Laser

1

2

Laserul este un dispozitiv optic care generează un fascicul coerent de lumină. Fasciculele laser au mai multe proprietăţi care le diferenţiază de lumina incoerentă produsă de exemplu de Soare sau de becul cu incandescenţă: Principiile de funcţionare ale laserului au fost enunţate în 1916 de Albert Einstein, printr-o evaluare a consecinţelor legii radiaţiei a lui Max Planck şi introducerea conceptelor de emisie spontană şi emisie stimulată. Aceste rezultate teoretice au fost uitate însă pînă după cel de-al doilea război mondial.

Primul laser funcţional a fost construit de Theodore Maiman în 1960 şi 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 şi neon, care producea un fascicul cu lungimea de undă de 1,15 μm (infraroşul apropiat), spre deosebire de laserii actuali cu He-Ne care emit în general în domeniul vizibil, la 633 nm

România a fost a patra ţară 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.

3

In ultimile decenii s-au dezvoltat si au luat o extindere din ce in ce mai mare noi ramuri ale tehnicii ca nicroelectronica, electrotehnica, mecanica fina, optica, industria aerospatiala, etc, fapt care a impus ultilizarea, si in unele sectoare generalizarea unor procedee de prelucrare mai noi “nonconventionale” cum sunt: prelucrarea cu laser, prelucrarea cu flux de electroni, prelucrarea cu flux de ioni, prelucrarea cu jet de plasma, etc. Extinderea utilizarii acestor procedee este urmarea fireasca a faptului ca acestea fac posibila prelucrarea in conditii de eficienta tehnico-economica ridicata -unor materiale cu proprietati speciale, cum sunt: otelurile greu prelucrabile prin aschiere, carburile metalice, diamantele naturale si sintetice, materialele mineraloceramice, metale pure, etc. De altfel, in tarile puternic dezvoltate industrial, cum ar fi Rusia, SUA, Franta, Japonia, Canada, Germania, etc , prelucrarile cu fascicule dirijate de fotoni, electroni, ioni, au cunoscut o dezvoltare tot mai rapida si aceasta in conditiile in care criza energetica a impus si in domeniul industriei constructoare de masini noi metodologii mai economicoase, dar cu eficienta tehnica sporita. Unul dintre cele mai noi procedee utilizate in industria constructoare de masini este cel bazat pe “amplificarea luminii prin stimularea emisiei de radiatii” procedeu cunoscut sintetic sub denumirea de LASER (“ Light Amplification by Stimulated Emision of Radiation” ) In fapt, procedeul este o dezvoltare a amplificarii de microunde prin emisia stimulata a radiatiei MASTER (“Mierowave Amplification by Stimulate Emision of Raditation”). Ambele fenomene au putut fi analizate si utilizate pe baza cercetarilor referitoare la structura atomului, efectuate pentru inceput de E.Rutherford si N.Bohr. Aspectele teoretice ale fenomenului LASER erau insa cunoscute inca din 1917 cand E.Einstein, pe baza cercetarilor efectuate de M.Plank referitoare la radiatii, stabilesc relatiile analitice ale emisiei stimulate a luminii. Folosirea emisiei stimulate in amplificarea microundelor se dezvolta teoretic foarte mult pana in perioada anilor 1950-1951, urmand ca, in anul 1954, cercetatorul american C.H. Townes si cercetatorii sovietici N.G. Basov si A.M.Prohorov sa realizeze primele generatoare cuantice de tip MASER cu gaz (amoniac) fapt care determina pe Shawlow si Townes, in anul 1958, sa propuna extinderea principiilor MASER-ului n domeniul undelor optice. Pe baza acestor rezultate si in consens cu propriile investigatii, in anul 1960, T.H.Maiman realizeaza primul LASER cu rubin in laboratoarele de la “Bell Telephone” (S.U.A.), punand astfel in practica si dand continut afirmatiei lui Einstein ca “lumina poate fi coerenta”.

4

La ora actuala, rezolvarea unor probleme tehnologice din industria constructoare de masini nu se mai poate face fara utilizarea unor tehnologii neconventionale, printre care prelucrrea cu fascicule laser, cu fascicule de electroni cu fascicule de ioni ocupa un loc tot mai important. Aceste prelucrari cu fascicule dirijate permit obtinerea unor precizii de forma si dimensionala ridicate si o buna calitate a suprafetelor realizate. Deosebit de eficiente se dovedesc prelucrarile cu fascicule dirijate in ramurile de varf ale tehnicii: mecanica fina, microelectronica, constructia navelor cosmice, tehnica nucleara, etc. De altfel, aceasta cerere crescanda de introducere si utilizare a electrotehnologiilor in industria noastra in continua dezvoltate a condus la hotararea de a se produce la noi in tara astfel de instalatii, cu care sa fie dotate intreprinderile de profil. Avandu-se in vedere performantele tehnico-economice realizate pe plan mondial in domeniul prelucrarilor cu fascicule dirijate, pe baza anchetelor efectuate de institute de specialitate, se pot trage urmatoarele concluzii cu privire la perspectivele de amplificare a acestor tehnologii: •

•

• •

Toate tarile puternic dezvoltate acorda o atentie deosebita dezvoltarii tuturor tehnologiilor neconventionale, printre care cele de prelucrare cu fascicule dirijate ocupa un loc tot mai important. Aceasta tendinta este reliefata de faptul ca tot mai multe firme se specializeaza in proiectarea si realizarea unor astfel de instalatii; Datorita preciziei ridicate de prelucrare in cazul utilizarii fasciculelor dirijate, se prevede extinderea acestor procedee prin realizarea de noi tipuri de utilaje, atat universale cat si specializate; Se remarca tendinta mereu crescanda de realizarea a unor instalatii cu grad inalt de tehnicitate, prevazute cu comanda program si comanda adaptiva; Se manifesta o intensa preocupare pentru perfectionarea tehnologiilor de prelucrare cu fascicule dirijate;

Partile constituente ale unui laser sunt : mediul activ, sistemul de excitare si rezonatorul optic. Partea esentiala a unui dispozitiv laser o constituie mediul activ, adica un mediu in care se gasesc atomii aflati intr-o stare energetica superioara celei de echilibru. In acest mediu activ se produce amplificarea radiatiei luminoase (daca avem o radiatie luminoasa incidenta) sau chiar emisia si amplificarea radiatiei luminoase (daca nu avem o radiatie luminoasa incidenta).

5

Sistemul de excitare este necesar pentru obtinerea de sisteme atomice cu mai multi atomi intr-o stare energetica superioara. Exista mai multe moduri de a realiza excitarea atomilor din mediul activ, in functie de natura mediului. Rezonatorul optic este un sistem de lentile si oglinzi necesare pentru prelucrarea optica a radiatiei emise. Desi la iesirea din mediul activ razele laser sunt aproape perfect paralele rezonatorul optic este folosit pentru colimarea mult mai precisa, pentru concentrarea razelor intr-un punct calculat, pentru dispersia razelor sau alte aplicatii necesare.

•

•

• •

Coerenta raditatiei laser –se poate explica similititudinea cu fenomenul de interfata: daca intre doua unde provenite din doua regiuni deosebite ale spatiului se produc interfete, rezultand franje de interfata, se afirma ca cele doua unde sunt coerente. Monocromaticitatea radiatiei laser –este determinata de procesul emisiei stimulate, de modul de oscilatie a rezonamentului in care are loc fenomenul de amplificare, precum si de largimea liniei raditaiti comparata cu largimea mult mai mare a tranzitiei atomice. Directionalitatea radiatiei laser- este proprietatea acesteia de a se propaga rectiliniu si cu o divergenta extrem de redusa. Intensitatea raditiei laser-este o proprietate care deriva din caracteristicile de coerenta spatiala si directionalitate. Aceasta caracteristica se defineste ca fiind puterea transportata de laser prin unitatea de suprafata.

6

Instalatiile laser se impart in functie de modul lor de functionare in 2 grupe, si anume: • Instalatii cu functionare intermitenta, la care emisiunea stimulata se face prin impulsuri cu fascicule. Intervalul de timp dintre impulsuri este ordinalul lui 10 la -6...10 la -8 secunde, corespunzand starilor energetice pe care se situeaza sistemele atomice excitate; • Instalatii cu functionare continua, la care emisiunea stimulata se face prin radiatii in mod continuu, la trecerea sistemelor atomice de pe nivelele energetice de excitatie pe nivelul energetic fundamental. Toate aceste tipuri de instalatii, indiferent de modul de emisie (continuu sau in impulsuri), se diferentiaza prin caracteristicile tipice ale radiatiei emise: intensitate, monocromaticitate, putere focala, randament energetic, etc. 1. Laserii cu mediul activ solid folosesc pentru producerea de radiatii, materiale dielectrice, la care elementul activ il constituie ionii de crom (Cr) sau ai diferitelor pamanturi rare: neodimul (Nd), europiul(Eu),samaraiul (Sa). Acesti ioni sunt dispersati intr-o concentratie foarte mica intr-o retea cristalina pura sau sunt incorporati in alte materiale (sticla, plastic, etc). Principalele tipuri de laseri cu mediu activ solid sunt urmatoarele: a. Laserul cu rubin –emite radiatii coerente in lungime de una=6943 A; b. Laserul cu sticla dopata de neodim-emite radiatii coerente in lungime de unda=1.6 micrometri c. Laserul cu granati de itriu si aluminiu dopati cu niodim-emite radiatii coerente in lungime de unda=1.06 micrometri Primul laser cu gaz (heliu-neon) a fost realizat in cadrul acelorasi laboratoare de la “Bell Telephone”. Clasificarea laserilor se poate face dupa: • • • •

natura mediului activ (solid, lichid, gazos); puterea emisa; domeniul de lungimi de unda al radiatiei emise; modul de functionare (continua sau in impulsuri).

Cele mai comune lasere au la originea lor fibrele de cristale de rubin si neodim. Mănunchiul de fibre este fasonat la capete, prin suprafeţe paralele si acoperite cu o pelicula nemetalică reflectantă.

7

•

Laserul cu microunde

Acest laser a fost inventat de Townes si Shawlow in 1954. Raza de amoniac trece printr-un concentrator electrostatic pentru a separa moleculele aflate pe nivele energetice superioare. Nu este o coincidenta ca efectul laser a fost aplicat pentru prima oara in regiunea microundelor. Emisiile spontane suntproportionale cu cubul frecventei de tranzitie, fiind mici in aceasta portiune a spectrului, si putand fi neglijate, in comparatie cu alte procese ca emisiile stimulate si absorptia. Din acest motiv inversia populatiilor sunt obtinute usor cu o energie mica. Prima inversie a populatiilor a fost obtinuta in molecula de amoniac (NH3). Inversia populatiilor in moleculele de amoniac se obtine prinsepararea fizica a particulelor aflate pe nivele energetice superioare de cele aflate pe nivele energetice inferioare.

•

Laserul optic

Dupa publicarea lucrarii in care Shawlow si Townes aratau posibilitatea actiunii laserului si in spectrul infrarosu si chiar si in spectrul vizibil nu a trecut mult si multi cercetatori au inceput sa ia in considerare crearea unor astfel de aparate. Multi experti credeau ca primele aparate de acest tip vor folosi un gaz. Insa a fost o mare surpriza cand Maiman, in 1960, a creat un aparat ce folosea rubinul pentru a producea efectul laser in spectrul vizibil. La inceput s-a crezut ca pompajul optic va fi ineficient, insa aceasta se intampla numai pentru ioni cu rezonanta mica, ca cei din gaze sau plasma. In ceea ce

8

priveste ionii metalici, acestia pot absorbi radiatii de lungimi de unda aflate intr-o banda mai larga. Radiatiile cu lungimi de unda de 550 nm. sunt absobite de o populatie de ioni de Cr 3+ aflata intr-un cristal de corindon (care contine Cr203 si Al203 in raport de masa 1:2000), apoi se face o tranzitie rapida, fara modificari de temperatura, spre un nivel inferior metastabil de 5 milisecunde. Daca energia de pompare depaseste o anumita valoare, se poate face o inversie a populatiilor, care sa treaca de la o stare neutra la acest nivel metastabil. Performantele laserului cresc mult daca se afla in interiorul unui rezonator optic. Primul laser optic, construit de Maiman in 1960, era un laser cu pulsatie, din motive de disipare a caldurii si a necesitatii unei energii mari de pompare. Nelson si Boyle au creat in 1962 primul laser continuu cu rubin, inlocuind sursa (o lampa-blit) cu o lampa cu arc. La putin timp dupa ce a fost anuntat prima reusita a laserului optic, alte laboratoare de cercetare au inceput si ele, cu succes, sa faca experimente cu lasere optice care in loc de Cr aveau alte metale rare ca Nd, Pr, Tm, Ho, Er, Yb, Gd si chiar U, iar in locul cristalului de corindon s-a incercat folosirea unei combinatii de YtriuAluminiu-Garnet, CaF2, sau sticla (care era si mai usor de fabricat). Aceste lasere si-au gasit, odata cu imbunatatirea metodelor de fabricatie, si aplicatii practice.

•

Laserul cu rubin

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 . 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 cativa centimetri si diametrul de cativa milimetri. Cele doua oglinzi plane si paralele, slefuite cu mare grija, suntargintate sau aurite in asa fel incat 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 obisnuita, dar intensa, care provoaca inversiunea populatiilor in cristalul de rubin. In desfasurarea acestui proces o importanta deosebita il 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

9

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 normala isi vor mari energia datorita absorbtiei radiatiei verzi, trecand intr-o stare energetica superioara E3. In acest caz ionii de crom de pe nivelul E 1 pot trece prin pompaj optic pe nivelul E3. Laserul cu rubin, laserul cu patru nivele si laserul cu sticla dopata cu neodim lucreza in general in impulsuri de ordinul milisecundelor eliberand energii cuprinse intre 0,1 si 100 J. Laserii cu mediu activ solid pot fi folositi pentru obtinerea impulsurilor optice ultrascurte, cu intensitate de milioane de wati pe durate de ordinul nanosecundelor.

•

Laserii cu lichid

Laserii cu lichid cei mai cunoscuti sunt cei cu chelati organici si cei cu coloranti. Mediul activ pentru laserii cu coloranti este format de o substanta fluorescenta dizolvata intr-un solvent (alcool). Largimea spectrala a radiatiei emise este de ordinul sutelor de angstromi, putind fi selectata lungimea de unda dorita, deci laserul este acordabil intr-o banda larga.

•

Laserul cu raze X

Cilindrul de plasma (rosu) este creat de impactul unui laser cu pulsatie de mare putere (albastru).Nu sunt folosite oglinzi, in schimb emisiile spontane sunt amplificate si raza este trimisa in ambele sensuri.A fost creat pentru prima oara de cercetatorii Matthews si Rosen la Lawrence Livermore National Laboratory, in 1985. Tinta este dintr-o foita subtire de seleniu sau un alt element cu numar atomic mare, dispusa pe un substrat de vinil pentru a-i da rigiditate. Aceasta tinta este iradiata din ambele parti de lasere cu pulsatie de mare putere al carei focar are o lungime de cateva sute de ori mai mare decat latimea. Cand raza loveste foita, aceasta “explodeaza”, producand o plasma formata din ioni de seleniu ce au cu 24 de electroni mai putin. In prezent eficienta acestor lasere este foarte scazuta datorita necesitatii unei puteri si frecvente mari a laserului-sursa. O eficienta mai mare s-ar putea obtine printr-o racire rapida, ceea ce duce la trei re-pompari a plasmei puternic ionizate. Insa un hibrid intre racirea la contact si expansiunea adiabatica pare sa fie cel mai promitator. O alta posibilitate promitatoare se bazeaza pe transparenta indusa electromagnetic, pentru o reducere drastica a puterii de pompare necesara si pentru obtinerea mult mai eficientului efect laser fara inversie (cunoscut si sub numele de fazere).

10

•

Laserele cu plasma

Praful si gazul circumstelar reci se acumauleaza constant in jurul stelelor, care lanseaza jeturi de plasma. Racirea rapida a plasmei cand intalneste aceasta coaja poate mari semnificativ efectul de dezechilibru al expansiunii adiabate. Contactul cu gazul este atat de eficient in racirea rapida incat Oda et al. (1987) au creat un laser cu plasma ce lucreaza in lungimi de unda din extremul ultraviolet folosind numai acest mecanism, fara sa foloseasca expansiunea: Laser cu racire a plasmei la contactul cu gazul (TPD-I): plasma de heliu mentinuta electromagnetic stationar este racita de contactul cu hidrogenul, producand efectul laser in XUV (164 nm) (Institute of Plasma Physics Nagoya, Japonia). Alt avantaj al atmosferei stelare sunt distantele foarte mari, o inversie a populatiilor redusa producand radiatii a caror intensitate creste exponential in amplitudine pe distante mari pana la un punct in care domina spectrul. Cea mai puternica manifestare a laserelor naturale se produce in cuasari. In laserele cu plasma cercetate in laboratoare totul este redus la o scara mult mai mica. Aceasta este insa compensata in parte de faptul ca se pot pune oglinzi de ambele parti ale mediului, pentru a produce o raza laser ce ar fi foarte lunga intr-o extindere virtuala.

•

Laserul cu gaz

Funcţie de natura chimică a mediului activ, laserii cu gaz se împart în trei categorii: 1. Laserii atomici au ca mediu activ gaze în stare atomică provenite din substanţe monoatomice sau poliatomice prin disociere (laserul cu heliuneon, cu oxigen, cu azot). Aceşti laseri emit linii situate în infraroşu şi vizibil. 2. Laserii ionici îşi bazează funcţionarea pe tranziţiile electronice dintre nivelele ionice ale substanţelor ionizate (laserul cu argon ionizat, cu hologeni, cu azot, etc.). Aceşti laseri emit linii în principal în vizibil şi ultraviolet.

11

3. Laserii moleculari au ca mediu activ un gaz în stare moleculară sau vapori: Liniile emise de aceşti laseri se găsesc în majoritate în infraroşu dar sunt cunoscute şi în vizibil.

•

Laser cu electroni liberi

Aceste lasere folosesc electroni neataşaţi de atomi ce sunt excitaţi prin unde magnetice. Studiul acestui tip de laser a fost dezvoltat incă din 1977 si a devenit un important instrument de cercetare. Teoretic astfel de lasere, pot acoperi întreg spectrul, de la infraroşu la raze X si sunt capabile sa producă raze de putere foarte mare.

•

Laserele semiconductoare

Sunt cele mai compacte lasere, care sunt formate din joncţiuni intre semiconductoare cu propietăţi electrice diferite 1. Aprecieri teoretice Laserul cu semiconductori este constituit ca si celelalte tipuri de laser tot pe sablonul mediu activ, sistem de excitare, rezonator optic. In acest caz un amestec semiconductor este folosit ca mediu activ. Cel mai adesea se folosesc combinatii de metale din aceleasi perioade ale grupelor III-a si V-a. Dintre acestea semiconductorul cel mai folosit este cel format din Galiu si Arsenic (GaAs). Alte medii active au fost obtinute atat din amestecuri ale elementelor grupelor IIa si Via (Zinc si Seleniu – ZnSe) cat si din amestecuri de trei sau patru elemente. Ultimele doua sunt mai ades folosite pentru emisia unor radiatii mult mai precise din punct de vedere al lungimii de unda. Sistemul de excitare este constituit din doua straturi de semiconductori, unul de tip p si unul de tip n. Pentru a intelege mai bine aceste doua notiuni trebuie amintite cateva considerente teoretice cu privire la fizica solidului, in special principiul semiconductorilor. Semiconductorii sunt o clasa de materiale larg folosita in electronica datorita posibilitatii controlului proprietatilor electrice. Rezistivitatea electrica a

12

unui semiconductor scade odata cu cresterea temperaturii iar valoarea ei poate fi modificata in limite foarte largi (10-2 – 108 Ω cm). Intr-un semiconductor foarte pur, conductibilitatea electrica este data de electronii proprii, numita si conductibilitate intrinseca, iar in cazul materialelor impurificate avem de-a face cu o conductibilitate extrinseca. Sunt folosite în CD playere, LaserDisc, MiniDisc, alte sisteme de stocare optică, imprimante cu laser, fax-uri, instrumente de masură, transmisii de date prin fibra optică, scannere de coduri de bare, surse de amorsare pentru alte lasere şi în lightshow-uri de putere mică.

2. Consideratii practice Revenind la laserul cu semiconductori, avand stabilita o baza teoretica minimala putem trece la detalierea practica a principiilor enuntate anterior.

Laserul cu conductori este, de fapt, un sandwich format din 3 straturi de semiconductori la care se adauga elementele sistemului de excitare. La acest tip de laser energia necesara excitarii sistemului de atomi din mediul activ cat si factorul

13

declansator sunt date de curentul electric care se aplica, conform figurii. Datorita faptului ca acest sandwich corespunde modelului clasic de dioda, de aici incolo se va folosi si termenul de dioda. Randamentul unei astfel de diode este in jurul a 30% dar amplificarea este destul de mare. Curentul necesar trebuie sa aiba o densitate de cateva mii de amperi pe centimetru dar avand in vedere ca o dioda laser are marimi foarte mici, curentul necesar este adesea sub 100mA. Pentru a obtine rezultate satisfacatoare, in practica se folosesc mai multe straturi decat se prezinta in figura. Cat priveste stratul activ, lungimea lui nu depaseste 1 mm, iar grosimea sa este, in functie de model, de la 200 pana la 10 nm. In general grosimea stratului activ variaza intre 200 si 100 nm. Datorita faptului ca este atat de subtire, fascicului emis este foarte divergent (pentru un laser) si astfel laserul cu semiconductori se bazeaza foarte mult pe rezonatorul optic ce trebuie ales cu mare grija si trebuie pozitionat foarte precis pentru a obtine performante maximale. De obicei un sistem format din doua lentile plan-convexe pozitionate cu fetele convexe una spre cealalta la anumite distante calculabile este suficient pentru a obtine un fascicul destul de bine colimat cu razele aproape perfect paralele. Din desenul de mai sus se poate observa ca emisia laser se face in doua directii. Acest fenomen este tratat in mod diferit in functie de necesitati. Se poate crea o cavitate rezonanta prin pozitionarea unei oglinzi perfecte si a uneia semitransparente, se poate folosi emisia “din spate” pentru a masura proprietatile fasciculului principal, se poate folosi aceeasi emisie din spate pentru a masura si controla curentul ce trece prin dioda. Diodele laser sunt foarte sensibile la curenti si de aceea controlul strict asupra acestora este absolut necesar. Uneori este necesara doar o variatie mica a tensiunii sau a puterii si dioda se va arde. Mai jos

este un prezentat un montaj clasic de dioda cu posibilitate de control a curentului: Diodele laser sunt poate, cele mai fragile dispozitive de emisie laser. Faptul ca stratul activ are, de fapt, marimea unei bacterii este cel ce sta la baza afirmatiei anterioare. Acest strat poate fi usor distrus prin supunerea la curenti neadecvati, prin influente electrostatice, prin incalzire excesiva. Stratul activ se poate autodistruge chiar si fara prezenta vre-unuia din factorii enumerati mai sus. Simpla emisie a luminii poate vaporiza acest strat minuscul daca lumina emisa este prea puternica.

14

O dioda, desi minuscula, poate dezvolta puteri ale luminii de pana la 3-5 mW. Desi sunt mai rare si mult mai scumpe, diodele ce dezvolta zeci de mii de mW exista si se gasesc in inscriptoarele de CD si in alte instrumente si aparate de profil. In ceea ce priveste divergenta fasciculului, in prezent, majoritatea pointerelor reusesc performanta de a pastra divergenta la sub un mm la fiecare 5 metri. Spectrul de culori acoperit de laserii cu semiconductori este in zona rosie 630-780 nm dar nu este limitat numai aici. Laseri verzi sau chiar albastri exista si sunt intens cercetati. Problema este ca diodele de verde si albastru au o viata efemera (cele mai performante ating doar cateva sute de ore) si functioneaza la temperaturi scazute. Revenind la laserii uzuali, trebuie mentionate si o serie de pericole ce pot apare chiar si pe langa laserii cu semiconductori care sunt cunoscuti a fi mai putin puternici. S-a calculat ca o dioda obisnuita are o putere mult mai mare chiar si decat a soarelui la ecuator. Toate amestecurile din stratul activ au o putere de emisie mult mai mare decat a aceleiasi cantitati de suprafata solara. Diodele prezente pe piata fac parte din clasele II si IIIa, ceea ce inseamna ca prezinta risc scazut de vatamare la operarea conforma cu manualul si la expunerea fugara, efemera a ochiului in raza laser. Totusi, trebuie avut in vedere ca orice expunere indelungata produce vatamari punctiforme ale retinei si nu este nevoie de efecte immediate pentru ca retina sa fie vatamata. Regula numarul unu in lucrul cu laserii, nu se priveste direct in raza laser chiar daca nu se simte nici o durere sau chiar daca raza este palida. CULOAREA SI STRALUCIREA RAZELOR LASER NU AU NICI O LEGATURA CU PUTEREA RADIATIEI. Aceste doua proprietati sunt date de lungimea de unda a radiatiei care nu influenteaza in mod decisiv puterea laserului. Pot exista laseri cu o culoare roz palida care sa fie mai nocivi decat cei mai aprinsi si rosiatici laseri. Intre “laseristi” exista o gluma: “Regula numarul unu in lucrul cu laserii: Nu te uita niciodata direct in raza laser cu unicul ochi ramas intreg !”. :)

Funcţionarea unui laser este bazată pe inversia de populaţie. De obicei, aproape toţi atomii, ionii, moleculele al mediului laser sunt în cel mai scăzut nivel de energie (Anexă fig. 1). Pentru a produce emisia stimulată, energia care alimentează laserul trebuie sa fie destul de mare pentru a realiza o inversie de populaţie. Aceasta înseamnă că majoritatea particulelor din mediul laser trec pe un nivel energetic superior (Anexă fig. 2). La un moment dat, câteva din particulele excitate (atomi/ioni/molecule) vor trece pe un nivel energetic inferior. În acest proces, fiecare vor emite cate un foton într-o direcţie aleatoare. Acest lucru se numeşte "emisie spontană", dar fenomenul ca atare nu este foarte folositor. Este acelaşi proces prin care se aprinde o lampă cu neon (Anexă fig. 3).

15

Cu toate acestea, Einstein a arătat că dacă unul din aceşti fotoni se întamplă să se ciocnească cu o particulă excitată, aceasta va trece si ea pe un nivel energetic inferior si va emite un foton cu nişte proprietaţi foarte utile: noul foton va avea exact aceeasi lungime de undă, fază, direcţie şi polarizare. Polarizarea nu este importantă pentru crearea unui laser, dar daca rezonatorul favorizează o anumită polarizare (printr-un camp magnetic, printr-o fereastră la unghiul Brewster) atunci si raza laser va fi polarizată. Ne imaginăm mediul laser emiţănd spontan fotoni în toate direcţiile. Cei mai mulţi se vor pierde ieşind sub diferite unghiuri din rezonator. Cu toate acestea, unii vor avea o traiectorie paralelă cu direcţia rezonatorului. (Anexă fig. 3) În acest caz vor ajunge până la oglinzi, de unde vor fi reflectaţi în rezonator. De-a lungul rezonatorului aceştia întalnesc alte particule excitate, pe care le stimulează să cedeze fotoni.(Anexă fig. 4) În acest mod, ceea ce a fost doar un foton este o "avalanşă" de fotoni. Raza rezultantă este monocromă şi coerentă, aproape paralelă şi poate fi manipulată foarte uşor, ceea ce cu lumină normală este imposibil. (Anexa fig. 5) Dacă sursa de energie are destulă putere şi destule particule sunt aduse pe nivelul superior de energie, acţiunea laserului va continua la nesfârşit. Acesta va fi un laser continuu. Daca energizarea nu poate fi menţinută, rezultatul va fi un laser care lucrează în impulsuri Anexa :

16

Laserele forţează atomii să stocheze şi să emită lumina într–un fascicul coerent. Electronii dintr–un atom, într–un mediu laser sunt la început pompaţi, sau energizaţi, până la o limită de excitare, de către o sursă de curent electric. Ei sunt apoi „stimulaţi” cu fotoni externi, să emită energia stocată tot sub formă de fotoni; acest proces este cunoscut sub denumirea de emisie stimulată. Efectul LASER are utilizări extrem de largi la ora actuală, atât în ceea ce priveste prelucrarea materialelor, cât si în alte domenii: măsurători, transmisii de date, medicină, etc. Este o tehnologie de vârf, apărută de câteva decenii si cu răspândire tot mai largă.

17

Fotonii emişi au o frecvenţă caracteristică egală cu cea a atomilor şi se mişcă împreună cu fotonii stimulatori, iar prin interferenţa lor excită atomii să elibereze mai mulţi fotoni. Amplificarea luminii se face prin mişcarea fotonilor între două oglinzi paralele stimulându–se astfel emisia. Lumina monocromă, direcţionată şi foarte intensă, în final, iese prin una dintre oglinzi, care este parţial argintată.

RAZA LASER

La ora actuala, in domeniile de varf ale industriei: electronica, automatica, mecanica fina, si in general tehnica miniaturizarii si ultraminiaturizarii, un se pot realiza anumite tehnologii de prelucrare fara utilizarea unor procedee neconventionale, cum sunt prelucrarile cu fascicule dirijate (laseri, electroni, ioni etc), care pot asigura precizii si calitate corespunzatoare ale suprafetelor rezultate. Daca la inceput aceste tipuri de tehnologii aveau o aerie de utilizare relativ restransa, definitiva in special in domeniul microprelucrarilor, la ora actuala, fasciculele dirijate sunt folosite in toate ramurile industriale: constructia de masini,

18

trasnporturi si telecomunicatii, electronica, industrie usoara, etc.

metalurgie,

industrie

miniera,

aeronautica,

Holografie Metrologie  Geologie, seismologie şi fizica atmosferei  Spectroscopie  Fotochimie  Fuziune nucleară  Microscopie  Aplicaţii militare  Medicină: bisturiu cu laser, înlăturarea tatuajelor, stomatologie, oftalmologie, acupunctură  Industrie şi comerţ: prelucrări de metale si materiale textile, cititoare de coduri de bare, imprimare  Aplicatii industriale: sudarea cu laser, tăierea cu laser, gravarea cu laser, marcare cu laser, crestarea cu laser, sinterizarea selectivă cu laser, sinterizarea prin scânteie cu laser.  Comunicaţii prin fibră optică  Înregistrarea şi redarea CD-urilor şi DVD-urilor Producerea si diagnosticarea plasmei Telemetria si masurarea de viteze  Masurari de profile si nivele  Controlul automat al masinilor  Topirea si sudarea metalelor  Fotografia ultrarapida  Fabricarea si testarea componentelor electronice  

 

Una dintre primele aplicatii ale laserului a fost taierea si sudarea, atat in industrie cat si in practica medicala (in chirurgie, oncologie, stomatologie, dermatologie, oftalmologie si endoscopie). Cei ce se ocupa de industria militara spera sa poata utiliza puterea de taiere si ardere a laserilor la arme. Iar altii, in ideea de a crea noi surse energetice ale viitorului, incearca sa conceapa dispozitive cu laser pentru a declansa reactia de fuziune a hidrogenului. Deoarece devin foarte incet divergente, fascicolele laser pot fi folosite pentru determinarea gradului de planeitate a unei suprafete.Fermierii au

19

intrebuintat laserii pentru a se asigura ca ogoarele lor sunt plane, ceea ce le permite sa le protejeze de eroziune. De asemenea, laserii fac parte integranta din actuala revolutie optica.Aceasta presupune inlocuirea dispozitivelor electronice cu dispozitive fotonice. Dispozitivul fotonic utilizeaza fotoni in loc de electroni, iar laserii sunt surse excelente de fotoni pentru multe aplicatii. Desi principalele dispozitive fotonice aflate in prezent in uz sunt retele de fibre optice de lunga distanta, multi oameni de stiinta prevad aparitia in curand a computerelor fotonice. Printre cele mai bizare se afla utilizarea unor fascicule laser care se intersecteaza pentru a determina atomii aflati in punctual de incrucisare sa stea pe loc. Printre cele mai obisnuite este folosirea interferometriei laser pentru a localiza pozitiile exacte de pe Pamant; de exemplu exista posibilitatea ca laserii sa detecteze microdeplasarile scoartei terestre care preced cutremurile. Interferometrul poate fi ales ca instrument de detectare a distanteor mici, de exemplu el poate detecta micile variatii de grosime ale lentilelor. Utilizind o combinatie de laseri sau radar si interferometru, vehiculele cosmice se pot autoghida cu mare precizie prin vastele spatii interplanetare.

20

Metoda holografiei a fost elaborata in 1948 de catre Denis Gabor , care a descris o metoda prin care se poate obtine imaginea unui obiect din figura generala de difractie produsa de acel obiect. Aceasta metoda a fost numita holografia, (holos= intreg, grafien = scriere, in limba greaca). Denis Gabor a primit pentru metoda sa in 1971 premiul Nobel. Preocupat fiind de imbunatatirea rezolutiei microscopului electronic, el propune formarea imaginilor optice in doua etape: •

inregistrarea frontului de unda provenit de la obiectul de studiat;

•

reconstituirea sa ulterioara, cu toate caractreisticile ce-i apartin, amplitudine si faza, noua metoda fiind numita din acest motiv, holografie.

Principiul holografiei optice, adica obtinerea inregistrarii complete a unui obiect, plecandu-se de la o figura de difractie produsa de obiect. Procedeul prezinta doua etape: 1. interferograma rezultata inregistrata pe o placa fotografica constituind holograma(fig.1), care contine toate informatiile cu privire la amplitudinea si faza lumini difractate de catre obiect; 2. Holograma fotografica se ilumineaza cu un fascicol de lumina paralela, monocromatica, si datorita variatiilor in densitatea optica prezentata de placa fotografica apar efecte de difractie, prin care se reconstituie imaginea obiectului. Astfel, in timp ce in fotografia obisnuita se inregistreaza numai amplitudinea undei provenita de la obiect, informatia continuta in faza fiind pierduta, in holografie franjele de pe holograma contin intreaga informatie despre obiect (amplitudinea se manifesta in contrastul franjelor, iar faza in distanta dintre franje). In holografie, aceeasi sursa serveste atat la iluminarea obiectului, cat si la producerea fondului coerent.

21

Leith si Upatnieks au perfectionat metoda aratand ca fascicolul de lumina care formeaza fondul coerent, cand soseste la placa fotografica, trebuie sa faca un unghi destul de mare cu fasciculul difractat pe obiect si ca realizarea montajelor este usurata de utilizarea surselor laser. Consideram ca intensitatea campului electric al undei luminoase difractate de obiect (unda obiect) este descrisa in planul (x,y) al hologramei de functia complexa E(x,y,t) =Eo(x,y,t) exp[iF(x,y,t)]. Informatie transportata de aceasta unda luminoasa la traversarea planului (x,y) este continuta atat in amplitudinea Eo(x,y,t), cat si in faza F(x,y,t). Imaginea luminoasa a unui obiect se obtine plasand in planul (x,y) un fotodetector (o patura fotosensibila sau o placa fotografica), care este iluminat cu unda luminoasa ce este fie reflectata de obiect, fie traverseaza obiectul studiat. Unda luminoasa care cade pe placa fotografica poarta, de asemenea, informatia continuta atat in amplitudinea sa cat si in faza. Acum se pune intrebarea daca pe o placa fotografica este posibil sa se inregistreze informatia continuta in faza undei luminoase incidente. Tehnica holografica propusa de D. Gabor arata ca daca unda luminoasa poseda o coerenta suficient de ridicata se poate inregistra pe placa fotografica atat amplitudinea, cat si faza unei unde luminoase. Avantajele si posibilitatile unice oferite de holografie rezulta din posibilitatea inregistrarii informatiei totale (continuta in amplitudinea si in faza undei). Prin holograma se obtine o senzatie perfecta a reliefului si realului imaginilor obtinute, holograma fixand si permitand sa se reconstituie frontul undei initiale. Deteriorarea unei parti a hologramei nu antreneaza pierderea de informatie, deoarece fiecare punct al suprafetei vizibile a obiectului este inregistrat pe toata suprafata hologramei. Variind orientarea hologramei in spatiu se poate inregistra de fiecare data pe una si aceeasi holograma o informatie noua, deoarece la restituirea unei holograme se utilizeaza o unda luminoasa avand acelasi front fata de cel al undei de la inregistrare. In acest mod, metodele holografice pot fi utilizate pentru codajul si decodajul informatiei, pentru recunoasterea imaginilor etc. Una dintre posibilitatile unice ale holografiei o constituie inghetarea timpului. Daca un ansamblu de obiecte in miscare este inregistrat la momentul t0 pe o holograma, restituirea ulterioara a acestei holograme va da o unda luminoasa reconstruita, care va fi echivalenta cu unda reflectata pe ansamblul de obiecte la momentul t0 si aceasta unda poate fi observata intr-un interval de timp oricat de mare il dorim. O alta aplicatie importanta pare a fi microscopia holografica. Din optica geometrica holografica rezulta ca marimea m a imaginii este data de m=lr/ln adica de raportul lungimilor de unda folosite la reconstituire (r) si la inregistrare (n). S-ar putea obtine cu raze X si raze vizibile o marire de un milion de ori. S-a realizat pe acest principiu microscopul electronic holografic cu o marire de 500 000 000 x.

22

Tot holografia ofera posibilitatea, unica, de a diviza o imagine optica si de a o asambla, informatia fiind continuta in fiecare punct al suprafetei hologramei. In fine, holografia ofera posibilitatea , tot unica, de a vedea un obiect inainte ca el sa fie fabricat, daca se utilizeaza calculatoare pentru a sintetiza o holograma artificiala care corespunde unui obiect imaginat. In cazul in care grosimea paturii sensibile la lumina este mult mai mare decat distanta care separa doua franje de interferenta consecutive, in locul hologramelor plate, bidimenisonale, se pot obtine holograme tridimensionale (sau in relief), aceasta idee apartinand lui J.Densiuk. O hologramã se deosebeşte de o fotografie obişnuitã prin aceea cã ea înregistreazã nu numai amplitudinea undei luminoase, ci si faza ei. Aceasta înseamnã cã holograma reprezintã imaginea obiectului în spatiul cu trei dimensiuni. La înregistrarea unei holograme fascicolul de luminã coerentã provenit de la un laser trece printr-un colimator unde este extins, apoi este împãrtit în douã cu ajutorul unui divizor de fascicol. O parte cade pe placa fotograficã, dupã ce este reflectatã de cãtre o oglindã, iar cealaltã parte cade pe obiect in este reflectatã de cãtre acesta pe placa fotograficã. Prima parte a fascicolului, amintitã mai sus, poartã numele de fascicol de referintã iar cea de a doua parte se numeste fascicol de la obiect. Fascicolul reflectat de obiect are o structurã care este caracteristicã obiectului in diferã de la un obiect la altul. Undele luminoase sosite de la obiect se suprapun cu undele luminoase din fascicolul de referintã pe placa fotograficã, unde se formeazã o structurã complexã de interferentã care constã dintr-o multitudine de franje a cãror formã si intensitate depind de amplitudinile infazele celor douã fascicole. Apoi, filmul se developeazã dupã tehnica convenşonalã astfel reprezintã ceea ce se numeşe o hologramã. Privitã cu ochiul liber nu se observã pe ea nimic asemãnãtor cu obiectul. Pentru citire, holograma se reilumineazã, însã numai cu fascicolul de referinţ. Dacã unghiul de iluminare a hologramei este acelasi cu unghiul de iluminare cu fascicolul de referinþã din timpul când a fost înregistratã, lumina difractatã de hologramã produce douã imagini ale obiectului, una virtualã si alta realã. Imaginea virtualã se obþine privind holograma; observatorul vede obiectul nedistosionat, în spatiul cu trei dimensiuni. Aceastã imagine se numeste virtualã deoarece pentru formarea ei este necesarã o lentilã, în cazul de fatã lentila ochiului observatorului. Imaginea realã se formeazã de cãtre undele luminoase care se propagã în diverse directii; ea poate fi proiectatã direct pe un ecran si nu este necesarã o lentilã pentru formarea ei (Imaginea realã pentru a putea fi vãzutã trebuie proiectatã pe un ecran.). O parte din lumina proiectatã pe hologramã se transmite direct, în directia fascicolului de citire, fãrã sã fie difractatã.

În procesul de înregistrare a hologramei existã diverse posibilitãti de aranjare a elementelor schemei, care poartã diverse denumiri. De exemplu,

23

geometria reprezentatã în figura 1 se numeste geometrie neaxialã deoarece cele douã fascicole care produc holograma pe filmul fotografic formeazã între ele un unghi. În plus holograma realizatã cu schema din figura 1 se numeste hologramã Fresnel; în acest caz placa fotograficã este plasatã relativ aproape de obiect, fãrã a fi necesarã o lentilã pentru obtinerea hologramei. În unele cazuri se înregistreazã holograme în transformate Fourier care se pot obtine numai pentru obiecte plane. Pentru a întelege în ce constã procesul de holografie considerãm întâi ca obiect o sursã punctualã. Atunci când o undã planã coerentã este difractatã de cãtre un orificiu punctual se obþine o undã sfericã. Atunci când o undã sfericã interferã cu o undã planã (unda de referintã) se obtine un spectru de interferentã inelar cu zone alternative luminoase si întunecate, care se aseamãnã cu o structurã de zone Fresnel. O asemenea structurã se poate construi cu creionul pe hârtie, desenând inele concentrice cu raze proportionale cu rãdãcina pãtratã din numerele întregi 1,2,3,... si începând cu prima zonã inelarã acestea se hasureazã alternativ. Structura de zone Fresnel se comportã ca o retea de difractie cu proprietãti de focalizare. Ea actioneazã ca o lentilã in focalizeazã o undã planã într-un punct, care reprezintã imaginea realã a obiectului punctual considerat. Aceastã imagine se prinde pe un ecran asezat în focar . În afara acestui fascicol convergent, structura de zone Fresnel produce in al doilea fascicol de luminã, de unde sferice, care pare cã diverge din orificiul punctual original. Aceasta este imaginea virtualã a obiectului punctual. Un obiect mai complicat poate fi considerat ca o sumã de asemenea obiecte punctuale. Fiecare punct va produce structura sa zonalã prin interferenta fascicolului difractat cu fascicolul de referinþã. Structurile zonale ale punctelor obiectului se suprapun, alcãtuind o structurã de interferentã complexã. Pentru citire se foloseste acelasi flux de referintã pentru a reproduce toate punctele continute de obiectul original. Apare astfel imaginea tridimensionalã a obiectului holografiat. Printre cele mai importante aplicabile ale holografiei în industrie se numãrã interferometria holograficã care se utilizeazã pentru analiza tensiunilor mecanice in vibraţiilor in pentru detectia defectelor. Holografia se utilizeazã, de asemenea, în microscopie, în cinematografie in televiziune, pentru maninile de calcul optice.

24

Avantajele si posibilitatile unice oferite de holografie rezulta din posibilitatea inregistrarii informatiei totale (continuta in amplitudinea si in faza undei). Prin holograma se obtine o senzatie perfecta a reliefului si realului imaginilor obtinute, holograma fixand si permitand sa se reconstituie frontul undei initiale. Deteriorarea unei parti a hologramei nu antreneaza pierderea de informatie, deoarece fiecare punct al suprafetei vizibile a obiectului este inregistrat pe toata suprafata hologramei. Variind orientarea hologramei in spatiu se poate inregistra de fiecare data pe una si aceeasi holograma o informatie noua, deoarece la restituirea unei holograme se utilizeaza o unda luminoasa avand acelasi front fata de cel al undei de la inregistrare. In acest mod, metodele holografice pot fi utilizate pentru codajul si decodajul informatiei, pentru recunoasterea imaginilor etc. Una dintre posibilitatile unice ale holografiei o constituie inghetarea timpului. Daca un ansamblu de obiecte in miscare este inregistrat la momentul t0 pe o holograma, restituirea ulterioara a acestei holograme va da o unda luminoasa reconstruita, care va fi echivalenta cu unda reflectata pe ansamblul de obiecte la momentul t0 si aceasta unda poate fi observata intr-un interval de timp oricat de mare il dorim. O alta aplicatie importanta pare a fi microscopia holografica. Din optica geometrica holografica rezulta ca marimea m a imaginii este data de m=lr/ln adica de raportul lungimilor de unda folosite la reconstituire (r) si la inregistrare (n). S-ar putea obtine cu raze X si raze vizibile o marire de un milion de ori. S-a realizat pe acest principiu microscopul electronicholografic cu o marire de 500 000 000 x. Tot holografia ofera posibilitatea, unica, de a diviza o imagine optica si de a o asambla, informatia fiind continuta in fiecare punct al suprafetei hologramei. In fine, holografia ofera posibilitatea , tot unica, de a vedea un obiect inainte ca el sa fie fabricat, daca se utilizeaza calculatoare pentru a sintetiza o holograma artificiala care corespunde unui obiect imaginat. In cazul in care grosimea paturii sensibile la lumina este mult mai mare decat distanta care separa doua franje de interferenta consecutive, in locul hologramelor plate, bidimenisonale, se pot obtine holograme tridimensionale (sau in relief), aceasta idee apartinand lui J.Densiuk.

25

Sunt un produs grafic de exceptie, cu impact vizual deosebit de puternic si care nu pot fi falsificate. Va putem oferi holograme personalizate cu text si grafica de inalta rezolutie. Cele mai folosite aplicatii ale hologramelor sunt: - holograme pentru securizarea legitimatiilor de acces sau a documentelor (bancnote, contracte, formulare cu regim special, abonamente, etc) - etichete de securizare (garantarea autenticitatii) - sigilii - etichete volumetrice 3D - etichete promotionale Din punct de vedere al continutului, hologramele sunt de doua categorii: - holograme generice - inscriptionate. Sunt holograme de uz general, care pot fi folosite de oricine. - holograme personalizate. Pentru producerea unei holograme personalizate, este nevoie mai intai de producerea unei originari laser master. Pentru a mari gradul de securizare al hologramelor, toate originarile master ale producatorilor de holograme sunt introduse si verificate intr-o baza de date centrala, situata la Londra. In acest fel se garanteaza faptul ca nu se incearca duplicarea unei holograme deja existente sau executarea uneia foarte asemanatoare.

26

• • •

• •

• •

http://laserul.idilis.ro “Laser “ Microsoft ® Encarta Banasik M. and Dworak J. Achievements in industrial laser welding and cutting. “BI. http://ro.wikipedia.org/wiki/Laser Laser Equipment Gallery (LEG) Prelucrari cu fascicule dirijate- Niculae Ion Marinescu Arborele lumii

27