l Laseri Performante, caracteristici, utilizari. Proces tehnologic de realizare.

1. lLaseri Performante,  caracteristici, utilizari. Proces tehnologic de realizare.

2. CUPRINS • Istoric • Cum functioneaza un laser ? • Clasificarea laserilor • Laserii si calculatoarele • Laserii in slujba stiintei • Tehnologia VCSEL • Imagini obtinute cu tehnologie laser • Bibliografie

3. Se considera ca scurta istorie a laserilor incepe in anul 1917 cind Einstein a studiat pentru prima data fenomenul emisiei stimulate. In acea vreme, in plin razboi, nimeni nu se gindea la faptul ca acest fenomen ar putea avea vreo aplicatie practica. Din acest punct de vedere, fenomenul emisiei stimulate a fost dat uitarii, trecind neobservat pina in ultimii ani. In 1953, fizicianul american Charles N. Townes si, independent, fizicienii sovietici N.G. Basov si A.M. Prohorov au demonstrat ca prin emisie stimulata se poate realiza o amplificare a microundelor. ISTORIC

4. In anul 1954, Townes si colaboratorii au construit un dispozitiv care permitea, intr-adevar, sa amplifice microudele. Cu ajutorul unui cimp electric ei au realizat inversiunea populatiilor a doua nivele energetice ale moleculelor de amoniac. Dirijind unde ultrascurte asupra moleculelor, Townes a reusit sa amplifice semnalele electrice foarte slabe, aproape imperceptibile. In felul acesta se nastea primul amplificator cuantic, maserul. Denumirea de maser provine de la initialele cuvintelor englezesti: microwave amplification by stimulated emission of radiation. Ceea ce inseamna, in traducere, amplificarea microundelor prin emisia stimulata a radiatiei. Maserii se caracterizeaza, in special, printr-o foarte buna stabilitate a frecventei tranzitiilor emise. De aceea ei au permis marirea sensibilitatii aparaturii de masura si control in anumite domenii. Printre altele, maserii se folosesc ca etaloane de timp cunoscute si sub denumirea de ceasuri atomice sau moleculare. Continuindu-si cercetarile, Townes a demonstrat, in 1958, ca nu numai microudele, ci si undele luminoase pot fi amplificate prin emisie stimulata. Intr-adevar, peste doi ani Maiman construia primul “maser optic”, denumit apoi laser ("light amplification by stimulated emission of radiation“), cu ajutorul caruia a putut observa fenomenul de amplificare prin emisie stimulata a radiatiei vizibile (rosii) cu lungimea de unda de 0,6943m.

5. La scurt timp dupa inventarea lor, maserii si laserii au cunoscut o rapida dezvoltare si perfectionare. Prin performantele lor extraordinare, noile dispozitive au largit considerabil posibilitatile stiintei si tehnicii actuale. Importanta deosebita acordata maserilor, si, in special, laserilor a fost subliniata, printre altele, si prin faptul ca, pina in prezent, in acest domeniu s-au acordat trei Premii Nobel pentru fizica: - in 1964, fizicienilor Basov, Prohorov si Townes: - in 1966, savantului Alfred Kastler; - in 1971, fizicianului englez Dennis Gabor.

6. Cum functioneaza un laser ? De la inceput trebuie precizat ca pentru construirea unui laser propriu-zis, ca si a unei instalatii laser se pun probleme deosebit de complexe, a caror rezolvare necesita, printre altele, tehnologii specifice, dintre cele mai variate, caracterizate de o precizie deosebita care depaseste cele mai severe cerinte din practica obisnuita. Fara a intra in astfel de detalii, ne vom margini la o descriere de principiu a laserului cu rubin, creat de Maiman in 1960 si devenit acum clasic. Laserul cu rubin este alcatuit, in principal, dintr-un cristal cilindric de rubin, doua oglinzi paralele, argintate sau aurite si un tub de descarcare, in forma de spirala, umplut cu un gaz nobil si conectat la un condensator de mare capacitate (fig. 1) . Dupa cum se stie, rubinul este un oxid de aluminiu care contine mici cantitati de ioni de crom. Cilindrul de rubin utilizat are lungimea de citiva centimetri si diametrul de citiva milimetri.

7. Cele doua oglinzi plane si paralele, slefuite cu mare grija, sunt argintate sau aurite in asa fel incit una dintre ele este complet opaca, iar cealalta partial transparenta, ca sa poata permite razelor laser sa paraseasca instalatia. Ele sunt asezate la capetele cilindrului de rubin, uneori se metalizeaza chiar capetele cilindrului. Tubul de descarcare, in forma de spirala, umplut cu neon, xenon sau amestecuri de neon si cripton este conectat la un condensator si functioneaza asemenea blitz-urilor de la aparatele fotografice. Tubul de descarcare emite intr-un timp foarte scurt, de ordinul miimilor de secunda, o lumina obi]nuita, dar intensa, care provoaca inversiunea populatiilor in cristalul de rubin. In desfasurarea acestui proces o importanta deosebitail au impuritatile de crom inglobate in cristalul de rubin. Ionii de crom au trei nivele energetice pe care le vom reprezenta simplificat ca in figura 2. In stare normala, ionii de crom au energia E1 corespunzatoare nivelului inferior. Studiu nivelelor energetice ale cromului arata ca daca se iradiaza cristalul de rubin cu lumina verde cu lungimea de unda egala cu 0,560m, produsa de tubul de descarcare, o parte din ionii de crom din starea normalaisi vor mari energia datorita absorbtiei radiatiei verzi, trecind intr-o stare energetica superioara E3. In acest caz ionii de crom de pe nivelul E1 pot trece prin pompaj optic pe nivelul E3.

8. De pe nivelul E3, mai putin stabil decit nivelul E1, o parte din ionii de crom vor reveni in starea fundamentala E1, emitind lumina cu o lungime de unda egala cu cea a luminii absorbite, iar o alta parte vor trece pe nivelul intermediar E2, cedind cristalului de rubin energia absorbita, sub forma de caldura. S-a constatat ca pe nivelul E2, si el mai putin stabil decit nivelul E1, ionii de crom “stau” mai multa vreme decit pe nivelul E3, iar numarul ionilor ce trec de pe nivelul E3 pe nivelul E2 este mult mai mare decit al celor ce trec de pe nivelul E3 pe nivelul E1. In consecinta, pe nivelul E2 se va acumula un numar de ioni mai mare decit pe nivelul E1. In continuare, ionii de crom de pe nivelul intermediar E2 vor reveni pe nivelul fundamental E1 prin tranzitii spontane sau stimulate. Daca simultan cu radiatia verde cu lungimea de unda de 0,56m m, care a realizat pompajul se trimite in cristalul de rubin si o radiatie rosie cu lungimea de unda de 0,6943m (egala cu cea a radiatiei pe care ar emite-o ionii de pe nivelul E2 prin emisie spontana) atunci aceasta va provoca in cristal prin emisie stimulata o avalansa de fotoni. Acum incepe, de fapt, “miracolul” laserului: amplificarea luminii. Sa urmarim, deci, cum ia nastere lumina laser in cristalul de rubin. Pentru usurinta intelegerii, in figura 3 s-a reprezentat cristalul de rubin cu cele doua oglinzi transparente (cea semitransparenta in dreapta figurii), in diferite momente ale procesului de amplificare.

9. In pozitia a, ionii de crom se gasesc in starea fundamentala E1 de unde o mare parte din ei, sub actiunea radiatiei verzi vor trece prin pompaj in starea superioara instabila E3(pozitia b) . O parte insemnata din ionii de crom ajunsi pe nivelul intermediar E2, sub actiunea radiatiei rosii, emit fotoni de aceesi lungime de unda, care au diferite directii de miscare. Unii dintre acestia se misca pe o directie paralela cu axa cristalului, iar altii au alte directii, parasind cristalul prin suprafata laterala a acestuia (pozitia c) . Fotonii a caror directie de miscare este paralela cu axa cristalului de rubin se reflecta prin oglinzile de la capete (pozitiile d si e) si, intilnind in drumul lor ioni de crom de pe nivelul E2, ii fac pe acestia sa emita fotoni de aceeasi lungime de unda cu ei. Impreuna, dupa alte reflexii, vor provoca aparitia unui numar si mai mare de fotoni (de aceeasi lungime de unda) care se adauga la fotonii initiali. Deoarece viteza lor de miscare, egala cu 300000 km/s, este foarte mare, spatiul de citeva zeci de centimetri dintre cele doua oglinzi va fi strabatut intr-un timp foarte scurt si, ca urmare, numarul fotonilor va creste extrem de repede. Aceasta avalansa de fotoni, toti de aceeasi lungime de unda, poate parasi instalatia prin oglinda partial transparenta, propagindu-se in linie dreapta si paralel cu axul cristalului sub forma unui fascicul laser (pozitia f) . Radiatiile care ies prin oglinda semitransparenta sunt rosii, avind aceeasi lungime de unda cu radiatia rosie care a patruns in cristal, dar mult amplificate fata de aceasta. Se zice ca in acest caz a avut loc un fenomen de amplificare a radiatiei, laserul functionind ca amplificator cuantic de radiatie.

10. Randamentul laserului cu rubin este destul de mic, deoarece din toata energia consumata de tubul de descarcare doar o mica parte din ea se regaseste in energia fasciculului laser. Astfel, la primii laseri cu rubin randamentul era sub 1 %. Cu toate acestea, puterea unui facicul laser poate atinge valori foarte mari. Un calcul simplu arata ca dintr-o energie de numai 1J, suficienta sa incalzeasca pina la fierbere doar doua grame de apa, poate sa rezulte timp de o milionime de secunda o putere de un milion de wati !

11. Clasificarea laserilor O clasificare a laserilor din punct de vedere al calitatilor ar fi greoaie datorita marelui numar de laseri construiti in ultima vreme. Mai simplu, dupa natura substantei in care se produce lumina laser, se deosebesc trei tipuri de laseri: solizi, lichizi si gazosi.

12. LASERI SOLIZI In afara cristalului de rubin s-au descoperit si alte materiale solide care pot fi utilizate pentru construirea laserilor. Daca in laserul cu rubin amplificarea radiatiei se realiza prin intermediul ionilor de crom dupa o schema cu trei nivele (vezi figura 2), majoritatea laserilor solizi construiti in ultima vreme functioneaza dupa o schema cu patru nivele (fig. 4) . Aceasta se caracterizeaza prin faptul ca emisia stimulata (tranzitia laser) nu are loc de pe nivelul intermediar pe cel fundamental ca la cristalul de rubin, ci se produce de pe un nivel intermediar superior pe unul intermediar inferior. Fara a intra in amanunte, vom mentiona ca prin pompaj otic particulele de pe nivelul fundamental E1 vor trece pe nivelul superior E4 de unde o mare parte din ele vor ajunge pe nivelul intermediar E3. Tranzitiile laser se efectueaza intre acest nivel si nivelul intermediar E2. Trebuie mentionat ca in acest caz inversiunea populatiilor se realizeaza mult mai rapid decit in cazul rubinului, iar energia necesara realizarii pompajului este mult mai mica fata de cea utilizata in cristalul de rubin, ceea ce implica o crestere a randamentului.

13. Un alt material utilizat cu succes in constructia laserilor si care se dovedeste in aceasta privinta un important concurent al cristalelor este sticla. Interesul acordat sticlei se datoreste faptului ca ea poate fi prelucrata usor in forma si dimensiunile dorite, avind in acelasi timp si calitati optice deosebite. Laserii cu sticla sunt actualmente utilizati pentru realizarea unor puteri mari, avind un randament superior laserilor cu rubin. O dezvoltare deosebita au cunoscut-o laserii cu semiconductori. Functionarea acestora difera insa de cea a laserilor cu cristal datorita proprietatilor specifice ale semiconductorilor.

14. Laserul cu semiconductori

15. figura 6

16. Se stie ca spre deosebire de un atom semiconductorii nu prezinta niveleenergetice separate, ci se caracterizeaza prin benzi de energie. Banda superioara (de conductie) este separata de banda inferioara (de valenta) printr-o zona interzisa. In banda de conductie se afla un numar mic de electroni, in timp ce in cea de valenta exista un numar echivalent de goluri (locuri ramase libere prin plecarea electronilor). Daca unui electron din banda de valenta i se transfera o energie suplimentara el va trece in banda de conductie. Prin aceasta, in banda de valenta apare un gol (lipsa unui electron). Daca electronul se intoarce in banda de valenta el se recombina cu golul rezultat anterior, putind avea loc o tranzitie spontana sau stimulata.

17. In laserii cu semiconductori pompajul nu se mai face cu ajutorul luminii, ci pe cale electrica. Un curent electric intens poate realiza inversiunea populatiilor intre electronii din banda de conductie si golurile din banda de valenta. In miscarea lor intre cele doua benzi, electronii si golurile se recombina putind emite fotoni care vor stimula recombinarea dintre alti electroni si alte goluri, realizindu-se lumina laser. In felul acesta, energia electrica se transforma direct in energie luminoasa, ceea ce face ca laserii cu semiconductori sa aiba un randament mult mai mare decit alte tipuri de laseri. La modelele actuale randamentul este de circa 60-70%, sperindu-se sa creasca pina la valori apropiate de 100%. In plus, laserii cu semiconductori au un volum mai mic si o greutate de numai citeva kilograme, precum si o inertie foarte mica in functionare. De asemenea, ei au posibilitatea de a emite intr-un larg spectru de frecvente. Gratie acestor calitati laserii cu semiconductori sunt mult utilizati in cercetari stiintifice ca si in aplicatii tehnice. Ca materiale semiconductoare pentru construirea laserilor se folosesc arseniura de galiu, fosfura de indiu, telurura de plumb si multe altele.

18. LASERI LICHIZI Unele substante organice lichide ca benzenul, nitrobenzenul, piridina si, in ultima vreme, solutiile unor coloranti organici pot servi, de asemenea, la producerea luminii laser. Principiul de functionare a laserilor lichizi este asemanator celui ce sta la baza functionarii laserilor solizi. In general, in lichidele utilizate sunt inclusi ioni de paminturi rare care prezinta o schema energetica cu patru nivele. Lichidele folosite pentru realizarea laserilor prezinta avantajul de a putea fi racite usor si, in acelasi timp, permit sa se obtina lumina laser, teoretic, de orice frecventa. Randamentul laserilor lichizi ajunge la valoarea de 50%. LASERI GAZOSI La rindul lor, gazele pot fi utilizate si ele pentru producerea luminii laser. Desi construirea lor este ceva mai complicata totusi laserii cu gaz au cunoscut o larga raspindire, mai ales datorita faptului ca ei pot functiona incontinuu multa vreme. Pe de alta parte, lumina emisa de ei se caracterizeaza printr-un grad inalt de coerenta si monocromaticitate.

19. Dupa natura gazelor utilizate se deosebesc laseri cu gaz atomic, cu gaz ionic si cu gaz molecular. Cel mai raspindit laser atomic este cel cu heliu-neon, realizat inca din 1961, folosind un amestec format din heliu si neon in diferite proportii. Functionarea acestui laser se bazeaza in principiu pe interactiunile dintre atomii celor doua gaze, aflati pe nivele energetice vecine. In timpul descarcarii electrice realizata cu ajutorul unui generator de inalta frecventa, atomii de heliu vor primi o anumita cantitate de energie. In urma ciocnirilor dintre atomii de heliu si cei de neon aceasta energie se va transfera atomilor de neon si va fi suficienta pentru a provoca inversiunea populatiilor nivelelor energetice ale neonului intre care pot avea loc tranzitii laser. Pentru obtinerea fasciculelor laser cu frecventa mare se utilizeaza laserii ionici, cei mai indicati fiind cei ce functioneaza cu ajutorul gazelor nobile. Printre acestia se cunosc laseri cu ioni de argon, cu ioni de neon sau cu ioni de cripton. Dar cel mai important laser de tip gazos este laserul molecular care are randament mai mare decit laserii atomici sau ionici. S-a impus in mod deosebit laserul cu bioxid de carbon. Datorita puterii sale ridicate, acest laser a fost realizat in diverse variante pentru un larg domeniu de aplicatii.

20. ALTI LASERI La toate tipurile de laseri mentionate alimentarea se face de regula cu energie electrica. Cercetarile au aratat insa ca exista posibilitati de a construi laseri care sa poata fi alimentati si cu alte forme de energie, cum ar fi energia solara, nucleara. Deja s-au realizat laseri care functioneaza cu ajutorul energiei solare. Lumina provenita de la Soare este captata cu ajutorul unor oglinzi parabolice si apoi, prin intermediul unei lentile, concentrata pe substanta in care ia nastere lumina laser. De asemenea, s-au construit laseri care functioneaza cu ajutorul caldurii produsa intr-un cuptor electric sau obtinuta in urma fisiunii nucleare a unui combustibil. In ultima vreme s-au realizat laseri chimici care functioneaza pe baza energiei ce se produce in urma unor reactii chimice. Spre exemplu, prin combinarea deuteriului cu fluorul rezulta o energie suficienta producerii luminii laser.

21. In general, laserii functioneaza in domeniul optic al spectrului undelor electromagnetice. Radiatiile produse de ei se situeaza atit in vizibil cit si in regiunile invecinate din infrarosu si ultraviolet. S-au realizat insa si alte dispozitive cuantice asemanatoare laserilor, dar care functioneaza in alte domenii ale spectrului electromagnetic. Astfel a fost construit graserul, dispozitiv care emite radiatii gamma, fiind in acelasi timp mult mai puternic decit laserul. De asemenea, se prevede realizarea unor generatoare cuantice, de putere si mai mare, care sa emita raze X. Ca si graserii, aceste noi surse de radiatii electromagnetice vor largi si mai mult sfera aplicatiilor laserilor.

22. Laserii si calculatoarele Una dintre cele mai perfectionate masini construite vreodata de om este calculatorul electronic. Datorita rapiditatii fantastice cu care executa operatii aritmetice si logice, calculatorul electronic a patruns in aproape toate domeniile de activitate, oferindu-i omului nenumarate si nebanuite posibilitati de a-l utiliza in stiinta, tehnologie, economie si oriunde este necesara prelucrarea unei imense cantitati de informatii. Paralel cu cercetarile privind realizarea unei functionari din ce in ce mai rapide, s-a cautat sa se obtina o reducere a dimensiunilor si greutatii calculatoarelor electronice. De asemenea, avind in vedere precizia deosebita cu care functioneaza calculatoarele electronice, trebuie sa se tina seama de influenta reciproca a numeroaselor circuite electronice care intervin intr-un calculator. Absenta firelor de legatura, a conexiunilor si diferitelor contacte intre nenumaratele piese pentru aceste minunate masini de un real folos omului in activitatea sa intelectuala.

23. Transmiterea semnalelor intre diferitele componente ale calculatorului fara ca intre acestea sa existe vreun contact se poate realiza pe cale optica, cu ajutorul laserilor. Insasi alimentarea calculatorului s-ar face cu ajutorul luminii laser, fara sa mai fie nevoie de curent electric. Impulsurile luminoase de scurta durata produse de un laser sunt transmise intre diferitele elemente interne, componente prin intermediul unor “conductori” de lumina de tip special, cunoscuti sub numele de fibre optice. Aceste “cabluri” de lumina sunt de fapt, fire de sticla foarte subtiri prin care lumina, patrunzind sub un unghi oarecare fata de axul firului, se propaga prin reflexii repetate pe peretii firului acoperit cu o pelicula extrem de fina tot din sticla, dar avind un indice de refractie mai mic decit firul propriu-zis. Printr-un astfel de fir se pot propaga simultan sute de impulsuri laser.

24. Se contureaza, asadar, aparitia unei noi generatii de calculatoare, calculatoarele optice. In prezent exista diverse proiecte de realizare a acestui nou tip de calculatoare. Constructia calculatoarelor optice ca si principiul de functionare difera mult de cele ale calculatoarelor electronice. Fara a intra in detalii, vom mentiona ca viitoarele calculatoare vor avea dimensiuni mult mai mici decit cele electronice, iar informatiile primite, prelucrate si redate de calculatoarele optice nu vor mai fi triate dupa adresa ca la calculatoarele electronice, ci dupa imagini. Aceasta inseamna ca, datele nu mai sunt tratate separat, fiecare in parte, ci exista posibilitatea prelucrarii lor in grup, calculatorul optic putind memora doar dintr-o ”privire” o mare cantitate de informatii. In memoria noilor calculatoare informatiile sunt retinute sub forma de imagini. Se vorbeste deja de o logica a imaginilor si de o aritmetica a imaginilor Calculatoarele optice vor avea o memorie imensa, capabila sa cuprinda o cantitate de informatii echivalenta cu cea continuta intr-o biblioteca cu milioane de volume, precum si o viteza fanatastica, de circa 1013 – 1014 operatii pe secunda !

25. Laserii in slujba stiintei In fizica laserii au servit la verificarea teoriei relativitatii. Dupa cum s-a aratat, pina in a doua jumatate a secolului al XIX-lea se credea ca pentru propagarea luminii este necesara existenta unui mediu imobil, cu proprietati speciale, eterul. Admitind acest lucru, pentru un observator care se apropie sau se departeaza de o sursa luminoasa, undele luminoase ar trebui sa aiba in cele doua cazuri viteze diferite. Un rol deosebit de important il joaca laserii in fizica nucleara pentru realizarea reactiilor termonucleare. Cautind noi surse de energie care sa satisfaca cerintele mereu crescinde ale omenirii, savantii au ajuns la ideea controlarii si dirijarii reactiilor termonucleare. Una dintre aceste reactii este fuziunea nucleara care are loc atunci cind, in anumite conditii, nuclee atomice mai usoare se contopesc intr-unul mai greu. Desi acest lucru se realizeaza intr-un timp foarte scurt, mai mic decit o milionime de secunda, energia degajata in urma fuziunii nucleelor este imensa.

26. In chimie laserii se dovedesc, de asemenea, foarte utili, permitind, printre altele, determinarea structurii compusilor chimici, controlarea si dirijarea reactiilor chimice, accelerarea proceselor chimice etc. De asemenea, laserii ofera chimistilor noi posibilitati in studierea si cercetarea reactiilor fotochimice, domeniu foarte variat si cu multiple aplicatii in ramurile tehnologiilor chimice moderne. De exemplu, prin activarea clorofilei cu ajutorul luminii laser se poate accelera si controla procesul de fotosinteza ceea ce va permite ca fotosinteza cu laseri sa devina in viitor un important proces industrial in vederea obtinerii de carbonati si, eventual, de proteine sintetice.

27. Tehnologia VCSEL Tehnologia poate sainlocuiasca interfetele single-laser cu o matrice VCSEL (vertical cavity surface emitting lasers) in 12.850 nanometri. Matricea de lasere este integrata pe un singur cip, cu acelasi cost de implementare cu a unui singur laser monomod; furnizorii de servicii vor plati a 12-a parte din costul capsulei la o capacitate de 12 ori mai mare. De pe acest cip de conversie, semnalul este distribuit pe 12 fibre de 1,25-Gbps, recombinat si transmis pe echipamente de 10 ori mai ieftine (optice si pe silicon), facind-ul un mijloc de transport ideal pe distante router-to-router, router-to DWDM terminal sau router-to-optical-cross-connect (OXC).

28. Imagini obtinute cu tehnologie laser

30. Bibliografie • Vilceanu Sabin, LASERI-instrumente ale stiintei si tehnicii moderne, Ed. Ion Creanga, 1979 • Galeria foto -> www.laserium.com