miliwati.Cercetarea principala care foloseste laserii FIR este in domeniul masuratorilor spectroscopice.Este posibila folosirea aceluiasi sistem al laserului FIR pentru diferite tipuri de laseri cu gaz,si de obicei fiecare gaz are de obicei cateva linii laser.

Structura laserilor FIR

Gazul care produce fenomenul laser este inchis intr-un tub,similar cu laserii cu CO2 sau laserii cu He-Ne.Gazul din tub poate curge sau poate fi etansat.Presiunea gazului din tub este de aproximativ 30-300 torri.

Pomparea optica este de obicei realizata de-alungul axei optice a laserului.Oglinda prin care se realizeaza pompajul este acoperita astfel incat lungimea de unda a pompajului trece,iar lungimea de unda este blocata.Desi radiatia laser este blocata in interiorul tubului,trecand de multe ori prin mediul activ,este amplificata.

Din moment ce un laser realizeaza pompajul optic,lungimea de unda a pompajului este determinata precis;astfel nivele energetice specifice pot fi excitate.Problema principala in folosirea laserilor FIR este gasirea unor componente optice care sunt transparente la aceste lungimi de unda lungi,din moment ce majoritatea materialelor optice nu sunt transparente la lungimi de unda mai mari de 40 mm.

Pentru laserii cu emisie in spectrul vizibil,curba randamentului mediului activ poate sa contina cateva moduri longitudinale.In cazul laserilor FIR,curba de randament este mai ingusta decat distanta dintre doua moduri adiacente.Astfel lungimea cavitatii trebuie sa fie ajustata astfel incat un singur mod longitudinal va fi sub curba randamentului.Schimbarea lungimii cavitatii laser poate fi facuta manual sau electric prin mutarea oglinzii de la capatului laserului.

Laserii cu Mediu Activ Solid

Pompajul optic al laserilor cu mediu activ solid,Laserii cu mediu activ solid si pompaj cu ajutorul diodelor laser DPSSL,Laserii cu neodim Nd,Laserul cu Alexandrit,Laserul cu centrul colorat,Laserul cu Titan si Safir

Atomii dintr-un solid sunt apropiati unul de celalalt,si interactiunea dintre atomii vecini este puternica.Astfel, domeniul absorbtiei si a emisiei in solide este mult mai larg decat al gazelor.Este convenabil sa exciti un laser al carui mediu activ este solid prin pompaj optic.Un spectru larg al absorbtiei permite pomparea mediului activ cu o sursa conventionala de lumina,care are un spectru larg al emisiei.In pomparea optica,mediul activ este excitat prin iluminarea lui cu surse electromagnetice externe.Fotonii sursei externe sunt absorbiti de materialul mediului activ,astfel transferand energie moleculelor.

Doua tipuri de surse electromagnetice sunt folosite in pompajul optic:

Lampile flash,lampile incandescente,lampile cu arc etc. care sunt o sursa electromagnetica cu un spectru larg.

Alt laser, care este o sursa electromagnetica cu un spectru ingust.

Structura mediului activ al laserilor cu mediu activ solid

Mediul activ intr-un laser cu mediu activ solid, este un material solid,in care ionii impurificatori al altor materiale sunt imprastiati.Acesti ioni impurificatori inlocuiesc atomii materialului solid din fundal si nivelele energetice care participa la procesul laser sunt cele ale ionilor impurificatori.Influenta materialului din fundal asupra nivelelor energetice este minora.Astfel, aceeasi ioni impurificatori incorporati in diferite materiale gazda vor emite la lungimi de unda foarte apropiate.Proprietatile optice ale laserului sunt dictate in mare parte de ionul impurificator.Pe de alta parte, proprietatile fizice ale mediului activ,cum ar fi conductivitatea termica, expansiunea termica sunt determinate de solidu gazda.Astfel materialul gazda determina nivelul maxim al puterii laserului.

Pompajul optic al laserilor cu mediu activ solid

Mediul activ al acestor laseri este un cristal sau o sticla.Forma mediului activ este de obicei un baton cu o sectiune transversala patrata sau circulara.Fasciculul de pompaj intra in mediul activ suprafata de-alungul batonului,in timp ce radiatia laser este emisa prin capetele batonului.Aceste capete au de obicei un unghi optim fata de axa batonului,si sunt lustruite optic.Laserii cu mediu activ solid emit radiatie laser fie in puls,fie in regim continuu.

Lampile de pompaj pentru laserii in puls sunt de obicei lampi flash cu xenon sau krypton,in care un gaz la presiune joasa este introdus in tubul din quartz.Lampile de pompaj pentru laserii cu functionare continua sunt de obicei lampi cu halogen sau lampi cu descarcare in mercur la mare presiune.

Aranjamentul lampii si a batonului laser

Sunt multe metode folosite pentru a transfera cat mai multa lumina de pompaj posibila catre mediul activ.Cea mai comuna metoda este folosirea unei cavitati optice eliptice.Lampa este la un focar al elipsoidului,iar batonul la celalalt,cum este descris in figura 9.1.

Figure 9.1: Metode de pompaj optic al laserulor cu medicu activ solid

Suprafata interioara a cavitatii este de obicei acoperita cu un strat reflectant,de obicei aur,astfel incat toata radiatia emisa de lampa ajunge la mediul activ.

Laserii cu pompaj al mediului activ realizat cu diode laser (DPSSL)

In ultimii ani,datorita dezvoltarii puternice a diodelor laser cu puteri ridicate,s-a descoperit o noua metoda pentru pomparea laserului cu mediu activ solid.In schimbul unei surse cu un spectru larg al emisiei,diodele laser sunt folosite ca surse de pompaj.Lungimea de unda ale acestor diode poate fi ajustata pentru a se potrivi cu spectrul de absorbtie al mediului activ.Diodele sunt surse foarte eficiente,si aproape toata lumina lor este absorbita de mediul activ.Astfel,foarte putina energie este pierduta,si transformata in caldura nedorita.Laserii cu mediu activ solid care folosesc ca metoda de pompaj diodele laser se numesc Diode Pumped Solid State Lasers sau DPSSL.

Laserul cu Rubin

Laserul cu rubin a fost construit pentru prima data de Theodore Maiman in 1960.Rubinul este un cristal sintetic al oxidului de aluminiu Al₂O₃ si este cunoscut mai mult ca piatra pretioasa pentru bijuterii.Structura chimica a rubinului este Al₂O₃ ,care este numit si safir), cu o impuritate de 0.05 (din greutate) a ionilor de crom (Cr⁺³).

Ionul activ este Cr⁺³ care inlocuieste atomul de aluminiu in cristal.Ionul determina culoarea rosie a cristalului.Impurificarea cu ioni de Cr⁺³ este responsabila cu nivelele energetice care participa la procesul laser.

Nivelurile Energetice ale Laserului cu Rubin

Diagrama nivelelor energetice a laserului cu rubin este descrisa in figura 9.2.

Figure 9.2: Diagrama nivelurilor energetice al unui laser cu rubin

Acest sistem este un laser cu trei nivele cu tranzitii laser intre E₂ si E₁ .Excitarea ionilor de crom este facuta prin pulsuri de lumina de la lampa flash,de obicei xenon.Ionii de crom absorb lumina la lungimi de unda de aproximativ 545nm (500-600nm).Ca rezultat,ionii sunt transferati la nivelul energetic excitat E₃ .De la acest nivel ionii coboara la nivelul energetic metastabil E₂ cu o tranzitie lipsita de emisie.Energia obtinuta din aceasta tranzitie este transferata vibratiilor cristalului si transformata in caldura care trebuie indepartata din sistem.Durata de viata a sistemului metastabil E₂ este de aproximativ 5 ms.

Laserul cu rubin are alta banda de absorbtie care poate fi folosita pentru pompaj,in domeniul spectrului 350-450 nm.

Este foarte dificila realizarea unui laser cu rubin cu functionare continua,din moment ce este un laser cu trei nivele.Totusi,in anul 1962,prin folosirea unui pompaj optic foarte puternic,cu ajutorul unei lampi cu arc cu vapori de mercur la presiune mare,s-a construit un laser cu rubin cu functionare continua.

Functionarea laserului cu rubin

Lampa flash isi ia energia din descarcarea unui condensator.Durata descarcarii este masurata in microsecunde, astfel durata pulsului de lumina excitanta a lampii este de aceeasi durata.Rezulta,deci, ca durata pulsului radiatiei laser este de ordinul microsecundelor.Unii din fotoni sunt emisi prin emisie spontana in tranzitia dintre nivelele energetice E₂ si E₁ .Datorita inversiunii populatiei intre aceste doua nivele energetice, acesti fotoni emisi spontan pot cauza emisia stimulata a altor fotoni.Controlul directiei emisiei radiatiei este determinat de proprietatile cavitatii optice si a cuplajului de iesire.Numai fotonii care sunt emisi de-alungul axei laser vor continua sa se deplaseze intr oglinzile cavitatii optice.Astfel,ei vor simula cat mai multi fotoni sa fie emisi de-alungul axei.Cantitatea de energie emisa in fiecare puls este determinata de mediul activ si de sistemul de excitare.

Laserul cu Rubin-Primul laser

Laserul cu rubin este un laser care functioneaza intr-un spectru foarte ingust de parametrii.Laserul cu rubin este un laser cu trei nivele,si este o surpriza ca este primul laser inventat in istorie.Ca fapt divers,imediat dupa publicarea articolului lui Townes si Schawlow despre fezabilitatea procesului laser in domeniul vizibil,multe laboratoare de cercetare au inceput sa faca un effort in construirea primului laser.

Presupunerea comuna a fost ca pomparea optica este ineficienta datorita faptului ca se gandeau la gaze,asa cum am explicat mai devreme,spectrul de absorbtie al gazelor este foarte ingust.Ei s-au gandit ca pomparea cu o sursa cu spectru larg,cum ar fi o lampa flash, va fi ineficienta iar majoritatea energiei de excitatie n-ar fi absorbita si inversiunea populatiei nu va fi atinsa.

Batoanele mici de rubin au un diametru de aproximativ 6 mm, si o lungime de aproximativ 7 cm.Cel mai mare baton poate fi de aproximativ 20 mm in diametru si 20 cm in lungime.In figura 9.3 o descriere schematica a primului laser cu rubin descris de Theodore Maiman.

Figure 9.3: Descrierea schematica a unui laser cu rubin

Cum cristalul de rubin este o bijuterie,povestea spune ca nevasta lui Maiman il purta la gat cand au venit la conferinta.Conform clasificarii in grupuri,laserul cu rubin este:

-un laser cu mediu activ solid.

-emite radiatie in domeniul rosu al spectrului vizibil.

-sunt pompati optic.

-radiatia este emisa in pulsuri.

-un laser cu trei nivele.

Laserii cu Neodim (Nd)

In laserii cu neodim,ionii Nd⁺³ ,ca impuritati de cateva procente ca greutate,inlocuiesc atomii gazdei solide a mediului activ.Trei gazde solide pentru laserul Nd-YAG sunt folosite unde ionii de Nd⁺³ sunt adaugati ca impurificatori.

Sticla

Cristal YAG(Granat de Aluminiu si Yttriu)

Cristal YLF (LiYF₄)

Alegerea intre aceste trei posibile gazde se face in concordanta cu scopul pentru care se foloseste laserul.Sticla este folosita ca material gazda atunci cand un laser in regim pulsatoriu este necesar,cu un puls de putere mare si o frecventa redusa.Mediul activ al laserului folosind sticla si Nd poate fi construit sub forma unui disc sau a unui baton cu diametre de 0.5 metrii si o lungime de pana la cativa metrii.Asemenea dimensiuni sunt posibile datorita faptului ca sticla este un material izotrop ieftin si poate fi usor prelucrata la forma necesara.Un procent ridicat de ioni de Nd,de aproximativ 6%,poate fi adaugat la sticla,ca impuritate.Problema cu sticla ca si gazda solida este conductivitatea termica redusa.

Astfel,racirea laserului cand lucreaza continuu sau la o rata rapida este dificila.

Cristalele YAG poate fi folosit pentru laseri cu o frecventa a pulsului ridicata,mai mult de un puls pe secunda.In acest caz,o cantitate mare de caldura trebuie indepartata din sistemul laser iar conductivitatea termica a cristalului YAG este mult mai ridicata decat a sticlei.Cristalul YAG, prelucrat la o calitate necesara laserilor,poate fi de diametre cuprinse intre 2-15 mm si lungimi de 2-30 cm.Pretul unui baton YAG este ridicat,cum cristalele obtinute prin crestere este un proces lent si complicat.Proncentajul de ioni de Nd in gazda YAG este de 1-4% din greutate.

Diagrama Nivelelor Energetice ale Laserului cu Nd-YAG:

Figure 9.4: Diagrama nivelurilor energetice ale unui laser Nd-YAG

Asa cum se vede din diagrama nivelelor energetice,laserii cu Nd sunt laseri cu patru nivele.Ionii de Nd au doua benzi de absorbtie,iar excitatia se realizeaza prin pompare optica, ori prin lampi flash,pentru regimul pulsatoriu,ori prin lampi cu arc pentru regimul continuu.Din aceste nivele energetice excitate,ionii de Nd sunt transferati intr-un nivel laser superior printr-o tranzitie fara emisie de radiatii.Emisia stimulata se petrece intre nivelul energetic superior si cel inferior,si lungimile de unda ale fotonilor emisi sunt undeva la 1.06 mm.Din nivelul laser inferior,o tranzitie non radianta se petrece catre nivelul de baza.

Laserii cu Nd in regim pulsatoriu

Laserii cu sticla dopata cu Nd emit o cantitate mare de energie intr-un singur puls,astfel este posibila folosirea lor pentru fuziunea cu laser,care va fi explicata mai tarziu.Normal,intr-un laser cu Nd in regim pulsatoriu,energia per puls este de aproximativ 0.01-100 J si frecventa pulsului de maxim 300 Hz.Puterea medie a unui laser cu Nd poate fi ridicata.

Ca un exemplu, un puls de 0.5 msec cu o energie de 10 J inseamna o energie medie de 2*10⁴ Wati.Randamentul laserilor cu Nd este mic,in intervalul 0.1-2%.

In functie de grupuri,laserul cu Nd este:

-un laser cu mediu activ solid.

-emite in apropierea spectrului infrarosului (NIR-near infrared).

-pompat optic.

-functioneaza atat in regim pulsatoriu cat si in regim continuu.

-un laser cu patru nivele.

Laserul cu Alexandrit (Cr⁺³:BeAl₂O₄)

Laserul cu Alexandrit este un laser cu mediu activ solid in care ionii de crom (Cr⁺³),in proportie de 0.01-0.4 %, sunt introdusi in cristalul de BeAl₂O₄ .Are structura nivelului de energie similara cu cea a laserului cu rubin.Laserul cu Alexandrit a fost construit pentru prima oara ca un laser cu trei nivele in 1973 la o lungime de unda la o lungime de unda de 680 nm.Cativa ani mai tarziu,s-a descoperit ca la lungimi de unda mai mari,poate fi operat ca un laser cu patru nivele: 720-800 nm.A fost primul laser cu mediu activ solid reglabil disponibil in comert.Un model al diagramei nivelelor energetice care exprima reglajul poate fi vazut in figura 9.5.

Figure 9.5: Diagrama nivelurilor energetice ale unui laser cu alexandrit

Laserul vibronic

Ionii de crom inlocuiesc atomii in cristalul BeAl₂O₄ formandu-se astfel o distributie asimetrica a atomilor in cristal.Aceasta asimetrie determina vibratii in cristal,asa cum se poate vedea in diagrama energiei ca nivele energetice vibrante.Astfel,laserul cu Alexandrit (si o familie similara a Laserilor cu Titan si Safir) sunt numiti laseri vibronici.Cum tranzitiile laser se petrec intre aceste nivele energetice compacte,lungimea de unda a laserului este reglabila peste un spectru continuu de lungimi de unda.Laserul cu Alexandrit opereaza la o singura lungime de unda care poate fi reglata.Alegerea lungimii de unda specifice este facuta prin intermediul unui alt element din cavitatea optica.Acest element trebuie sa fie un filtru reglabil cu o latime de banda foarte ingusta.Filtru cauzeaza pierderi la toate celelalte lungimi de unda,exceptie facand lungimea de unda ceruta.

Reglarea lungimii de unda a laserului

Un exemplu de element de reglare poate fi vazut in figura 9.6,care arata o prisma inauntrul cavitatii optice.

Figure 9.6: Alegerea unei singure lungimi de unda cu ajutorul unei prisme

Disperisa prismei cauzeaza indoirea diferita a fiecarei lungimi de unda,si numai o singura lungime de unda va continua sa circule prin cavitatea optica.Miscarea pismei permite selectarea lungimii de unda dorite.

Proprietatile laserului cu Alexandrit:

-puterea media laserului cu alexandrit poate sa atinga 20 Wati

-pulsuri de 100msec,fiecare cu o putere de 1-3J

-eficienta totala electrica sau laserul cu alexandrit pompat cu lampa flash este de aproximtiv 1%.

-panta eficientei (puterea emisiei creste odata cu cresterea curentului de intrare) poate fi de 5%.

Laserul cu centru colorat

Atunci cand cristalele alcaline a halizilor sunt expuse la radiatii X sau electroni de putere mare,se creeaza puncte de defecte in cristal.Aceste puncte de defecte adauga mai multe nivele energetice atomilor din cristal (similar cu nivelele energetice din impurificatori in semiconductoare).Aceste nivele energetice suplimentare pot sa determine absorbtie optica la anumite lungimi de unda,adaugand astfel culori transparentelor cristale alcaline ale halizilor.Aceste culori dau denumirea de laseri cu centru colorat.Sunt cateva tipuri de defecte in cristale,dar pentru scopul nostru vom explica defectul simplu numit centrul F (din germana,"Farbe" inseamna culoare).

Fara sa dam detalii specifice asupra nivelelor energetice din cristale,este suficient sa descriem defectul din cristal ca regiune locala cauzatoare de sarcina pozitiva.Aceasta regiune poate fi considerata ca fiind nucleul in jurul caruia electronii sunt asezati similar ca in atomul de hidrogen(vezi Modelul Atomic al lui Bohr).Electronul este legat la un gol pozitiv al halogenului.Energia electronului excitat states in the lattice are stronglz coupled to lattice vibrations.Astfel,toate starile electronice au o banda larga,rzultand absorbtie si emisie in banda larga.Diferentele dintre nivelurile energetice a centrului colorat si a atomului de hidrogen sunt:nivelele energetice a centrului colorat ocupa benzi largi datorita interactiunii cu atomii vecini-vibratii ale cristalului.

Banda de absorbtie nu este identica cu banda de emisie,dupa cum putem vedea in figura 9.7.

Figure 9.7: Spectrul de absorbtie si emisie si frecventa centrala in KCl

Laserii cu centru colorat reglabili care folosesc cristalele halizilor alcalini pot sa ocupe in principal spectrul dintre 0.6 si 4mm.Totodata,exista probleme cu durata depozitarii acestor laseri si cu stabilitatea in timpul functionarii.Laserii cu centru colorat lucreaza la temperatura Nitrogenului lichid,77⁰K.Avantajul principal al acestor laseri este puritatea frecventei sale singulare.In modul singular de operare,o latime de banda sub 4 Khz a fost obtinuta.

Sunt pompati optic de alt laser,care emite in spectrul de absorbtie al centrului colorat.Cum nivelele energetice nu sunt discrete,este un laser reglabil iar lungimea de unda emisa poate fi reglata.

Aplicatiile laserului cu centru colorat

Domeniul principal de cercetare: spectroscopia atomilor si moleculelor,datorita latimii de banda inguste a lungimii de unda emise,si domeniului extins al reglajului.Pentru laserii chimici,pentru a initia reactii chimice prin excitarea selectiva a nivelelor specifice a atomilor si moleculelor.

Laserul cu safir dopat cu titan

Ionii de titan (Ti⁺³) sunt introdusi intr-o matrice de safir (Al₂O₃) si obtinem : Ti:Al₂O₃.Acest material este mediul activ al laserului numit laserul cu safir dopat cu titan.Cantitatea de ioni de titan din materialul gazda este de aproximativ 0.1% si inlocuiesc atomii de aluminiu in cristal.Laserii cu Ti:Al₂O₃ apartin familiei de laseri vibronici,unde ionii de crom sau titan sunt introdusi in gazda solida.Laserul cu Ti:Al₂O₃ a fost demonstrat pentru prima data in 1982 de catre Peter Moulton la Laboratorul MIT din Lincoln.Laserii cu functionare continua au intrat pe piata in 1988.Au inlocuit laserii Dye in domeniul emisiei in apropierea infrarosului (NIR),pentru ca sunt mult mai fiabili si mai simplu de folosit.

Titaniul este un metal de tranzitie,astfel laserul cu Ti:Al₂O₃ apartine laserilor cu metale de tranzitie.In concluzie, laserul cu Ti:Al₂O₃ este un laser eficient si fiabil care emite in spectrul vizibil si in spectrul apropiat al infrarosului (NIR).

Proprietatile laserilor cu Ti:Al₂O₃ : sunt de obicei pompati optic de catre un alt laser;pot sa lucreze continuu sau in puls;se poate obtine o putere de cativa wati daca este pompat cu un laser cu ioni de argon;este laserul cu cea mai larga banda de emisie: 670 - 1100 nm;functioneaza la temperatura camerei si are o eficienta totala de 80% la aceasta temperatura;durata de viata a starii excitate a laserului cu Ti:Al₂O₃ este de doar 3.2 microsecunde,prea mica pentru pomparea cu o lampa flash,astfel,sursa de pomaj este un alt laser;pragul spectrului de absorbtie este in apropierea la 500 nm, astfel laserii cu ioni de argon sau cu vapori de cupru pot fi folositi ca surse de pompaj.

Aplicatiile laserului cu Ti:Al₂O₃

Aplicatiile principale ale laserului cu Ti:Al₂O₃ sunt in domeniul laboratoarelor de cercetare,in general in spectroscopie si in medicina.Banda larga de reglaj fac acesti laseri atragatori pentru generarea unui puls reglabil cu o frecventa sub o picosecunda la lungimi de unda scurte.

Un exemplu al laserului Ti:Al₂O₃ este folosirea sa in cadrul proiectului LASE (Lidar Atmospheric Sensing Experiment) pentru masurarea vaporilor de apa si al aerosolilor,si efectul lor asuprea proceselor atmosferice.Amplificatoarele cu Ti:Al₂O₃ pot produce:

Puteri de ordinul Terrawatilor (10¹² W),cu pulsuri de ordinul femtosecundelor (10^-15 sec) ,o frecventa de 10Hz la lungimi de unda de 760-840 nm.

Laserii cu Diode si Fibre Optice

Nivele energetice,Procesul laser,Constructia diodei laser,Fibre Optice

Toate diodele laser sunt construite din materiale semiconductoare,si toate au proprietati electrice,care sunt caracteristicile diodelor electrice.Din acest motiv,diodele laser au alte denumiri cum ar fi:laseri cu semiconductoare,laseri cu jonctiuni(datorita jonctiunii p-n),laseri cu injectie(datorita injectei electronilor in jonctiune prin aplicarea unei tensiuni).Atat diodele pentru cerecetare cat si cele comerciale s-au schimbat dramatic in ultimii 20 de ani.Astazi,numarul de diode vandute pe an sunt de ordinul milioanelor,in timp ce celelalte tipuri de laseri sunt vanduti in numar de zeci de mii.De fapt, familia diodelor laser este folosita intr-o varietate de produse pentru consum:compact discuri,imprimante cu laser,scanere de coduri de bare si comunicarea optica.Dioda laser a fost inventata in 1962, in trei laboratoare de cercetare diferite din SUA.Cercetatorii au reusit sa obtina radiatie electromagnetica coerenta din o dioda influentata (jonctiune p-n) construita din semiconductorul GaAs.

Nivele Energetice

Fiecare atom sau molecula dintr-un gaz este la o distanta foarte mare fata de vecinii sai,si poate fi tratata,din punct de vedere energetic,ca fiind izolata de imprejurimi.Intr-un fel similar atomilor de gaz izolati,putem trata cativa atomi ai unui material (care se comporta ca atomi impurificatori) care sunt adaugati unui mediu omogen solid al altei substante.

In contrast cu nivele energetice departate ale gazului,sau a numarului mic de impuritati intr-un solid omogen,electronii dintr-un semiconductor au o banda energetica larga,care contin un numar mare ne nivele energetice grupate impreuna prin efectele cuantum.Aceste benzi de energie apartin intregului material si nu sunt asociate cu un singur atom.Latimea benzii creste pe masura ce distanta dintre atomi scade,si interactiunea dintre atomii vecini creste.

Benzile energetice intr-un semiconductor sunt impartite in doua categorii:

a) Banda de valenta-electronii din banda de valenta sunt legati de atomii din semiconductor.

b) Banda de conductie-electronii din banda de conductie sunt liberi sa se miste in semiconductor.

Separatia dintre banda de valenta si cea de conductie este numita golul de energie,si niciun nivel energetic al electronilor nu exista in aceasta regiune.Daca un electron din banda de valenta primeste suficienta energie,el poate "sari" peste golul de energie direct in banda de conductie.Benzile pline cu energie sunt acele nivele energetice ale electronilor din interior care sunt legati de atomi si care nu participa la legatura dintre atomii din solid.Pentru ca solidul sa conduca curentul electric,electronii trebuie sa se afle in miscare in solid.

Izolatorul

Intr-un izolator,banda de valenta este umpluta cu electroni.Pentru a produce conductivitatea curentului electric,electronii din banda de valenta trebuie sa treaca in banda de conductivitate.Astfel, mai multa energie decat golul de energie trebuie aplicata electronilor in banda de valenta pentru a-i transfera in banda de conductie.

Datorita golului mare de energie intr-un izolator,el previne aceasta schimbare de energie a electronilor.Astfe,izolatorii sunt conductori slabi.Structura nivelurilor energetice ale unui izolator pot fi observate in figura 10.1.

Figure 10.1: Nivelele energetice ale unui izolator

Conductorul

Intr-un conductor (metal) banda de valenta si cea de conductie se suprapun,deci practic golul de energie este zero.Astfel,electronii au nevoie de foarte putina energie pentru a sta in banda de conductie.Structura nivelurilor energetice a unui conductor poate fi observata in figura 10.2.

Figure 10.2: Nivelele energetice ale unui conductor

Semiconductorul

Intr-un semiconductor golul de energie este foarte mic, si foarte putina energie este necesara pentru a transfera electroni din banda de valenta catre banda de conductie.Pana si energia termica generata de temperatura camerei poate fi de ajuns.Prin ridicarea temperaturii, tot mai multi electroni vor fi transferati in banda de conductie.Acest proces are ca rezultat cresterea conductivitatii cu cresterea temperaturii.Structura nivelelor energetice a unui semiconductor poate fi vazuta in figura 10.3.

Dupa ce un electron este transferat din banda de valenta in cea de conductie, o "gaura" ramane in banda de valenta.Aceste gauri au acelasi efect ca sarcinile pozitive care se misca in banda de valenta ca rezultat al unei tensiuni aplicate.In procesul conducerii curentului electric,si electronii din banda de conductie si gaurile pozitive care raman in banda de valenta dupa ce electronii au sarit in banda de conductie,participa.

Pentru a controla tipul si densitatea purtatorilor de sarcina intr-un semiconductor,impuritatile,care au sarcini in plus,sunt adaugate semiconductorului.Acesti atomi impurificatori sunt neutrii din punct de vedere electric.

Figure 10.3: Nivelele energetice ale unui semiconductor

Impuritatile

Intr-un semiconductor "pur" structura energetica pe care o determina materialul este alcatuita din benzi si gol de energie.Prin adaugarea unui material cu un numar diferi de purtatori de sarcina,nivele superioare de energie apar in interiorul golului dintre benzi,cum poate fi vazut in figura 10.4

Figure 10.4: Nivelurile energetice intr-un semiconductor cu impuritati

Daca impurificatorul contine mai multi electroni decat semiconductorul pur, acesti purtatori suplimentari sunt electroni si materialul este numit semiconductor tip n.Intr-un astfel de material nivelele energetice suplimentare apropiate de banda de conductie sunt adaugate.O cantitate foarte mica de energie este de ajuns pentru a excita electronii din aceste nivele catre banda de conductie;astfel, purtatori de sarcina liberi sunt disponibili pentru a conduce electricitatea.

Daca impurificatorul contine mai putini electroni decat semiconductorul pur, nivele energetice suplimentare de energie sunt adaugate foarte aproape de banda de valenta.Electronii din banda de valenta pot sa se deplaseze catre aceste nivele,lasand in urma gauri pozitive.Materialul este numit semiconducto tip p.

Procesul laser intr-un laser cu semiconductor

Atunci cand un semiconductor de tip p este atasat unui material de tip n obtinem o jonctiune p-n.Jonctiunea conduce curentul electric intr-o directie preferata.Ridicata conductivitate directionata este mecanismul comun al tuturor diodelor si tranzistoarelor din electronica.

Figura 10.5 ilustreaza benzile de energie al unei jonctiuni p-n ideale fara o tensiune aplicata din exterior.Acest aranjament al benzilor energetice din jonctiune este baza pentru procesul laser al diodei.

Figure 10.5: Nivelurile energetice ale unei jonctiuni p-n care nu este conectata la o sursa de tensiune

Nivelul energetic maxim ocupat de electroni se numeste nivelul Fermi.Atunci cand contactul pozitiv al tensiunii este conectat la partea p a jonctiuni p-n,si contactul negativ la partea n,curentul trece prin jonctiunea p-n.Aceasta conexiune se numeste forward biased voltage.In cazul conexiunii inverse, se numeste backward biased voltage si determina cresterea potentialului barierei dinte p si n.Astfel, impiedicand circularea curentului prin jonctiunea p-n.

Aplicarea tensiunii asupra jonctiunii p-n

La aplicarea tensiunii asupra jonctiunii p-n, populatia benzilor de energie se schimba.Tensiunea poate fi aplicata jonctiunii in 2 moduri posibile:

Forward biased voltage-inseamna ca polul negativ al tensiunii este conectat la n iar polul pozitiv este conectat la p, ca in figura 10.6:

Figure 10.6: Nivelele energetice ale unei jonctiuni p-n conectata la un forward biased current

Forward biased voltage determina purtatori suplimentari de sarcina in jonctiune,coboara potentialul barierei si injectarea purtatorilor de sarcina prin jonctiune,in partea cealalta.

Atunci cand un electron din banda de conductie a stratului n este injectat prin jonctiune catre o gaura din valenta stratului p, un proces al recombinarii electronilor plus o gaura iau nastere.Ca rezultat,energia este eliberata.

Pentru diodele laser suntem interesati in cazurile specifice cand aceasta energie este eliberata sub forma de energie laser.O crestere puternica a conductivitatii se obtine atunci cand forward bias voltage este aproximativ egal cu golul de energie al semiconductorului.

2. Reverse (backward) voltage - determina o crestere a potentialului barierei jonctiunii,si reduce posibilitatea ca un electron sa traverseze jonctiunea in partea cealalta.Crescand the reversed bias voltage la valori ridicate (zeci de volti) poate determina o cadere a voltajului (avalansa) aupra jonctiunii.

Constructia Diodei Laser

Structura de baza a straturilor a celei mai simple diode laser este prezentata in figura 10.7.

Figure 10.7: Structura de baza a unei diode laser

Straturile de materiale semiconductoare sunt aranjate in asa fel incat jonctiunea p-n sa creeze o regiune activa,unde procesul de recombinare sa creeze fotoni.Pe straturile superioare si inferioare un strat metalic permite conectarea unei surse externe.Lateralele cristalinului semiconductor este taiat pentru a tine loc de oglinzi la capatul cavitatii optice.

Radiatia emisa de o dioda laser.

Figura 10.8 descrie forma radiatiei electromagentice dintr-o dioda laser simpla construita din straturi:

Figure 10.8: Profilul radiatiei emise de o dioda laser

Radiatia iese dintr-o suprafata activa,rectangulara si foarte subtire si se imprastie in doua directii cu unghiuri diferite.Mai tarziu vom explica structurile speciale,care vor servi la limitarea regiunii active la o zona mica,si sa controlam forma profilului radiatiei laser.

Caracteristica Tensiune-Intensitate a diodei laser

Daca conditia inversarii populatiei nu exista,fotonii vor fi emisi spontan.Acesti foton vor fi emisi aleatoriu in toate directiile,aceasta fiind principiul de baza al LED-ului (Light Emitting Diode sau dioda electroluminiscenta).Conditia inversiunii populatiei depinde de pompaj.Prin marirea curentului injectat de-alungul jonctiunii p-n ajungem la curentul de prag,care satisface aceasta conditie.

Un exemplu al puterii diodei laser in functie de curentul injectat este ilustrat in figura 10.9.

Este usor de observat ca panta graficului in emisie stimulata este mult mai mare decat panta emisiei spontane.Acest experiment poate fi facut foarte usor in laborator.Curentul de prag pentru procesul laser este determinat de interceptarea tangentei graficului la emisie stimulata cu axa curentului.Atunci cand curentul de prag este mic,mai putina energie va fi transformata in caldura, iar mai multa energie va fi transmisa ca radiatie laser.Practic, parametrul important este densitatea de curent care este masurata in amperi/cm² a sectiunii radiale a jonctiunii.

Figure 10.9: Puterea de emisie a unei diode ca functie de curentul de intrare

Dependenta parametrilor diodei laser de temperatura

Una din problemele diodelor laser la cresterea curentului de prag este cresterea temperaturii.Functionarea diodei la temperaturi joase implica curenti scazuti.Pe masura ce curentul trece prin dioda,se produce caldura.Daca disiparea caldurii nu este adecvata,temperatura diodei creste si curentul de prag creste.Schimbarea temperaturii determina schimbari ale lungimii de unda a emisiei diodei laser.Schimbarea lungimii de unda cu temperatura este ilustrata in figura 10.10.Este alcatuita din 2 parti:

1. O crestere treptata a lungimii de unda odata cu cresterea temperaturii,pana la:
2. Aparitia saltului la alt mod longitudinal;acest salt se numeste saltul de mod

Figure 10: Schimbarea lungimii de unda a diodei odata cu temperatura

Datorita variatiilor de temperatura,structuri speciale trebuiesc construite pentru ca dioda laser sa obtina puteri ridicate la o functionare continua.

Limitarea luminii in interiorul regiunii active

Un factor important in constructia diodelor laser este limitarea luminii in interiorul regiunii active.Limitarea este realizata prin plasarea diferitelor materiale in apropierea stratului activ.Astfel,prima divizie de diode laser in grupuri este in concordanta cu structura straturilor din apropierea stratului activ (vezi fig 10.11).Tipurile de material din apropierea regiunilor active dau numele fiecarei familii de diode laser:

Laser cu homojonctiune-intregul laser este facut dintr-o singura substanta, de obicei GaAs.In aceasta structura simpla,fotonii emisi nu sunt limitati in directia perpendiculara pe axa laserului.Astfel,acest laser nu este eficient.

Heterostructura singulara-pe o parte a stratului activ este un material cu un gol de energie diferit.Golurile de energie diferite a doua straturi determina o schimbare a indicelui de refractie a materialelor,astfel putand sa construim o structura care ghideaza fasciculul care limiteaza fotonii pe o arie specifica.

De obicei, al doilea strat este facut dintr-un material similar cu primul,dar care are un indice de refractie mai scazut.Exemplu:GaAs si GaAlAs sunt materiale tipice folosite pentru straturile adiacente intr-o dioda laser.

Heterostructura dubla - pe ambele parti ale stratului activ este alt material, care este diferit de materialul stratului activ si care are un indice de refractie mai scazut(un gol de energie ridicat).Exemplu:strat activ de GaAs limitat de doua straturi de GaAlAs.

In aceasta structura, lumina esre retinuta in mediul activ.Astfel, aceste tipuri de structuri cresc eficienta laserului,si fac posibila functionarea diodei la temperatura camerei.

Structuri diferite ale diodelor laser

In prezent,o structura comuna este alcatuita dintr-o fasie ingusta a stratului activ limitata pe toate fetele (fata superioara si inferioara plus lateralele) cu alt material.Aceasta familie de diode laser se numeste index guided laser.Exemple cu diferite structuri laser pentru limitarea luminii laser intr-o regiune specifica sunt ilustrate in figura 10.11.

Figure 10.11: Exemple de structuri laseri pentru limitarea luminii intr-o regiune

Gain Guided Diode Lasers

Prin modelarea electrozilor metalici a partilor superioare si inferioare a laserului,regiunea pe unde trece curentul este limitata.Forma spatiala a trecerii curentului determina pomparea selectiva.Ca rezultat,apare inversiunea populatiei la o regiune specifica pe unde trece curentu.Curentul limiteaza suprafata din regiunea activa unde aplificarea poate avea loc.Numai in aceasta regiune lumina va fi amplificata.

Avantajele gain guided diode laser

Productie simpla

Obtinerea unei puteri ridicate este simpla,prin ridicarea tensiunii iar suprafata unde amplificarea are loc creste.

Dezavantaje ale gain guided diode laser:

Fasciculul emis are o calitate mai slaba decat in cazul index guided lasers.

Este mult mai dificila obtinerea unei frecvente singulare stabile.

Ambalarea diodelor laser

Figure 10.12: Ambalarea unei diode comerciale

Miniaturizarea diodelor laser necesita o anumita ambalare astfel incat oamenii sa le poata utiliza comfortabil.Sunt multe tipuri de ambalari,dar standardul este similar cu ambalarea unui tranzistor si include in pachet dispozitivele optice colimatoare de baza pentru a creea un fascicul laser (vezi figura 10.12).

Figure 10.13: Sectiunea unei diode laser comerciala

Pentru a obtine putere mare din diodele laser,un aranjament special de diode laser a fost dezvoltat.Aceste aranjamente emit radiatie sincronizata impreuna si puteri de zeci de wati este obtinute.Desi radiatia este emisa de mai multe diode laser,ele sunt cuplate optic asa cum este nevoie pentru a se obtine emisie laser coerenta din acesti laseri speciali.

Cavitati optice speciale in diodele laser

Cea mai simpla cavitate optica a unei diode laser este prin despicarea cristalulului semiconductor din care laserul este facut.Taierea cristalului creeaza un plan perpendicular fata de planul mediului activ,deci este perpendicular pe axa laserului.

Datorita indicelui de refractie ridicat (n > 3.6) a semiconductorului reflexia din marginile taiate este de aproximativ 30 %.Este posibil sa schimbam acest grad de reflexie prin adaugarea unui invelis reflectant.Un tip de invelis este 100% reflectant si este adaugat pe o singura parte a diodei laser.

In cazul unor diode laser radiatia emisa prin partea din spate este folosita pentru monitorizarea emisiei laserului.Un detector poate fi fabricat din acelasi material semiconductor ca cel al laserului,folosind acelasi procedeu de fabricatie.Astfel, monitorizarea este directa si in timp real, si poate fi folosita ca feedback pentru a controla emisia laser

Un alt tip mai complicat de cavitate poate fi fabricat prin adaugarea unui grating in apropierea stratului activ al laserului.Doua structuri principale folosesc gratings in loc de oglinzi la capatul cavitatii optice(vezi figura 10.14):

1. DFB,distributed feedback laser - in care grating este distribuit de-alungul intregului mediu activ.Lungimea de unda a grating determina lungimea de unda a laserului.Acest laser emite radiatie cu un spectru foarte ingust.
2. DBR,distributed bragg reflector - in care grating este in afara regiunii mediului activ,intr-un loc unde nu trece curent electric,zona pasiva a cavitatii.

Figure 10.14: Special optical cavities used to produce narrow emission lines in a diode laser

Pomparea diodelor laser

Pomparea unei diode laser comerciale este relativ simpla.Un curent specific undeva la 30 mA pana la cativa amperi trebuie sa treaca prin jonctiune pentru excitatia directa.Caderea de tensiune peste jonctiune este de 2.2 V.Deci puterea necesara pentru a excita o dioda laser este foarte mica in comparatie cu puterea necesara unui laser cu He-Ne la aceeasi putere.O atentie deosebita trebuie acordata in evitarea socurilor electrice la oprirea si pornirea sursei de alimentare.

Pointerele laser normale au urmatoarea schema electrica:

Avantajele diodelor laser

O eficienta ridicata(mai mult de 20 % din energia introdusa in laser este emisa ca radiatie laser).

Fiabilitate ridicata.

Durata de viata ridicata (estimativ,mai mult de 100 de ani de functionare continua)

Pret scazut - diodele laser sunt produse folosind tehnologii de productie in masa folosite in industria electronica.

Posibilitatea modularii directe a radiatiei emise prin controlarea curentului electric prin jonctiunea p-n.Radiatia emisa este o functie liniara a curentului care poate atinge o rata de modulatie de zeci de GHz.

Un sistem experimental,folosind fibre optice intr-un mod singular,transmite informatii la o rata de 4 GHz, care este echivalentul a 50000 de apeluri telefonice mobile intr-o singura fibra (fiecare apel ocupa o banda de frecventa de 64 KB/s).

Volum redus,greutate redusa

Un curent de prag scazut.

Consum redus de curent.

Spectru ingust de emisie,care poate fi de cativa kHz in cazul unor diode speciale.

Fibre optice

Fibrele optice au fost folosite de ceva vreme pentru redarea imaginilor peste distante scurte.Aceste dispozitive optice nu au fost considerate metode de comunicare pe distante lungi pana cand K.C.KAO a descoperit ca pierderile in cadrul dioxidului de siliciu este sub -20dB/km in spectrul apropiat al infrarosului.La scurt timp dupa,muncitorii de la Corning Glass, Bell Labs si din Japonia au reusit sa fabrice fibre optice cu pierderi de 20, 2 si 0.5 dB/km.Datorita pierderilor mici obtinute,fibra optica a castigat teren in domeniul telecomunicatiilor.Comparativ cu perechile sucite de fire sau cu cablurile coaxiale, fibra optica prezinta numeroase avantaje:dimensiuni reduse,lipsa interferentei electromagnetice si un pret redus.

Cele mai simpre conductoare de unde sunt cunoscute ca step-index fiber.Structura de baza,ilustrata in figura 9.14,este alcatuita dintr-un miez circular cu un indice de refractie n₁ si o regiune de placare cu un indice n₂ , unde n₂ < n₁ .Pentru rezistenta,regiunea de placare este de obicei acoperita cu un al treilea mediu absorbant,un invelis din plastic.

Fig.10.16 The path of a meridional ray in a step-index fiber

Daca un fascicul meridional interactioneaza cu fibra la un unghi q_i care este mai mare decat unghiul critic, q_ic este reflectat total in interior si se propaga de-alungul fibrei in zig-zag.Daca un astfel de fascicul este incident pe capatul fibrei la un unghi q,atunci folosind notiunile de optica geometrica,este usor sa aratam cum are loc propagarea.

(10.1)

Conditia 10.1 reprezinta unghiul maxim de receptie (zicem q₀ ) a fibrei.In practica,sin q₀ ,cunoscut si ca deschiderea numerica a fibrei,este parametrul folosit pentru descrierea unghiului maxim de receptie.

Figure 10.17 Sectiunea unei fibre optice

Limita dintre miez si zonele de placare nu poate fi vazuta in aceasta imagine.In acest caz,miezul are 8 microni in diametru si placarea are 130 de microni.Un invelis de plastic protejeaza partile interne.Sistemele de comunicatie digitala,bazate pe cea mai simpla modulatie, a opririi si pornirii sursei ,reprezinta cea mai raspandita aplicatie pentru fibrele optice.

In plus fata de aceste sisteme,alte domenii importante care folosesc fibrele sunt transmisiile analogice a semnalelor,instrumentatia,si senzorii cu fibra,precum si transmisia fasciculelor laser puternice.

Senzorii cu fibra optica reprezinta o familie in continua crestere de dispozitive optice care pot fi folosite pentru masuratori a parametrilor fizici cum ar fi temperatura sau presiunea.

Cea mai des intalnita tehnica este de a proba parametrii care ne intereseaza cu o fibra coerent iluminata si sa comparam iesirea cu cea a unei fibre etalon.Influenta externa poate schimba faza luminii in proba prin schimbarea lungimii fibrei,diametrul miezului fibrei sau a indicelui de refractie.

Fotodetectorii

Diodele PIN (p and intrisic and n regions) si diodele in avalansa (APD) sunt cei mai importanti detectori pentru comunicatiile cu fibre optice,pentru ca ele sunt mici,compatibile cu fibra,si satisfac alte cerinte legate de viteza,sensibilitate,zgomot si voltajul de interferenta.Asemenea diode sunt utile pentru operarea sistemelor cu fibre la o transimisiune scazuta,in jur la 850 nm si chiar la 1.06 microni.Diodele PIN au de obicei un timp de incarcare bun, de aproximativ 1 nanosecunda.

Timpul de raspuns al diodelor APD este determinat partial de dioda,partial de circuit.Limitele impuse de dioda sunt datorita timpului de tranzitare a purtatorilor de sarcina, precum si de capacitanta zonei de desprindere.Timpul de tranzitare poate minimizat prin asigurarea vitezei termale si prin selectarea unei zone de desprindere foarte ingusta pentru electroni si gauri.Din pacate,cele spuse mai devreme duc la o crestere a caracteristicilor zonei de desprindere, si o reducere a eficientei totale.