Efectul LASER

Efectul LASER

(Referat) Filip Victora , clasa a-XII-a A

Laserul este un dispozitiv complex ce utilizeaz un mediu activ laser, ce poate fi solid, lichid sau gazos, i o cavitate optic rezonant. Mediul activ, cu o compoziie i parametri determinai, primete energie din exterior prin ceea ce se numete pompare. Pomparea se poate realiza electric sau optic, folosind o surs de lumin (flash, alt laser etc.) i duce la excitarea atomilor din mediul activ, adic aducerea unora din electronii din atomii mediului pe niveluri de energie superioare. Fa de un mediu aflat n echilibru termic, acest mediu pompat ajunge s aib mai muli electroni pe strile de energie superioare, fenomen numit inversie de populaie. Un fascicul de lumin care trece prin acest mediu activat va fi amplificat prin dezexcitarea stimulat a atomilor, proces n care un foton care interacioneaz cu un atom excitat determin emisia unui nou foton, de aceeai direcie, lungime de und, faz i stare de polarizare. Astfel este posibil ca pornind de la un singur foton, generat prin emisie spontan, s se obin un fascicul cu un numr imens de fotoni, toi avnd aceleai caracteristici cu fotonul iniial. Acest fapt determin caracteristica de coeren a fasciculelor laser. La origine termenul laser este acronimul LASER format n limba englez de la denumirea light amplification by stimulated emission of radiation (amplificare a luminii prin stimularea emisiunii radiaiei). Tranziii atomice

Dup cum s-a artat, electronii dintr-un atom pot primi sau emite radiaie doar de anumite revenue, corespunztoare energiilor de separaie dintre strile energetice permise pe care acetia le pot ocupa n atomi. Considernd cazul unui atom ale crui nivele de energie permise le notm cu E1, E2, E3..., la iluminarea acestuia cu un spectru larg de revenue vor fi absorbii doar acei fotoni ale cror energii hn sunt egale cu energiile ce separ nivelele energetice permise (E2 E1; E3 E1; E3 E2 etc.). Ca urmare, vor avea loc tranziii ale unor electroni pe nivele energetice superioare, numite stri excitate. Emisia spontanOrice atom aflat pe o stare excitat prezint o anumit probabilitate de dezexcitare n urma creia, prin emisia unui foton de energie corespunztoare diferenei dintre cele dou stri energetice permise, va trece n starea de energie inferioar. Aceast trecere se face prin tranziia unui electron de pe nivelul excitat pe un nivel energetic inferior, neocupat. O astfel de tranziie se numete tranziie spontan . O valoare tipic a timpului de via al unui atom n stare excitat (timpul n care atomul poate rmne n acea stare) este de circa 10-8 s. Emisia indusn 1917, A. Einstein a prezis existena unui astfel de proces. S presupunem un atom aflat ntr-o stare excitat E2 (fig. 2) i un foton de energie hn = E2 E1 incident pe acesta. Trecerea fotonului va determina creterea probabilitii de tranziie a atomului din starea excitat (E2) n starea fundamental (E1), prin emisia unui foton de energie hn.Fotonul emis va fi n faz cu fotonul incident. Aceti fotoni pot stimula emisia altor fotoni, de ctre atomi aflai n aceleai stri excitate. Producerea efectului LASERn paragraful anterior am descris modul n care un foton poate determina tranziii atomice, fie prin absorbia acestuia de ctre atom, fie prin emisia stimulat a atomului. Ambele procese sunt la fel de probabile. n general, ntr-un sistem de atomi aflat la echilibru termic, cea mai mare parte dintre acetia se gsesc n starea fundamental (de energie minim), un numr mic aflndu-se ntr-o stare energetic excitat. n aceast situaie, un fascicul de lumin incident pe sistemul de atomi va produce cu predilecie excitarea atomilor din starea fundamental, determinnd o cretere global a energiei sistemului.

Dac ns situaia ar putea fi inversat astfel nct, n sistem, cea mai mare parte dintre atomi s se gseasc n stare excitat, atunci fasciculul de fotoni va produce cu predilecie emisia stimulat, determinnd o scdere global a energiei sistemului i o emisie de fotoni. O situaie n care numrul de particule aflate n starea excitat este mai mare dect numrul de particule aflate n starea fundamental, n acelai sistem atomic, se numete inversie de populaie. Acesta este principiul de operare al efectului laser. Condiiile n care poate fi generat acest efect sunt:

1. Sistemul trebuie s se afle ntr-o stare de inversie de populaie.(Operaiunea care produce inversia de populaie poart numele de pompaj).

2. Starea excitat a sistemului trebuie s fie o stare metastabil (cu un timp de via mai mare dect timpul mediu de via al al unei stri excitate (10-8s). n cazul strilor metastabile timpul de via poate ajunge la ordinul a 10-3 s sau chiar la cteva secunde.3. Fotonii emii trebuie reinui n sistem un timp suficient de lung pentru a permite stimularea emisiei atomilor excitai. Pentru aceasta, se utilizeaz oglinzi reflectorizante amplasate la capetele sistemului. Unul dintre capete va reflecta fasciculul de fotoni n totalitate, n timp ce, la captul cellalt, oglinda va fi uor transparent, pentru a permite ieirea fasciculului laser.a) n cazul laserului heliu-neon, atomii responsabili pentru emisia stimulat sunt atomii de neon. Ei se introduc ntr-un tub de civa mm grosime, cu lungime de cteva zeci de centimetri, n amestec cu atomii de heliu. Pompajul se realizeaz n urma unei descrcri electrice, care face ca atomii de heliu s treac ntr-o stare excitat. n urma ciocnirilor, atomii de heliu vor excita atomii de neon pe un nivel metastabil, realiznd inversia de populaie. O dat nceput emisia stimulat, aceasta este ntreinut prin intermediul oglinzilor din capetele tubului laser, care permit treceri repetate ale fotonilor prin amestecul atomic, determinnd alte emisii stimulate. Acesta reprezint procesul de amplificare. Ca rezultat, se produce un fascicul coerent de lumin cu lungimea de und n = 632,8 nm (lumin roie).b) O alt variant de laser este cel cu rubin .Sistemul de pompaj, n acest caz, const dintr-o surs intens de lumin i o oglind pentru focalizarea lumnii pe mediul activ. Prin iluminare, atomii de crom primesc energia lumi-noas, trecnd pe nivelul metastabil. c) Laserul cu microunde, utiliznd vapori de amoniu (NH3), i bazeaz sistemul de pompare pe separarea fizic a moleculelor de amoniu excitate de cele aflate ntr-o stare energetic inferioar. Aceast separare se realizeaz printr-un sistem de electrozi care genereaz un cmp electrostatic cilindric, cuadripolar, pe direcia fasciculului. n acest cmp, moleculele aflate n stare excitat sunt focalizate ptrunznd ntr-o cavitate n care microunde cu frecvena de 24 GHz vor determina emisia stimulat. n acest timp, moleculele de amoniu aflate pe un nivel energetic sczut sunt scoase din fascicul prin intermediul unei fore radiale, care acioneaz din partea aceluiai cmp electrostatic cuadripolar. Datorit utilizrii microundelor pentru stimularea radiaiei, dispozitivul s-a numit MASER (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation).

De la construirea primului laser, n 1960, tehnologia laser s-a dezvoltat foarte mult, att n ceea ce privete dezvoltarea (prin apariia laserului cu plasm*, cu raze X sau a celui cu gaz dinamic), ct i n ceea ce privete aplicaiile lui. Aplicaiile dezvoltate se datoreaz caracteristicilor radiaiei laser, i anume:

fascicul monocromatic (tranziie stimulat ntre dou nivele nguste bine determinate);

coeren (radiaia emis este n faz);

direcionalitate (este emis sub forma unui fascicul paralel);

posibilitate mare de focalizare, producnd regiuni cu energie luminoas extrem de mare. Aplicaii ale laseruluiAplicaiile laserului sunt ngrdite numai de imaginaie. Laserele au devenit instrumente

importante n industrie, tiin, comunicaii, medicin, armat i arte.

-Industrie

Razele puternice ale laserelor pot fi orientate pe mici puncte, avnd o densitate

ridicat a puterii. Astfel, razele pot nclzi, topi sau vaporiza materialul ntr-o maniera

precis. Laserele au fost folosite, de exemplu, pentru a guri diamante, pentru a lefui

metale, n construcia chip-urilor i n ncercarea de a induce fusiunea nuclear controlat.

Laserele sunt folosite n monitorizarea particulelor foarte mici, fiind i cele mai fine detectoare ale polurii aerului. Laserele au fost folosite n determinarea precis a distanei Pmnt-Lun i n testele de relativitate. -tiin

Deoarece lumina laserelor este monocromatic i foarte bine direcionabil, ele

sunt folosite n studiul molecular al materiei. Cu ajutorul laserelor, viteza luminii a

fost determinat cu o acuratee foarte mare, iar existena unor materiale foarte fine

poate fi astfel uor determinat.

-Comunicaii

Lumina laserului poate parcurge o distan foarte mare fr s-i piard din intensitatea semnalului. Din cauza frecvenei sale, lumina laserului poate transmite de exemplu, de 1000 de ori mai multe canale de televiziune dect cele transmise de microunde. Au fost create fibre optice capabile s transmit laserul n industria telefo-nic sau cea a computerelor. Mai sunt utilizate i n industria CD-playerelor i a unitilor de scriere a informaiei pe support multimedia DVD, BluRay Disc.

- Medicin

O raz intens de laser poate tia sau cauteriza anumite esuturi, fr a le afecta pe cele sntoase. Au fost folosite n tratarea retinei i n cauterizarea vaselor de snge rupte. Tehnicile pe baza laserului au fost utilizate pentru teste de laborator pe mici mostre biologice.

-Armat

Sistemele de ghidare a rachetelor, a navelor i a sateliilor au la baz laserul. Utilizarea undelor laser au fost folosite n distrugerea rachetelor dumane de ctre sistemul defensiv al lui Ronald Regan din 1983.Abilitatea reglrii laserelor poate deschide noi perspective n separarea izotopilor n construcia de arme nucleare.