Laserul este un dispozitiv optic care generează un fascicul
coerent de lumină. Fasciculele laser au mai multe proprietăți care le
diferențiază de lumina incoerentă produsă de exemplu de Soare sau de becul cu
incandescență:
- monocromaticitate — un spectru în general foarte îngust de lungimi de undă;
- direcționalitate — proprietatea de a se propaga pe distanțe mari cu o divergență foarte mică și, ca urmare, capacitatea de a fi focalizate pe o arie foarte mică;
- intensitate — unii laseri sunt suficient de puternici pentru a fi folosiți la tăierea metalelor.
La origine termenul laser este acronimul LASER format în
limba engleză de la denumirea light amplification by stimulated emission of
radiation (amplificare a luminii prin stimularea emisiunii radiației), denumire
construită pe modelul termenului maser care înseamnă un dispozitiv similar,
funcționând în domeniul microundelor.
Istoric
Principiile de funcționare ale laserului au fost enunțate în
1916 de Albert Einstein, printr-o evaluare a consecințelor legii radiației a
lui Max Planck și introducerea conceptelor de emisie spontană și emisie
stimulată. Aceste rezultate teoretice au fost uitate însă pînă după cel de-al
doilea război mondial.În 1953 fizicianul american Charles Townes și,
independent, Nikolai Basov și Aleksandr Prohorov din Uniunea Sovietică au reușit
să producă primul maser, un dispozitiv asemănător cu laserul, dar care emite
microunde în loc de radiație laser, rezultat pentru care cei trei au fost
răsplătiți cu Premiul Nobel pentru Fizică în 1964.Primul laser funcțional a
fost construit de Theodore Maiman în 1960 și avea ca mediu activ un cristal
sintetic de rubin pompat cu pulsuri de flash.Primul laser cu gaz a fost
construit de fizicianul iranian Ali Javan în 1960 folosind un amestec de heliu
și neon, care producea un fascicul cu lungimea de undă de 1,15 μm (infraroșul
apropiat), spre deosebire de laserii actuali cu He-Ne care emit în general în
domeniul vizibil, la 633 nm.
Primul laser românesc
România a fost a patra țară din lume în care s-au realizat
laseri, în urma unor cercetări întreprinse de un colectiv condus de Ion I.
Agârbiceanu (fiul scriitorului Ion Agârbiceanu). Rezultatul lor a fost raportat
în 1961.
Principiul funcționării laserului
Laserul este un dispozitiv complex ce utilizează un mediu
activ laser, ce poate fi solid, lichid sau gazos, și o cavitate optică
rezonantă. Mediul activ, cu o compoziție și parametri determinați, primește
energie din exterior prin ceea ce se numește pompare. Pomparea se poate realiza
electric sau optic, folosind o sursă de lumină (flash, alt laser etc.) și duce
la excitarea atomilor din mediul activ, adică aducerea unora din electronii din
atomii mediului pe niveluri de energie superioare. Față de un mediu aflat în
echilibru termic, acest mediu pompat ajunge să aibă mai mulți electroni pe
stările de energie superioare, fenomen numit inversie de populație. Un fascicul
de lumină care trece prin acest mediu activat va fi amplificat prin
dezexcitarea stimulată a atomilor, proces în care un foton care interacționează
cu un atom excitat determină emisia unui nou foton, de aceeași direcție,
lungime de undă, fază și stare de polarizare. Astfel este posibil ca pornind de
la un singur foton, generat prin emisie spontană, să se obțină un fascicul cu
un număr imens de fotoni, toți avînd aceleași caracteristici cu fotonul
inițial. Acest fapt determină caracteristica de coerență a fasciculelor laser.Rolul
cavității optice rezonante, formată de obicei din două oglinzi concave aflate
la capetele mediului activ, este acela de a selecta fotonii generați pe o
anumită direcție (axa optică a cavității) și de a-i recircula numai pe aceștia
de cît mai multe ori prin mediul activ. Trecerea fotonilor prin mediul activ
are ca efect dezexcitarea atomilor și deci micșorarea factorului de amplificare
optică a mediului. Se ajunge astfel la un echilibru activ, în care numărul
atomilor excitați prin pompare este egal cu numărul atomilor dezexcitați prin
emisie stimulată, punct în care laserul ajunge la o intensitate constantă.
Avînd în vedere că în mediul activ și în cavitatea optică există pierderi prin
absorbție, reflexie parțială, împrăștiere, difracție, există un nivel minim, de
prag, al energiei care trebuie furnizată mediului activ pentru a se obține
efectul laser.În funcție de tipul mediului activ și de modul în care se
realizează pomparea acestuia laserul poate funcționa în undă continuă sau în
impulsuri. Primul maser și primul laser funcționau în regim de impulsuri.
Caracteristicile fasciculului laser
În funcție de tipul de laser și de aplicația pentru care a
fost construit, puterea transportată de fascicul poate fi foarte diferită.
Astfel, dacă diodele laser folosite pentru citirea discurilor compacte este de
ordinul a numai 5 mW, laserii cu CO2 folosiți în aplicații industriale de
tăiere a metalelor pot avea în mod curent între 100 W și 6000 W. În mod
experimental sau pentru aplicații speciale unii laseri ajung la puteri mult mai
mari; cea mai mare putere raportată a fost în 1996 de 1,25 PW (petawatt, 1015
W).
Monocromaticitate
Majoritatea laserilor au un spectru de emisie foarte îngust,
ca urmare a modului lor de funcționare, în care numărul mic de fotoni inițiali
este multiplicat prin „copiere” exactă, producînd un număr mare de fotoni
identici. În anumite cazuri spectrul este atît de îngust (lungimea de undă este
atît de bine determinată) încît fasciculul își păstrează relația de fază pe
distanțe imense. Aceasta permite folosirea laserilor în metrologie pentru măsurarea
distanțelor cu o precizie extrem de bună, prin interferometrie. Aceeași
calitate permite folosirea acestor laseri în holografie.
Direcționalitate
În timp ce lumina unei surse obișnuite (bec cu
incandescență, tub fluorescent, lumina de la Soare) cu greu poate fi
transformată într-un fascicul paralel cu ajutorul unor sisteme optice de
colimare, lumina laser este în general emisă de la bun început sub forma unui
fascicul paralel. Aceasta se explică prin acțiunea cavității optice rezonante
de a selecta fotonii care se propagă paralel cu axa cavității. Astfel, în timp
ce un reflector obișnuit de lumină, orientat de pe Pămînt spre Lună, luminează
pe suprafața Lunii o suprafață de aproximativ 27.000 km în diametru, fasciculul
unui laser nepretențios cu heliu-neon luminează pe Lună o suprafață cu
diametrul mai mic de 2 km. Folosind laseri mai performanți și avînd la
dispoziție pe suprafața Lunii retroreflectoare (colțuri de cub, care reflectă
lumina incidentă pe aceeași direcție) a fost posibilă determinarea cu foarte
mare precizie a distanței de la Pămînt la Lună.
Niciun comentariu:
Trimiteți un comentariu