Lucrarea: LASERUL ŞI APLICAŢIILE LUI

Autor: Gabriela Păunescu

Anul apariţiei: 2010

ISBN 978-973-0-08215-9

2

CUPRINS

CUPRINS...............................................................3I. Introducere...........................................................5II. Natura luminii..................................................11III. Elemente de fizică cuantică............................17

1. Bazele experimentale ale mecanicii cuantice.......171.1 Radiaţia termică...................................................................................................181.2. Legea Kirchhoff..................................................................................................191.3. Legea Stefan-Boltzmann.....................................................................................201.4. Legea Wien.........................................................................................................201.5. Legea Rayleigh-Jeans.........................................................................................211.6. Legea Planck.......................................................................................................22

2. Natura corpusculară a radiaţiei termice..............232.1. Efectul fotoelectric..............................................................................................232.2. Efectul Compton.................................................................................................26

3. Aplicaţii - laseri......................................................273.1 Realizarea unei inversii de populaţie...................................................................303.2. Proprietăţile radiaţiei LASER............................................................................30

IV. Teoria laserului...............................................311. Introducere.............................................................312. Prezentare generală...............................................332.1. Formarea undei laser. Principiu de funcţionare..................................................332.2. Poate orice mediu activ cuantic să fie un mediu activ laser?..............................342.3 Condiţia de prag - condiţia laser..........................................................................41

V. Tipuri de laseri.................................................491. Clasificarea laserilor..............................................492. Laseri cu mediu activ solid....................................492.1. Laserul cu rubin..................................................................................................492.2. Laserul semiconductor........................................................................................54

3. Laserul cu gaz.........................................................603.1. Laserul cu Heliu-Neon (He-Ne)..........................................................................623.2. Laserul cu argon..................................................................................................673.3. Laserul cu dioxid de carbon (CO2).....................................................................693.4. Laserul cu excimeri.............................................................................................733. 5. Laserul cu microunde.........................................................................................77

4. Laserii cu lichid.....................................................775. Laserul cu raze X...................................................786. Laser cu plasmă......................................................787. Laser cu electroni liberi.........................................798. Laseri cu lumină extremă în România.................79

VI. Aplicaţii ale laserilor......................................821. Aplicaţiile militare ale laserilor şi protecţia laser821.1. Aplicaţii tactice...................................................................................................831.2. Aplicaţii strategice..............................................................................................84

3

2. Aplicaţiile laserilor în medicină............................853. Aplicaţiile laserilor în conservare şi restaurare. .864. Aplicaţii ale laserilor cu semiconductori..............895. \“Radarul\...............................................................906. Laserele tehnologice...............................................917. Laserul în cercetarea ştiinţifică............................928. Laserele şi calculatoarele.......................................92

BIBLIOGRAFIE...................................................95

4

Laserul şi aplicaţiile lui

I. Introducere

Cititoarele de coduri de bare, imprimantele laser, transmiterea informaţiei prin

fibra optică, CD-urile şi DVD-urile audio sau video, holografia, neurochirurgia şi

chirurgia oculară, obţinerea temperaturilor foarte înalte în camerele reactoarelor de

fuziune nucleară sau îndepărtarea tatuajelor nedorite – iată o listă impresionantă, dar nici

pe departe completă, a domeniilor şi aplicaţiilor care folosesc această invenţie

extraordinară a secolului al XX-lea: laserul. Rădăcinile tuturor acestor inovaţii

tehnologice se găsesc într-o lucrare publicată în 1917 de Albert Einstein pe tema teoriei

cuantice a radiaţiei electromagnetice: "On the quantum theory of radiation".

“Laser” este un acronim pentru Light Amplification by Stimulated Emission of

Radiation(Amplificarea luminii prin emisia stimulată de radiaţie).

Acest acronim desemnează orice dispozitiv care creează şi amplifică o rază de

lumină îngustă, de aceeaşi frecvenţă, concentrată şi ai cărei fotoni se deplasează coerent,

adică undele electromagnetice corespunzătoare lor au aceeaşi fază. Într-un dispozitiv

laser, atomii sau moleculele mediului activ – un cristal de rubin, un gaz sau chiar un

lichid - sunt excitaţi asfel încât majoritatea să se găsească într-o stare de energie

superioară celei de echilibru.

Lumina este o formă de radiaţie electromagnetică emisă când unii dintre electronii

care orbitează în jurul nucleului unui atom cedează o parte din energia lor sub forma

fotonilor. Electronii se pot afla, conform modelelor atomice din mecanica cuantică, în

anumite zone distincte localizate în jurul nucleului atomic şi emit energie (fotoni) atunci

când părăsesc o zonă (orbită) exterioară, de energie mai mare, revenind astfel la starea

naturală, de energie mai mică, pe o orbită inferioară. În prealabil atomii trebuie "excitaţi",

adică trebuie să îşi modifice starea naturală de echilibru din punct de vedere energetic,

fenomen care presupune saltul unor electroni pe orbite superioare şi care se întâmplă

atunci când o substanţă este încălzită (primeşte energie sub formă de căldură), când este

străbătută de un câmp electric intens sau când este bombardată cu un curent de electroni

liberi.

5

În funcţie de diferenţele de energie dintre orbitele electronilor, cu valori care

depind de substanţele folosite, variază şi lungimea de undă a radiaţiilor electromagnetice

emise de atomi. Fenomenul descris anterior este omniprezent. De la înroşirea rezistenţei

unui reşou (atomii excitaţi eliberează fotoni cu lungimea de undă specifică culorii roşu),

continuând cu ecranele televizoarelor, lămpile fluorescente sau cu gaz, până la becurile

cu incandescenţă, toate aceste fenomene au la bază saltul energetic al electronilor, proces

însoţit de eliberarea unor fotoni cu o anumită lungime de undă. Doi atomi identici, cu

electronii situaţi pe aceleaşi niveluri energetice, vor elibera fotoni cu aceeaşi lungime de

undă.

Lumina emisă de un aparat laser are câteva caracteristici diferite semnificativ de

cele ale luminii albe (cea emisă de surse precum stelele sau becul cu incandescenţă).

În primul rând, lumina emisă de sursele naturale sau de becuri se împrăştie pe

măsură ce se îndepărtează de sursă astfel încât, cu cât distanţa faţă de sursă creşte, din ce

în ce mai puţină lumină atinge o anumită zonă a spaţiului. Lumina laserului nu se

împrăştie, ci are proprietatea de direcţionalitate, adică se propagă pe distanţe mari cu o

divergenţă foarte mică şi, ca urmare, poate fi focalizată într-un fascicul cu diametrul

dorit.

În al doilea rând, lumina laserului este monocromatică şi coerentă. Lumina albă

este de fapt un amestec de unde electromagnetice cu diverse lungimi de undă

caracteristice culorilor fundamentale ce constituie spectrul vizibil. Fiecare culoare are o

lungime de undă caracteristică aparţinând spectrului vizibil. Dacă am filtra toate

lungimile de undă cu excepţia uneia singure, lumina rămasă ar fi monocromatică.

6

Monocromaticitatea şi coerenţa luminii laserului sunt caracteristicile care fac un astfel de

dispozitiv ideal pentru înregistrarea informaţiilor pe medii optice precum CD-urile, dar şi

pentru a fi folosit ca sursă de lumină pentru comunicaţiile de date prin mediu de fibră

optică.

Laserul foloseşte un proces numit emisie stimulată pentru a amplifica radiaţia

electromagnetică din spectrul vizibil.

Cum am spus la început, într-un dispozitiv laser, atomii sau moleculele mediului

activ – un cristal de rubin, un gaz sau chiar un lichid - sunt excitaţi astfel încât majoritatea

să se găsească într-o stare de energie superioară celei de echilibru. Consecinţa creşterii

energiei unui asemenea mediu activ este emisia bruscă de lumină coerentă. Procesul se

numeşte emisie stimulată şi a fost descris de către Albert Einstein în 1917.

În cadrul lucrării “On the quantum theory of radiation”, Einstein a formulat idea

conform căreia un atom excitat se poate întoarce în starea fundamentală în urma emisiei

de radiaţie electromagnetică, un proces pe care l-a denumit emisie spontană. Einstein a

postulat că fotonii preferă să circule împreună în aceeaşi stare. Dacă se dă o colecţie de

atomi posedând energie în exces, aceştia vor emite fotoni în mod spontan şi aleatoriu în

timp.

Totuşi, dacă un foton izolat cu lungimea de undă corespunzătoare străbate

7

substanţa respectivă şi vine în contact cu unul din atomii posedând exces de energie,

prezenţa sa stimulează atomul să elibereze un foton (energia în exces) mai devreme decât

s-ar produce acest proces în mod natural, iar fotonul emis va avea aceeaşi direcţie de

deplasare, aceeaşi frecvenţă şi aceeaşi fază cu fotonul izolat care a generat emisia

spontană. Einstein a prevăzut şi producerea în cascadă a acestui fenomen de emisie

spontană: pe măsură ce o mulţime de fotoni cu aceleaşi caracteristici vor străbate mediul

respectiv, din ce în ce mai mulţi fotoni emişi spontan li se vor alătura.

În componenţa unui laser există în mod uzual 2 oglinzi, un mediu activ şi

un dispozitiv care realizează pompajul energetic al mediului activ. Mediul activ poate fi

solid (de exemplu un cristal de rubin), gazos (amestec de heliu şi neon), dar şi din

materiale semiconductoare. Ca exemplu, un laser cu cristal de rubin este alcătuit dintr-un

cristal cilindric de rubin, două oglinzi paralele, argintate sau aurite, şi un tub de

descărcare, în formă de spirală, umplut cu un gaz nobil şi conectat la un condensator de

mare capacitate.

În mod natural, majoritatea atomilor, ionilor sau moleculelor mediului activ se

află, din punct de vedere energetic, în starea fundamentală. Pentru a genera raza laser,

dispozitivul care realizează pompajul energetic trebuie să genereze ceea ce se numeşte o

inversiune de populaţie în mediul activ, adică să se formeze o majoritate de

atomi/ioni/molecule (după caz, în funcţie de mediul activ) care se găsesc pe nivele de

energie superioare stării fundamentale. La momente aleatorii de timp, unii dintre aceşti

8

atomi, ioni sau molecule, revin în mod natural la starea fundamentală, emiţând în cadrul

acestui proces o cuantă de lumină (foton) într-o direcţie aleatorie. Este vorba despre

fenomenul de emisie spontană şi nu reprezintă un proces foarte folositor în funcţionarea

laserului. În esenţă, este acelaşi fenomen care asigură funcţionarea reclamelor luminoase

pe bază de neon, a lămpilor fluorescente sau a ecranelor CRT.

Einstein a arătat însă că dacă unii dintre aceşti fotoni emişi spontan întâlneşte un

atom/ion/moleculă excitat al mediului activ într-un anumit mod, acesta va reveni la starea

fundamentală, iar fotonul eliberat va avea proprietăţi similare celui care a grăbit emisia,

deci care a generat emisia stimulată (aceeaşi lungime de undă, aceeaşi fază, aceeaşi

direcţie de deplasare).

Aşadar, mediul activ va emite la început în mod spontan fotoni în toate direcţiile

la momente aleatorii de timp. Ocazional, fotoni vor fi emişi paralel cu lungimea mediului

activ. În acest caz, acesta va circula repetat între cele 2 oglinzi. Pe parcursul deplasării

sale, va întâlni atomi/ioni/molecule excitaţi şi va stimula emisia altor fotoni cu aceleaşi

caracteristici de frecvenţă, fază şi direcţie de deplasare ca ale sale. Procesul se va

multiplica pe parcurs în cascadă, dând naştere unei raze monocromatice şi coerente. Dacă

dispozitivul care realizează pompajul poate menţine inversiunea de populaţie în timp ce

se produce emisia stimulată în cascadă, generarea razei laser poate fi prelungită în timp.

9

Trebuie precizat că majoritatea laserelor sunt sisteme bazate pe 3 sau 4 nivele de

energie. Aceasta înseamnă că pentru a se realiza, în primă fază, inversiunea populaţiei şi,

ulterior, emisia stimulată, este nevoie ca atomii mediului activ să fie excitaţi astfel încât

să ajungă cu 2 sau 3 nivele energetice peste starea fundamentală.

De exemplu, într-un laser cu cristal de rubin, atomii sunt aduşi cu 2 nivele

energetice peste starea fundamentală, revin foarte repede în mod natural la nivelul 1

(considerând starea fundamentală nivelul 0), iar emisia stimulată are loc în cadrul

tranziţiei de la nivelul 1 la nivelul 0.

Revenind la funcţionarea laserului cu cristal de rubin, trebuie precizat că rubinul

este un oxid de aluminiu care conţine mici cantităţi de ioni de crom. Cilindrul de rubin

utilizat are câţiva centimetri lungime şi un diametrul de câţiva milimetri. Cele două

oglinzi plane şi paralele, şlefuite cu mare grijă, sunt argintate sau aurite în aşa fel încât

una dintre ele este complet opacă, iar cealaltă parţial transparentă, ca să poată permite

razelor laser să părăsească instalaţia. Ele sunt aşezate la cele 2 capete ale cilindrului de

rubin. Capetele cilindrului se metalizează. Tubul de descărcare, în formă de spirală,

umplut cu neon, xenon sau amestecuri de neon şi cripton este conectat la un condensator

şi funcţionează asemenea blitz-urilor de la aparatele fotografice. Tubul de descărcare

emite într-un timp foarte scurt, de ordinul miimilor de secundă, o lumină obişnuită, dar

intensă, care provoacă inversiunea populaţiilor în cristalul de rubin. În desfăşurarea

acestui proces o importanţă deosebită îl au impurităţile de crom din compoziţia cristalului

de rubin. Ionii de crom au trei nivele energetice. Studiul nivelelor energetice ale cromului

arată că daca se iradiază cristalul de rubin cu lumină verde cu lungimea de undă egala cu

0,560nm, produsă de tubul de descărcare, o parte din ionii de crom din starea

fundamentală îşi vor mări energia datorită absorbţiei radiaţiei luminii verzi, trecând într-o

stare energetică superioară cu 2 nivele stării de echilibru. Se spune că ionii de crom trec

prin pompaj optic pe nivelul 2 de energie. Apoi revin foarte repede pe nivelul 1, după

care începe procesul de emisie spontană şi de generare a razei laser, descris anterior.

Părţile constituente ale unui laser sunt : mediul activ, sistemul de excitare şi

rezonatorul optic. Partea esenţială a unui dispozitiv laser o constituie mediul activ, adică

un mediu în care se găsesc atomii aflaţi într-o stare energetică superioară celei de

echilibru. În acest mediu activ se produce amplificarea radiaţiei luminoase (dacă avem o

radiaţie luminoasă incidentă) sau chiar emisia şi amplificarea radiaţiei luminoase (dacă

10

nu avem o radiaţie luminoasă incidentă). Sistemul de excitare este necesar pentru

obţinerea de sisteme atomice cu mai mulţi atomi într-o stare energetică superioară.

Există mai multe moduri de a realiza excitarea atomilor din mediul activ, în

funcţie de natura mediului. Rezonatorul optic este un sistem de lentile şi oglinzi necesare

pentru prelucrarea optică a radiaţiei emise. Deşi la iesirea din mediul activ razele laser

sunt aproape perfect paralele, rezonatorul optic este folosit pentru colimarea mult mai

precisă, pentru concentrarea razelor într-un punct calculat, pentru dispersia razelor sau

alte aplicaţii necesare.

II. Natura luminii

Inventat în anii 1960, laserul este un tip special de lumină, diferit de lumina

vizibilă, percepută de ochiul uman. Lumina “albă” a Soarelui, care este suprapunerea

tuturor culorilor curcubeului, este emisă în toate direcţiile, fiind, prin urmare

“incoerentă”.

Ingeniozitatea laserului constă în selecţionarea atomilor de energie, potenţată prin

“pompaj optic”, apoi prinderea fotonilor între două oglinzi, într-un fel de cutie, până când

alcătuiesc un fascicul. Când acesta este destul de puternic, se formează o rază laser.

“Lumina laser este mai disciplinată decât cea a Soarelui; este un fascicul luminos

îmblânzit, a cărui dispersie este minimă”, spune Evelyne Gil, cercetătoare la

Universitatea Clermond-Ferrand. Un laser are totuşi un randament slab (între 0,01 şi

30%) şi necesită un mare aport de energie pentru a activa atomii. Conceperea şi punerea

în aplicare a primelor lasere experimentale au durat peste 30 de ani, la cercetări

contribuind mulţi specialişti.

Încă din cele mai vechi timpuri omenirea a căutat să răspundă la întrebarea “Ce

este lumina?” şi să pătrundă astfel în tainele uneia dintre cele mai evidente şi totuşi dintre

cele mai subtile manifestări ale Universului.

Este greu de spus care au fost primele observaţii ale omului în căutarea acestui

răspuns. Probabil ele s-au referit, după cum ne arată teoriile antichităţii, la modul de

propagare al razelor de lumină provenite de la Soare, la felul în care mediul înconjurător

este sesizat cu ajutorul simţului vizual. Cele mai vechi teorii asupra naturii luminii

11

datează din antichitate şi reprezintă formulări speculative ale observaţiilor pur calitative

existente la acea perioadă. Dintre aceste teorii ale antichităţii, cele care s-au impus prin

modul de fundamentare au fost teoriile filozofilor greci.

Grecii antici explicau sesizarea prezenţei mediului fie pe baza acţiunii unor probe

(tentacule) ce ar fi caracterizat ochiul (teoria tactilă), fie pe baza unui anumit tip de

materie emisă de mediu şi pe care ochiul era capabil să o colecteze (teoria emisiei).

Deşi aceste teorii erau concepute pe baze complet diferite, ele au coexistat până în

secolul al XVII-lea, când dezvoltarea ştiinţelor experimentale a permis stabilirea legilor

reflexiei şi refracţiei, aducând argumente în sprijinul teoriei emisiei şi infirmând teoria

tactilă.

Existenţa unor relaţii cantitative concrete capabile să descrie principalele

fenomene optice cunoscute a făcut ca spre sfârşitul secolului al XVII-lea să fie formulate

primele teorii cu caracter ştiinţific: teoria corpusculară a lui Newton şi teoria ondulatorie

a lui Huygens.

Căutând să răspundă la întrebarea „ce este lumina?" fizica secolului al XVII-lea

stabilea şi ea două răspunsuri; unul în care lumina era considerată ca fiind alcătuită din

corpusculi ce se supun legilor dinamice ale mişcării şi altul în care lumina reprezenta o

undă transversală asemănătoare celor cunoscute din mediile elastice.

Care dintre aceste teorii era purtătoarea adevărului ştiinţific? La începutul

secolului al XVIII-lea, nici una dintre teorii nu se impunea încă în faţa celeilalte, fiecare

fiind capabilă de a explica convingător propagarea rectilinie, reflexia şi refracţia luminii

-singurele fenomene optice cunoscute la acea vreme.

Datorită notorietăţii ştiinţifice deosebite de care se bucurau lucrările lui Newton,

teoria ondulatorie nu a câştigat teren până în anul 1801, când experienţa de interferenţă a

luminii efectuată de Thomas Young stabilea obţinerea de franje pentru a căror explicaţie

singurul suport era însumarea în fază şi respectiv în antifază a undelor provenite de la

cele două surse de lumină.

La începutul secolului al XIX-lea, teoria corpusculară părea a f i infirmată

definitiv de numeroasele argumente ce se aduc teoriei ondulatorii de dezvoltarea

matematică rafinată pe care o dă Fresnel teoriei fenomenelor de interferenţă, de difracţie

şi de polarizare a luminii.

12

În 1860, James Clerk Maxwell aduce o modificare teoriei ondulatorii fresneliene

(incapabilă să pună în evidenţă mediul elastic ipotetic propus, sau să demonstreze

veridicitatea acestuia), arătând că ceea ce vibrează în fiecare punct al unei raze de lumină

este câmpul electric şi respectiv câmpul magnetic, perpendiculare între ele şi pe direcţia

de propagare a razei. Teoria lui Maxwell a fost confirmată experimental în 1887 când

Hertz a obţinut prin metode pur electromagnetice radiaţii de frecvenţă mult mai joasă

decât a luminii, dar cu proprietăţi identice acesteia.

Astfel, la sfârşitul secolului al XIX-lea, teoria electromagnetică a luminii devenea

un nou răspuns la întrebarea „ce este lumina?" - un nou răspuns ce se cerea confirmat de

cât mai multe evidenţe experimentale.

Iată însă că două dintre descoperirile experimentale de la sfârşitul secolului al

XIX-lea şi începutul secolului XX solicită o nouă revizuire a teoriei naturii luminii.

Este vorba de rezultatele experimentale privind emisia şi absorbţia radiaţiei de

diverse corpuri şi punerea în evidenţă a efectului fotoelectric.

După cum se ştie, un corp supus încălzirii la o temperatură suficient de înaltă

devine incandescent - adică începe să emită radiaţii vizibile.

Analiza spectrală stabileşte că radiaţia astfel emisă se caracterizează printr-un

spectru continuu, iar maximul energiei radiante pe o anumită lungime de undă λ în

unitatea de timp, pe unitatea de arie a corpului emiţător (radianţa spectrală λr sau puterea

emiţătoare spectrală) se deplasează la creşterea temperaturii corpului către lungimi de

undă mai mici.

În urma experienţelor de analiză spectrală, G.R. Kirchhoff demonstra în jurul

anului 1859, că pentru un corp oarecare ce emite radiaţie termică, raportul dintre puterea

emiţătoare spectrală şi puterea absorbantă este o constantă care nu depinde de natura

corpului, ci numai de temperatura acestuia şi de lungimea de undă.

Conform acestei legi rezultă că în cazul unui corp ce ar putea absorbi toată

energia radiantă incidentă, puterea emiţătoare spectrală va fi chiar constanta stabilită şi

deci ea ar depinde numai de temperatură şi de lungimea de undă λ .

Un astfel de corp ideal este denumit de fizicieni „corp negru” căci nereflectând

nici una dintre radiaţiile ce alcătuiesc lumina albă a Soarelui, ar apărea ochiului sub

reprezentarea neagră.

13

Fizic, corpul negru este realizat dintr-o incintă izotermă cu un orificiu ce permite

cuplarea în exterior a radiaţiei şi se caracterizează printr-o dependenţă a puterii

emiţătoare spectrale λr funcţie de temperatură şi lungimea de undă.

Odată stabilită această nouă evidenţă experimentală, ea se cerea verificată pe baza

teoriei electromagnetice clasice a luminii.

Cei care au efectuat această confruntare au fost fizicienii J.W. Rayleigh şi JH.

Jeans. Calculele teoretice efectuate s-au dovedit însă a nu fi îu concordanţă cu rezultatele

experimentale, conform acestora puterea radiantă spectrală în domeniul lungimilor de

undă mici trebuind să crească continuu către valori din ce în ce mai mari. Această

neconcordanţă dintre calculele teoretice şi rezultatele experimentale a fost denumită

sugestiv „catastrofa ultravioletă”.

Ce considerente privind „natura luminii” se cereau revizuite pentru a putea fi

depăşit impasul „catastrofei ultraviolete?

În 1900, Max Planck introduce o concepţie revoluţionară în raport cu concepţiile

fizicii clasice ce se dovedise incapabilă să explice fenomenele de emisie şi absorbţie

observate.

El consideră că emisia şi absorbţia de energie de către atomii ce alcătuiesc

corpurile nu se poate face decât în multipli întregi ai unei cantităţi de energie elementară

şi a cărei valoare E este proporţională cu frecvenţa ν , conform relaţiei:

E =hν (1)

14

unde coeficientul de proporţionalitate numit şi constanta de acţiune este o constantă

universală.

h = constanta lui Planck = 6,6256 × 3410−J s

Introducând această noţiune, Planck a admis de fapt că energia radiaţiei luminoase

are o structură discontinuă.

În 1905, ţinând cont de observaţiile cu privire la efectul fotoelectric ale lui Lenard şi

folosind teoria cuantică a lui Planck, Einstein aduce noi detalii la tabloul ce descrie

proprietăţile luminii.

El admite că şi în propagare energia îşi păstrează caracterul discontinuu,

denumind cantităţile discrete de energie ce descriu radiaţia electromagnetică, fotoni.

Astfel, după aproape 250 de ani de la elaborarea teoriei corpusculare de către

Newton, introducerea fotonilor reprezenta o revenire la teoria corpusculară a luminii, la

ceea ce în secolul al XIX-lea păruse definitiv infirmat.

Fizica începutului de secol XX se găsea aparent din nou în impasul de a nu putea

explica toate fenomenele optice printr-o teorie unitară, fiind nevoită să aplice o teorie sau

alta după cum caracterul corpuscular sau ondulatoriu al luminii o impuneau.

Dar acest impas, după cum a demonstrat în 1924 de Broglie, s-a dovedit a fi doar

un impas aparent, căci aspectele contrare ale naturii luminii îşi găsesc reprezentarea

unitară în faptul că materia se prezintă sub două forme: forma de câmp şi forma de

substanţă, fotonul reprezentând starea de discontinuitate, iar unda starea continuă.

Încadrată în această teorie unitară, ce admite caracterul dual al naturii luminii,

radiaţia luminoasă reprezintă un domeniu spectral relativ restrâns în cadrul spectrului

electromagnetic, ale cărui notaţii şi clasificări uzuale se bazează pe metodele de generare

sau efectele acestor radiaţii.

În cadrul radiaţiilor electromagnetice de frecvenţe mai coborâte (unde radio, 108-

1011 Hz), energia fiecărei cuante este foarte mică astfel că şi la nivele relativ coborâte de

energie, existenţa unui număr foarte mare de fotoni va conferi acestora caracterul de

continuitate.

La frecvenţe foarte ridicate, ca cele caracteristice razelor cosmice (1022 Hz),

energia ridicată a cuantelor va impune un număr restrâns de fotoni şi, prin urmare,

aspectul predominant va fi aspectul corpuscular al radiaţiei electromagnetice.

15

16

III. Elemente de fizică cuantică

În acest capitol vom încerca să stabilim starea unui sistem ţinând cont de structura

lui microscopică. Adică vom ţine cont de starea particulelor elementare ce-l formează.

Capitolul fizicii ce studiază aceste aspecte se numeşte fizică cuantică. Denumirea

acestui capitol îşi are originea în cuvântul latin quantum, prin care se înţelege o anumită

cantitate sau o măsură definitivă de ceva. Acest cuvânt are în fizică acelaşi înţeles ca şi

cuvântul discret în matematică. Adică o mărime sau o variabilă cuantică poate lua numai

valori precis definite, spre deosebire de altă mărime sau variabilă cu variaţie continuă, ce

poate lua orice valoare.

Pentru a nuanţa diferenţa dintre cele două abordări a stabilirii stării unui sistem

discutăm un exemplu. Considerăm un corp rigid antrenat într-o mişcare oarecare. Fizica

clasică îi stabileşte starea privindu-l ca pe un întreg fără să ţină cont de starea particulelor

elementare ce-l formează, pe când fizica cuantică ţine cont de starea acestora. În această

abordare legile fizicii clasice sunt legi ale naturii aproximative, adică sunt legi

fenomenologice. Ele trebuie privite ca forme limită ale legilor mai cuprinzătoare şi

fundamentale ale fizicii cuantice, ceea ce constituie esenţa Principiului de corespondenţă

a lui Bohr. Acest principiu, euristic, a fost formulat în anul 1923 şi a fost de mare ajutor

în dezvoltarea iniţială a fizicii cuantice şi afirmă că rezultatele fizicii cuantice trebuie să

tindă asimptotic spre cele obţinute din fizica clasică, la limita numerelor cuantice mari.

Adică rezultatele fizicii clasice sunt "macroscopic corecte" şi pot fi considerate cazuri

limită ale fizicii cuantice.

1. Bazele experimentale ale mecanicii cuantice

Schimbul de energie sub formă de căldură între sisteme are loc prin conducţie,

prin convecţie şi prin radiaţie. Dacă primele două forme ale schimbului de energie sub

formă de căldură implică prezenţa substanţei, schimbul de energie sub formă de căldură

prin radiaţie poate avea loc şi în vid.

În continuare vom studia sistemul fizic denumit radiaţia termică.

17

1.1 Radiaţia termică

Orice sistem fizic, indiferent de temperatura la care se găseşte, schimbă energie

sub formă de căldură, prin radiaţie termică. Considerăm o incintă vidată în peretele căreia

s-a efectuat un orificiu prin care este transmisă incintei radiaţie termică. După un interval

de timp radiaţia ajunge la echilibru cu pereţii incintei. Radiaţia termică este de natură

electromagnetică şi este caracterizată de densitatea de energie (energia unităţii de volum

a sistemului), w,

w =21

( 0ε 2E

+ 0µ 2H

), (2)

unde am notat cu 0ε permeabilitatea dielectrică a vidului, cu 0µ permitivitatea magnetică

a vidului, cu E

intensitatea câmpului electric al undei electromagnetice şi cu H

intensitatea câmpului magnetic al undei electromagnetice. Radiaţia termică este formată

din suprapunerea unui număr extrem de mare de radiaţii monocrome, astfel că putem

scrie pentru densitatea ei energetică expresia

w = ∫∞

0

ωω dw (3)

unde cu ωw am notat densitatea energetică spectrală, mărime ce joacă pentru radiaţia

termică un rol asemănător rolului funcţiei de distribuţie din fizica statistică.

Mărimi caracteristice radiaţiei termice

Dintre mărimile ce caracterizează radiaţia termică enumerăm:

- energia radiantă, ε , definită ca energia emisă, transmisă sau detectată într-un proces

radiativ

ε = ∫V

wdV (4)

- puterea radiantă, P, sau fluxul radiant, Φ , definită ca energia ce traversează în

unitatea de timp o suprafaţă oarecare

P = Φ = dtdε

(5)

- flux spectral, ωΦ , definit ca fluxul radiant corespunzător unităţii de pulsaţie

ωΦ = ωd

dΦ ⇒ Φ = ∫

∞

Φ0

ωω d (6)

18

- radianţa, R, puterea emisivă sau luminanţa energetică definită ca energia emisă în

unitatea de timp de unitatea de suprafaţă a sursei de radiaţie normal pe aceasta

R = dSdΦ

(7)

Radianţa şi densitatea energetică sunt legate prin relaţia:

R = 4c

w (8)

-Intensitatea, I, definită ca densitatea de flux energetic ce cade pe unitatea de suprafaţă,

normal pe aceasta

I =dSdΦ

(9)

- Intensitatea radiantă, RI , definită ca fluxul energetic emis în unitatea de unghi solid

RI = ΩΦ

dd

(10)

1.2. Legea Kirchhoff

Considerăm o incintă închisă cu pereţi destul de groşi pentru a absorbi orice

radiaţie ar cădea pe ei, fie din exteriorul incintei, fie din interior. În interiorul acesteia se

pot afla diverse sisteme fizice sustanţiale. Suntem interesaţi aici de câmpul de radiaţie

stabilit în spaţiul liber de sisteme fizice substanţiale.

Menţinem pereţii incintei la o temperatură T. În conformitate cu Principiul general

al termodinamicii după un interval de timp, mai lung sau mai scurt, în sistemul considerat

se atinge starea de echilibru. Toate sistemele din incintă vor avea aceeaşi temperatură T.

Câmpul de radiaţie stabilit în interiorul incintei nu-şi mai modifică starea. Acest

câmp se numeşte radiaţie termică şi provine din fenomenul de emisie din materialul

pereţilor incintei sau al sistemelor din interiorul acesteia. După parcugerea unui drum mai

lung sau mai scurt, suferind un număr de reflexii pe suprafeţele substanţiale din incintă

radiaţia este absorbită în substanţa din incintă sau pereţii acesteia şi în virtutea ipotezelor

de mai sus nu poate părăsi incinta. Un astfel de sistem fizic ce absoarbe radiaţia termică

de orice valoare a pulsaţiei, ce cade pe el se numeşte corp negru. Aplicând principiile

termodinamicii sistemului considerat Kirchhoff a ajuns la formularea legii ce îi poartă

numele:

19

Densitatea spectrală ωw (ω , T) a energiei radiaţiei termice din incintă depinde doar de

pulsaţia radiaţiei şi de temperatura acesteia şi nu depinde de natura şi proprietăţile

sistemelor din interiorul incintei .

1.3. Legea Stefan-Boltzmann

Următoarea contribuţie, cronologic vorbind, o datorăm fizicianului Stefan care în

1879 a găsit între radianţa R a radiaţiei emise de un sistem şi temperatura T a acestuia

relaţia empirică:

R = σ 4T ; (11)

relaţie demonstrată în 1884, pornind de la considerente de termodinamică, de către

Boltzmann şi care a rămas în fizica cuantică sub numele de legea Stefan-Boltzmann. În

relaţia (11) am notat cu σ constanta cunoscută sub numele de constanta Stefan-

Boltzmann şi care are valoarea 5,67 × 810− W 42 −− Km . Nici această lege nu spune ceva

despre distribuţia spectrală a radiaţiei termice.

1.4. Legea Wien

Se constată experimental că pulsaţia pentru care izoterma îşi atinge maximul este

proporţională cu temperatura izotermei, iar densitatea spectrală maximă este

proporţională cu puterea a treia a temperaturii. Pornind de la această constatare

experimentală pentru radiaţia din incinta considerată mai sus Wien a stabilit

următoarea lege, ce îi poartă numele:

Densitatea spectrală a radiaţiei termice este o funcţie proporţională cu produsul dintre

puterea a treia a pulsaţiei şi o funcţie universală, f, de argument Tω

ωw (ω , T) )(3

Tf ωω≈ (12)

Această funcţie descrie bine curba experimentală pentru valori mari ale pulsaţiei

Calculând densitatea energetică cu această lege obţinem:

w = ωωω dTw ),(0∫∞

= ∫∞

0

3 )( ωωω dT

f (13)

Facem schimbarea de variabilă Tω

= x şi obţinem

20

w = ∫∞

0

33 )( TdxxfxT = 4T ∫∞

0

3 )( dxxfx (14)

care este chiar expresia legii lui Stefan-Boltzmann dacă integrala este finită. Pentru

aceasta se impune ca integrantul să tindă repede spre zero când x tinde la ∞ .

La fel de frecvent se utilizează densitatea spectrală ca funcţie de lungimea de undă, 'λw :

'λw = λ

εdV

d= λ

ωω

dVdVw

= λωω

ddw

(15)

unde d ε este energia totală din incinta de volum V cu lungimea de undă în intervalul ( λ ¸

λ + d λ ). Făcând uz de relaţia 2π c = λ ω obţinem:

ωd = 22λπ c λd (16)

pe care o introducem în relaţia (15) şi obţinem:

'λw ( λ , T) = ωw 2

2λπ c

= 22λπ c 3ω f( )

Tω

= 5

43)2(λ

π c f( )2Tc

λπ

= 5T 5

43

)()2(

λπT

cf( )2

Tc

λπ

= 5T g( λ , T)

(17)

Lungimea de undă maxλ corespunzătoare densităţii spectrale maxime este invers

proporţională cu temperatura izotermei, iar valoarea maximă a densităţii spectrale în

funcţie de lungimea de undă este proporţională cu puterea a cincea a temperaturii

izotermei. Din condiţia de anulare a derivatei de ordin întâi a expresiei (17) obţinem

rezultatul:

maxλ T = b (18)

cunoscut sub numele de legea de deplasare a lui Wien, unde b = 2,898 310−⋅ mK se

numeşte constanta de deplasare Wien. Wien a propus mai multe forme analitice pentru

funcţia generală f( )Tω

.

1.5. Legea Rayleigh-Jeans

Tot de această problemă s-au ocupat Rayleigh şi Jeans, care aplicând legile

termodinamicii şi electromagnetismului au stabilit altă lege de distribuţie, care însă

modela bine curba experimentală pentru valori mici ale pulsaţiei. Ei au considerat că

radiaţia termică este formată din unde electromagnetice staţionare. Se poate arăta că

21

numărul acestor unde, altfel spus numărul de moduri de oscilaţie ale câmpului

electromagnetic din incintă, corespunzător unităţii de volum şi de pulsaţie este:

)(ωρ = 32

2

cπω (19)

Pentru a obţine densitatea energetică spectrală înmulţim această densitate cu

energia medie a modului de oscilaţie cu lungimea de undă λ . Rayleigh şi Jeans au

presupus că undele staţionare sunt generate de atomii pereţilor incintei, atomi ce absorb şi

emit în mod constant radiaţie, acţionând ca dipoli electrici, adică pot fi priviţi ca

oscilatori armonici cu pulsaţia ω =λπ c2

. Energia ε a oricăruia dintre aceşti oscilatori

poate lua valori de la 0 la ∞ . Cum radiaţia termică este în echilibru termodinamic putem

calcula energia medie a unui oscilator ponderând fiecare valoare a energiei ε cu factorul

Boltzmann TkBeε− . În urma calculelor rezultă:

< ε > = Bk T (20)

rezultat care înmulţit cu densitatea oscilatorilor ne furnizează densitatea spectrală a

energiei radiaţiei termice în funcţie de pulsaţia undei:

ωw (ω , T) = 32

2

cπω kBT (21)

Acest rezultat modelează bine curba experimentală pentru valori mici ale pulsaţiei, însă

pentru valori mari ale pulsaţiei valoarea densităţii spectrale creşte infinit, rezultat în

contradicţie cu datele experimentale şi care este cunoscut în fizică sub numele de

catastrofa ultravioletă. Energia unităţii de volum, w, calculată cu expresia de mai sus

pentru densitatea spectrală

w(T) = ∫∞

032

2

cπω kBT dω (22)

este infinită, fapt ce confirmă afirmaţia de mai sus.

1.6. Legea Planck

În decembrie 1900, Max Planck propune o altă formă pentru densitatea spectrală

de energie, în care păstrează expresia densităţii oscilatorilor, iar pentru calculul energiei

medii a unui oscilator a postulat că energia unui oscilator de pulsaţie ω nu poate avea

22

orice valori ci doar multipli întregi, n 0ε , ai unei cantităţi finite de energie, 0ε , numită

cuantă de energie ce poate depinde de pulsaţie. În acest caz energia medie a unui

ansamblu de oscilatori de pulsaţie ω , în echilibru temodinamic, este dată de

< ε >=1

0

0

−TkBeε

ε (23)

Pentru 0ε = hν = ω cu noul rezultat pentru energia medie a unui oscilator, obţinem

pentru densitatea spectrală expresia

ωw (ω , T) = ωρ < 0ε > = 32

2

cπω

1−TkBeω

ω

(24)

unde cu h am notat constanta lui Planck, iar cu am notat constanta lui Planck

raţionalizată ce are valoarea 1,054 3410−⋅ Js.

Legea stabilită de către Planck modelează bine curba experimentală şi totodată

permite obţinerea legilor Stefan-Boltzmann, Wien şi Rayleigh-Jeans, discutate mai sus,

ca şi cazuri particulare ale acesteia.

Ideea lui Planck nu a fost acceptată cu uşurinţă, dar destul de repede a fost

utilizată pentru explicarea şi a altor fenomene. Einstein a presupus că însuşi câmpul

electromagnetic este cuantficat şi că lumina este formată din corpusculi, numiţi cuante

de lumină sau fotoni,fiecare foton deplasându-se cu viteza c şi având energia

ε = hν = ω = λhc

(25)

2. Natura corpusculară a radiaţiei termice

Mai sus am discutat problema radiaţiei termice şi pentru a explica graficul

distribuţiei spectrale am ajuns până la postularea că schimbul de energie între sisteme se

face prin cantităţi finite de energie, numite cuante, postulat datorat lui Max Planck. Ideea

cuantificării energiei a permis explicarea efectului fotoelectric de către Albert Einstein

(1905) şi a efectului Compton de către Auguste Compton (1923), fenomene ce vor fi

discutate mai jos.

2.1. Efectul fotoelectric

Efectul fotoelectric a fost descoperit de către Heinrich Hertz în anul 1887 şi

studiat în detaliu de către Wilhelm Hallwachs în 1888 şi Philipp Lenard în 1902.

23

Efectul fotoelectric constă în emisia de electroni de către suprafeţe metalice

iradiate cu unde electromagnetice corespunzătoare spectrului vizibil. Acest efect a fost

explicat în 1905 de către Albert Einstein care a preluat ideea cuantificării energiei

postulată de Max Planck. Pentru a discuta acest fenomen vom construi instalaţia din

figura de mai jos. O fotocelulă, cu un catod c construit dintr-un material fotosensibil, este

alimentată prin intermediul unui reostat, Rh, de la o sursă de tensiune electromotoare cu

polul plus la anod, a, respectiv cu polul minus la catod. Totodată în circuit este plasat un

voltmetru (V ) şi un ampermetru (A) ce ne permit să măsurăm tensiunea de la bornele

fotocelulei şi intensitatea curentului din circuit.

Ne imaginăm că sursa de t.e.m este decuplată. Înainte de a introduce fotocelula în

circuit potenţialul electric al celor doi electrozi, catod, (c), respectiv anod, (a), este nul

deoarece sarcina lor electrică este nulă. Plasăm fotocelula în circuit şi trimitem un flux

luminos asupra catodului. Voltmetrul va indica o tensiune electrică cu polul plus la catod

şi polul minus la anod, tensiune numită, impropriu în opinia autorului, tensiune de

contact, kV . Această tensiune se datorează câmpului electric stabilit în urma emisiei de

electroni din catod sub acţiunea luminii, câmp orientat de la catod, rămas încărcat pozitiv

după emisia electronilor, spre anod, ce-şi poate menţine potenţialul nul sau poate deveni

negativ, dacă ajung pe el electroni emişi de catod. Cuplăm sursa de t.e.m în circuit şi

utilizând reostatul Rh mărim treptat tensiunea aplicată pe fotocelulă.

Ampermetrul A măsoară curentul stabilit prin circuit, implicit şi prin fotocelulă, şi

obţinem dependenţa curentului de tensiunea aplicată de forma prezentată în figura de mai

24

jos. Pentru curentul din circuit, format din fotoelectroni, vom folosi mai jos termenul de

fotocurent.

Observând graficul de mai sus constatăm că el prezintă trei regiuni distincte:

- I - această porţiune descrie următoarea situaţie : tensiunea aplicată pe fotocelulă prin

intermediul reostatului este de semn contrar tensiunii de contact.

Cele două tensiuni creează în interiorul fotocelulei câmpuri electrice de sens

contrar, fotoelectronii supunându-se rezultantei celor două câmpuri. Cu cât câmpul

electric creat de tensiunea aplicată este mai mare cu atât mai mulţi fotoelectroni ajung la

anod.

- II - porţiunea II este aproximativ liniară şi reflectă faptul că numărul fotoelectronilor ce

ajung la anod este proporţional cu tensiunea aplicată.

- III - porţiunea III corespunde curentului de saturaţie, Is, şi reflectă că toţi electronii

emişi de catod sunt antrenaţi spre anod.

Mai observăm că la fluxuri luminoase diferite curenţii de saturaţie sunt diferiţi.

În urma celor prezentate mai sus putem trage următoarele concluzii :

- fotocurentul, independent de tensiunea U aplicată, apare pentru o frecvenţă 0ν

caracteristică materialului din care este confecţionat catodul.

- intensitatea fotocurentului, în aceleaşi condiţii de distribuţie spectrală a radiaţiei

incidente, aceeaşi fotocelulă, aceeaşi tensiune aplicată între electrozi, este proporţională

cu fluxul radiaţiei ce cade pe fotocatod.

- raportul dintre intensitatea fotocurentului şi fluxul radiaţiei incidente, la incidenţă

normală, este cu atât mai mare cu cât frecvenţa radiaţiei ce a produs efect fotoelectric este

25

mai mare. Dependenţa raportului celor două mărimi de frecvenţa radiaţiei ce cade pe

fotocatod constituie caracteristica spectrală a acestuia.

- distribuţia după energie a fotoelectronilor pentru un fotocatod dat şi o distribuţie dată a

radiaţiei incidente nu depinde de fluxul acesteia.

- energia cinetică maximă a fotoelectronilor creşte liniar cu frecvenţa radiaţiei incidente

ce provoacă efectul fotoelectric.

- efectul fotoelectric apare instantaneu, odată cu începerea iradierii fotocatodului.

Explicaţia efectului fotoelectric a fost dată de către Einstein care a considerat un

foton de energie hν ce cade pe catod. O parte din energia fotonului, integral absorbit de

un atom al catodului, este cheltuită pentru a scoate electronul din atom, extracţL , iar

diferenţa de energie o regăsim sub formă de energie cinetică, cε , a electronului

hν = cε + extracţL (26)

expresie ce se numeşte relaţia lui Einstein pentru efectul fotoelectric. După ce prin circuit

s-a stabilit curentul de saturaţie dacă se aplică o diferenţă de potenţial de semn contrar

tensiunii aplicate se poate ridica o curbă ce să reprezinte dependenţa fotocurentului de

această diferenţă de potenţial. Derivând grafic această curbă în raport cu tensiunea de

semn contrar se obţine distribuţia după viteză a fotoelectronilor.

2.2. Efectul Compton

Un argument în favoarea naturii corpusculare a radiaţiei electromagnetice a fost

adus de către A.H.Compton în 1923 când a realizat un experiment în care un fascicul de

raze X a fost împrăştiat pe un bloc de grafit împrăştietor.

Trimiţând un fascicul aproximativ monocromatic de raze X de lungime de undă

0λ , pe un bloc de grafit şi folosind un spectrometru cu cristal, Compton a detectat la

diverse unghiuri de împrăştiere, radiaţie X cu lungimea de undă egală cu cea a radiaţiei

26

incidente, precum şi radiaţie X cu lungimea de undă mai mare decât a radiaţiei incidente.

Acest efect se numeşte efect Compton şi constă în variaţia lungimii de undă a radiaţiei X,

λ∆ , împrăştiată pe electroni slab legaţi, electroni cvasiliberi, energia lor de legătură fiind

mult mai mică decât energia fotonilor X. variaţie numită deplasare Compton, dependentă

de unghiul de împrăştiere θ dintre direcţia fascicolului incident şi direcţia fascicolului

împrăştiat. Pentru a stabili dependenţa variaţiei lungimii de undă λ∆ de unghiul de

împrăştiere θ considerăm un foton X ce cade pe un electron cvasiliber.

Fiind un proces de ciocnire scriem conservarea energiei şi impulsului pentru

sistemele implicate în proces (electron şi foton X)

h 0ν + 0m c2 = hν + mc2

ch 0ν =

chν + mv (27)

Scriind ecuaţia conservării impulsului pe componente şi combinând cu ecuaţia

conservării energiei obţinem pentru variaţia lungimii de undă expresia

λ∆ = 0λλ − =2 Λ2

sin 2 θ (28)

unde cu Λ , numită lungime de undă Compton am notat mărimea cm0

mărime

ce pentru electron are valoarea 2,42 1210 −⋅ m.

Existenţa componentei nemodificate în radiaţia X detectată, poate fi explicată prin

împraştierea radiaţiei incidente pe electroni puternic legaţi, situaţie în care reculul este

preluat de întregul atom ce are masa mult mai mare decât electronul, fapt ce face ca

deplasarea Compton să fie neglijabilă. Acesta este motivul pentru care nu se observă

efect Compton pentru lumina vizibilă, situaţie în care energia fotonului este mult mai

mică decât energia electronilor slab legaţi. În cazul radiaţiei γ care are energia mult mai

mare decât energia de legătură, chiar şi a electronilor puternic legaţi, se detectează doar

radiaţia deplasată.

3. Aplicaţii - laseri

Vom discuta foarte succint ideile ce stau la baza construcţiei dispozitivelor laser.

27

Principiul general de funcţionare a dispozitivelor MASER (Microwave Amplification by

Stimulated Emission of Radiation) şi LASER (Light Amplification by Stimulated

Emtssion of Radiation) se bazează pe fenomenul emisiei stimulate, fenomen intuit de

către Einstein în anul 1907 şi dezvoltat de experienţele din anul 1923 ale lui Tolman care

a observat că dacă raportul populaţiilor i

S

NN

a două nivele energetice Sε respectiv ale

unui sistem de atomi depăşeşte raportul ponderilor lor statistice atunci emisia stimulată va

domina absorbţia şi o undă plană ce va traversa un astfel de mediu, numit mediu activ, va

fi amplificată.

Un dispozitiv MASER sau un dispozitiv LASER este constituit din două sisteme

fizice în interacţiune: câmpul electromagnetic dintr-o cavitate rezonantă şi un mediu activ

situat în aceeaşi cavitate.

Principiile fizice de funcţionare a dispozitivelor MASER sau LASER pot fi

exprimate pe scurt în următoarele afirmaţii:

- Sistemele cuantice (atomi. ioni. molecule, etc) au anumite rezonanţe interne la frecvenţe

caracteristice, rezonanţe ce pot fi situate in domeniul microundelor, în domeniul vizibil

sau chiar in domeniul radiaţiilor X sau γ .

- Un semnal electromagnetic cu o frecvenţă egală sau apropiată de o rezonanţă a

sistemului cuantic poate acţiona asupra acestuia. Adică sistemul cuantic poate absorbi

energie de la un semnal sau poate emite energie în semnal, în funcţie de starea cuantică în

care se află.

- Intensitatea şi semnul răspunsului total ce se obţine de la un ansamblu de sisteme

cuantice identice va depinde de diferenţa de populaţie a nivelelor energetice între care are

loc tranziţia rezonantă cu semnalul aplicat. În condiţii normale răspunsul sistemelor

cuantice aflate la echilibru termodinamic va fi o absorbţie din semnalul aplicat.

- Dacă printr-o modalitate oarecare se realizează o inversie de populaţie, adică facem să

fie mai multe sisteme cuantice pe nivelul energetic superior decât pe cel inferior atunci

răspunsul sistemelor va fi şi el inversat. Adică în loc să avem absorbţie a semnalului vom

avea o amplificare a acestuia.

Efectul MASER, respectiv LASER se obţine dacă câştigul unei linii emise este

mai ridicat decât pierderile în mediul activ şi pe pereţii cavităţii, pe de o parte, şi dacă

28

inversia de populaţie depăşeşte un anumit prag. Np numit prag de oscilaţie, SN - iN > Np.

Condiţia de prag este favorizată de următorii factori:

- populaţia nivelului inferior, iN , să fie cât mai mică.

- linia atomică, moleculară sau ionică să aibă o lărgime cât mai mică.

- timpul de viaţă al stării energetice superioare să fie mare în raport cu cel al stării

energetice inferioare, altfel s-ar produce acumularea de sisteme cuantice în această stare,

fapt ce ar provoca dispariţia efectului laser.

- timpul de viaţă al fotonilor în cavitate să fie cât mai mare.

Pentru a realiza un dispozitiv laser este necesar să se utilizeze o schemă de

principiu ca cea din figura de mai jos, ce constă într-un mediu activ plasat între două

oglinzi, una perfect reflectorizantă, iar cealaltă semitransparentă.

În funcţie de mediul activ utilizat sunt dispozitive LASER cu două nivele figura

(a), cu trei nivele figura (b), respectiv cu patru nivele figura (c).

29

Printr-un procedeu oarecare populaţia SN a nivelului energetic superior, Sε ,

devine mai mare decât populaţia fN a nivelului energetic inferior, fε .

3.1 Realizarea unei inversii de populaţie

Excitarea mediului activ pentru realizarea inversiei de populaţie peste nivelul de

prag se poate obţine prin diverse tehnici/mecanisme pe care le vom prezenta foarte pe

scurt în continuare :

- excitarea prin ciocniri electronice - folosită în laserii cu gaz, în care în urma descărcării

electrice în mediu gazos în incintă apar ioni şi electroni care prin accelerare în câmp

electric pot excita constituenţii neutri.

- excitarea prin transfer rezonant de excitaţie - ciocniri între două specii de atomi, unii în

stare excitată, iar alţii în stare fundamentală, ciocniri în urma cărora se degajă energie.

- pompaj optic - excitare optică rezonantă a mediului utilizat.

- procese gaz-dinamice - crearea inversiei de populaţie pe cale termică.

- excitarea prin reacţii chimice - crearea inversiei de populaţie utilizând energia degajată

în reacţiile chimice.

- excitarea prin efect Penning - în cazul laserilor ionici prin ciocniri între atomi în stare

metastabilă .

- excitarea prin injecţie - specifică laserilor cu semiconductori.

- excitarea cu fascicule de electroni (bombardament electronic) - prin transferul energiei

electronilor din fascicul către electronii şi golurile reţelei criataline.

3.2. Proprietăţile radiaţiei LASER

Proprietăţile speciale ale radiaţiei electromagnetice emise de maseri şi laseri se

datorează faptului că toţi fotonii produşi prin emisia stimulată apar datorită unui foton

iniţial. Proprietăţile ce deosebesc dispozitivele MASER şi LASER de sursele clasice de

radiaţie (corpurile încălzite, arderea gazelor, descărcări in gaze, emisiunea fosforescentă,

etc.) sunt prezentate mai jos :

- coerenţa spaţială si temporală- definită cu ajutorul fenomenului de interferenţă.

- directivitatea - provenită din faptul că sunt amplificate numai acele unde ce sunt

paralele cu axul rezonatorului optic.

- monocromaticitatea - radiaţia laser are lărgimea foarte îngustă.

- intensitatea - radiaţia laser are intensitate ridicată ( aria fasciculului este foarte mică.)

30

Dispozitivele MASER şi LASER au aplicabilitate în foarte multe domenii. Dintre

aplicaţiile dispozitivelor LASER menţionăm: producerea de plasmă, diagnosticarea

plasmei, separarea izotopilor, aplicaţii în biologie, aplicaţii în metereologie, alinieri şi

controlul maşinilor unelte, telemetrie şi măsurarea vitezelor, standarde de timp şi de

lungime, uzinaj fotonic, măsurători tehnologice nedistructive, fotografia ultrarapidă,

optica integrată, comunicaţii, în medicină, spectrometrie atomică şi moleculară

neliniară.

IV. Teoria laserului

1. Introducere

Considerat iniţial o simplă curiozitate, laserul este astăzi omniprezent şi

indispensabil. În acest an se împlinesc 50 de ani de la inventarea sa. Care să fie punctul

comun între un creion minuscul cu lumină roşie şi unele instalaţii imense de telemetrie?

Răspunsul se află chiar în întrebare: existenţa unei lumini speciale, numite laser,

scrie cotidianul francez La Croix. Celebru acronim englez a cărui semnificaţie –

amplificarea luminii prin emisie stimulată de radiaţii – este destul de obscură (culmea

pentru o lumină!), termenul trimite la o mulţime de noţiuni şi obiecte mai mult sau mai

puţin precise.

Astăzi, laserul este prezent peste tot: în cercetare, medicină, industria de apărare.

Firul cu plumb, imprimanta, aparatul de tăiat metale şi textile, aparatul de sudat, cititorul

de cod de bare, CD şi DVD, paratrăznetul optic, ghidarea rachetelor (a bombelor în

timpul primului război din Irak), scalpelul chirurgical ultrafin (orfalmologie,

dermatologie), efecte speciale, plecând de la imaginile 3D (holograme) în aer şi fără

ecran, săbiile cavalerilor intergalactici în creaţiile SF…, laserul este omniprezent în viaţa

de zi cu zi. Fără a uita ‘laserele naturale’ – unii nori interstelari şi atmosferele planetelor

Venus şi Marte, descoperite recent de astrofizicieni.

Inventat în anii 1960, laserul este un tip special de lumină, diferit de lumina

vizibilă, percepută de ochiul uman. Lumina ‘albă’ a Soarelui, care este suprapunerea

tuturor culorilor curcubeului, este emisă în toate direcţiile, fiind, prin urmare ‘incoerentă’.

Ingeniozitatea laserului constă în selecţionarea atomilor de energie, potenţată prin

31

‘pompaj optic’, apoi prinderea fotonilor între două oglinzi, într-un fel de cutie, până când

alcătuiesc un fascicul. Când acesta este destul de puternic, se formează o rază laser.

‘Lumina laser este mai disciplinată decât cea a soarelui; este un fascicul luminos

îmblânzit, a cărui dispersie este minimă’, spune Evelyne Gil, cercetătoare la Universitatea

Clermond-Ferrand. Un laser are totuşi un randament slab (între 0,01 şi 30%) şi necesită

un mare aport de energie pentru a activa atomii. Conceperea şi punerea în aplicare a

primelor lasere experimentale au durat peste 30 de ani, la cercetări contribuind mulţi

specialişti.

Albert Einstein a avut încă din 1917 intuiţia stimulării emisiei de fotoni. Primul

laser a fost produs în mai 1960 de americanul Theodore Maiman, care a obţinut o rază

roşie cu ajutorul unor rubine.

Inginer la Hughes Aircraft Company din Malibu (California), a obţinut un brevet

şi este considerat ‘părintele industriei electro-optice’. Cunoscută imediat, munca sa a fost

preluată de mari industriaşi, printre care Bell Labs, RCA Labs, IBM, Westinghouse şi

Siemens. Şi-a creat propria întreprindere, a fost de două ori nominalizat la Premiul Nobel

şi a primit prestigiosul Premiu al Japoniei.

Preţioasa descoperire a fost preluată de mediul industrial. Se pune la punct laserul

cu gaz, care nu este astăzi mai mare decât o franzelă: un cilindru de 20 cm lungime şi 4

cm diametru, conţinând un amestec de heliu şi neon. Apar şi primele aplicaţii, printre

care laserul de reperare, adevărat ‘fir cu plumb’ al secolului al XX-lea’. Turnul

Montparnasse de la Paris a fost construit şi prin alinierea a patru fascicule laser heliu-

neon de culoare roşie.

Proprietatea de direcţie precisă a laserului este folosită în telemetrie, pentru a face

măsurători la depărtare. Astfel, astronomii de la observatorul din Nisa-Coasta de Azur au

măsurat cu ajutorul unui laser infraroşu, având diametrul de 1,50 m, distanţa Pământ-

Lună, datorită unor mici oglinzi instalate pe solul lunar de misiuni americane Apollo.

Rezultatul: o distanţa medie de 384.000 km, cu o precizie de 3 mm. Traseul dus-întors

durează 2,6 secunde, iar cercetătorii au constatat că Luna se îndepărtează cu 3-5 cm/an.

Un alt program datorează mult laserului: este cartografierea suprafeţei planetei

Marte, realizată în anul 2000 de altimetrul Mola de la bordul sondei Mars Global

Surveyor. Cu ajutorul a 2,6 milioane de raze laser infraroşii, oamenii de ştiinţă de la

NASA au realizat o hartă de o excepţională precizie verticală şi orizontală. În sfârşit, mai

32

aproape de noi este faimosul ‘radar’ al poliţistului, de fapt o simplă diodă laser cu

infraroşii (invizibile), care măsoară viteza cu o precizie de 0,1 km/h.

Laserele industriale utilizate în metalurgie sunt mai puternice, cu ajutorul

laserelor Nd:YAG sau CO2 se obţin puteri de câteva sute de waţi pe o anumită perioadă

de timp sau de 10.000 W la impulsuri ultrascurte. Cu aceste instrumente, oamenii pot

decupa, străpunge sau suda. Puterea lor merge până la 1 milion de waţi/cm2, cu care se

pot suda două plăci de oţel, de 8 mm grosime, într-un timp mai scurt decât ne ia s-o

spunem.

O aplicaţie specială o constituie utilizarea laserului pentru decaparea faţadelor

monumentelor istorice sau a obiectelor de artă: este mai precis şi mai puţin destructiv

decât jeturile de mare presiune. În privinţa puterilor utilizate în chirurgie, ele sunt mult

mai mici, între 5 şi 50 waţi. Este cazul unui bisturiu laser cu gaz CO2, care poate opera

pe 1 mm2.

În oftalomolgie, un laser cu gaz de aragon şi fluor, de o mie de ori mai fin decât o

lamă de bisturiu, poate decupa 1 micrometru pătrat de cornee pentru corectarea miopiei.

În plus, căldura razei cauterizează vasele sanguine, reducând sângerările. În sfârşit, cu

ajutorul laserelor infraroşii, roşu şi albastru, se pot citi piese muzicale imprimate pe CD

sau DVD. Datorită acestui adevărat caleidoscop de aplicaţii, laserul este astăzi o

tehnologie de care oamenii nu se mai pot lipsi.

2. Prezentare generală

Laserii sunt dispozitive cuantice de emisie şi amplificare a radiaţiei în regiunile

optică şi cea a microundelor ce îşi bazează funcţionarea pe interacţiunea a două sisteme

fizice:câmpul electromagnetic dintr-o cavitate rezonantă şi mediul activ situat în aceeaşi

cavitate rezonantă, format din atomi, ioni, molecule etc.

Prin excitarea mediului printr-un procedeu oarecare (ciocniri electronice,transfer

rezonant de energie, reacţii chimice, câmpuri electrice şi magnetice) în mediul excitat se

acumulează o mare cantitate de energie electromagnetică,care în anumite condiţii poate fi

eliberată prin emisie stimulată,sub forma radiaţiei laser.

2.1. Formarea undei laser. Principiu de funcţionare

“Light amplification by stimulated emission of radiation”-“amplificarea luminii

prin emisia stimulata a radiatiei” este o instalaţie pentru generarea şi amplificarea

33

radiaţiei electromagnetice din domeniul vizibil, bazată pe fenomenul de emisie stimulată

a radiaţiei.Produce un fascicol monocromatic paralel, coerent şi foarte intens.

Dacă emisia stimulată este provocată de o radiaţie exterioară, aceasta va fi

puternic amplificată, laserul funcţionând ca amplificator cuantic de radiaţie; dacă emisia

stimulată este declanşată de primii fotoni emişi spontan în interiorul cavităţii, laserul

funcţionează ca generator cuantic de radiaţie.

Un dispozitiv laser este construit din două sisteme fizice în interacţie: câmpul

electromagnetic dintr-o cavitate rezonantă, respectiv dintr-un resonator optic şi un mediu

activ( situat în aceeaşi cavitate, respectiv în acelaşi rezonator optic ). Atomii, moleculele

sau ionii posedă două nivele energetice, a căror diferenţă de energie corespunde unei

frecvenţe care este în rezonanţă cu una dintre frecvenţele proprii ale cavităţii rezonante,

respectiv ale rezonatorului optic.

Dacă atomii sunt excitaţi pe nivelul energetic superior printr-un mecanism

oarecare, modul electromagnetic din cavitate îi stimulează, atomii transferând energia din

cavitate câmpului electromagnetic din acea cavitate. Energia tuturor atomilor este

convertită în energia unui singur mod pe frecvenţă căruia îi este acordată cavitatea.

Puterea câştigată de o undă electromagnetică la traversarea unui mediu activ este

proportională cu densitatea de energie spectrală, ωw , a undei incidente.

2.2. Poate orice mediu activ cuantic să fie un mediu activ laser?

După cum am văzut în capitolele precedente, laserii au apărut pe o anumită

treaptă a cunoaşterii umane, când înţelegerea fenomenelor legate de natura luminii a

permis stilizarea procesului de emisie stimulată în amplificarea radiaţiilor

electromagnetice.

Deşi Einstein a demonstrat existenţa emisiei stimulate încă din anul 1917,

posibilitatea utilizării ei în amplificarea radiaţiilor electromagnetice a trecut mult timp

neobservată, căci probabilitatea emisiei stimulate pe frecvenţe optice se dovedise a fi

infinit mai mică decât a emisiei spontane.

Renunţând la limitele ce le impunea echilibrul termodinamic acestei analize,

Townes, Basov şi Prohorov au putut exprima în perioada anilor 1951 - 1952 principiile

fundamentale teoretice, ce asigură ca emisia stimulată să se producă cu preponderenţă,

stabilind pentru prima dată modalităţile experimentale capabile să o evidenţieze.

34

Pentru a ne forma o imagine clară asupra cerinţelor ce se impun mediilor cuantice

(medii atomice sau moleculare) utilizate în construcţia dispozitivelor maser şi laser, vom

încerca să stabilim o serie de relaţii cantitative ce derivă din consideraţiile făcute de

Einstein în descrierea proceselor de emisie spontană, absorbţie şi emisie stimulată.

Să considerăm pentru început un sistem cuantic ideal, de tipul sistemului atomic

cu două niveluri energetice presupus anterior.

În situaţia în care între stările energetice 2E şi 1E ale sistemului pot apărea

tranziţii radiative de frecvenţă:

ν =h

EE 12 − (1)

conform teoriei lui Einstein există trei procese distincte ce se manifestă.

1. Emisia spontană - proces aleatoriu în care atomii sau moleculele aflate în starea

energetică superioară 2E revin spontan în starea energetică 1E prin emisia unui foton de

frecvenţă ν . Acest proces aleatoriu este descris de probabilitatea 21A care nu reprezintă

altceva decât inversul timpului petrecut de atomul sau molecula ajunsă în starea

energetică 2E până la revenirea prin emisie spontană în starea energetică 1E :

21A =tan

1

spont (2)

2. Absorbţia stimulată - proces prin care un foton de frecvenţă ν introdus sau existent în

mediul cuantic, determină ca un atom sau o moleculă ce se află în starea energetică

inferioară 1E să treacă în starea energetică superioară 2E . Rata de apariţie a unui astfel

de proces în unitatea de timp este:

12w = )(12 νρB (3)

3. Emisia stimulată - proces prin care sub acţiunea unui foton de frecvenţă ν , un atom

sau o moleculă ce se află în starea energetică superioară 2E este forţat să ajungă în starea

energetică inferioară 1E emiţând un al doilea foton de frecvenţă ν , identic cu fotonul

stimulator. Rata procesului este determinată de o relaţie similară cu relaţia (3) şi anume

21w = )(21 νρB (4)

În general se demonstrează că între coeficienţii Einstein 12B şi 21B există o corelaţie de

forma:

35

1g 12B = 2g 21B (5)

unde 1g şi 2g reprezintă ponderile statistice ce caracterizează stările energetice 1E şi 2E

, fiind o măsură a degenerescenţei acestora.

Ceea ce Townes, Basov şi Prohorov introduc nou în tabloul fenomenelor studiate

de Einstein, este existenţa procesului de “pompaj”, proces prin care echilibrul

termodinamic al sistemului este drastic perturbat, populaţiile nivelurilor energetice

putând căpăta valori arbitrare, ce se abat de la cunoscuta lege a lui Boltzman.

Tranziţia radiativă presupusă între stările 2E şi 1E , nu poate li definită în realitate

prin intermediul unei linii spectrale perfect monocromatice cu o frecvenţă şi lungime de

undă bine determinată, deoarece, există o anumită incertitudine Eδ cu care energia

stărilor implicate poate fi determinată.

Împrăştierea valorilor energetice 2E şi 1E ne determină să definim procesele de

interacţie prin intermediul unei curbe de absorbţie sau emisie de lărgime finită şi a cărei

formă e reprezentată printr-o funcţie de frecvenţă g(ν ).

Astfel presupunînd dν ca reprezentând o abatere infinit mică a frecvenţei de la

valoarea ν , atunci probabilitatea cu care are loc emisia sau absorbţia unui foton de

energie cuprinsă între hν şi h(ν +dν ) va fi determinată de g(ν )dν .

Din punctul de vedere al procesului de emisie stimulată, cele prezentate anterior

revin la faptul că un foton de frecvenţă ν nu va determina cu certitudine un alt foton de

frecvenţă ν , ci un foton de frecvenţă cuprinsă în intervalul ν - (ν +dν ) şi a cărui

probabilitate finită de apariţie va fi g(ν )dν .

Având în vedere aceste consideraţii cât şi rezultatele stabilite în relaţiile (4), (5) şi

(2), rata totală a emisiei stimulate pentru o radiaţie monocromatică de frecvenţă ν va fi:

36

21w (ν ) = tan

3

2

8 sponthc

νπ g(ν ) νI (6)

nude cu νI = c )(νρ (7) s-a notat fluxul de radiaţie sau intensitatea şi în care c reprezintă

viteza luminii prin mediul considerat.

Cunoscând ratele ce descriu cele trei procese implicate de existenţa stărilor energetice şi

considerând 1N şi 2N populaţiile arbitrare ale acestora, putem scrie ecuaţia ce descrie

evoluţia în timp a populaţiei nivelului superior, ca fiind:

dtdN 2 = - 2N 21A +( 12B 1N - 21B 2N ) )(νρ (8)

Deoarece, orice modificare a populaţiei nivelului superior implică emisia sau

absorbţia unui foton de energie hν , cu ajutorul relaţiei (8) putem stabili evoluţia

temporală a densităţii de energie a radiaţiei electromagnetice )(νρ existente în mediu.

Rezultă astfel:

dtd )(νρ

= hν ( - dt

dN 2 ) = hν 21B ( 2N - 1N1

2

gg

) )(νρ + 2N 21A hν (9)

Stabilirea acestei relaţii ne permite deja formularea unor observaţii cantitative

asupra mediilor cuantice în raport cu posibilităţile de utilizare ale acestora în scopul

amplificării sau generării de radiaţii electromagnetice coerente prin emisie stimulată.

Astfel se observă că:

- o radiaţie electromagnetică de frecvenţă ν corespunzătoare tranziţiei dintre cele două

niveluri energetice va fi atenuată sau amplificată după cum expresia ( 2N - 1N1

2

gg

) va fi

mai mică sau respectiv mai mare ca zero; ceea ce revine în ipoteza 2g = 1g ca populaţia

nivelului superior să fie mai mică sau respectiv mai mare decât a nivelului inferior;

- termenul 2N 21A hν ce caracterizează radiaţia provenită prin emisie spontană nu

depinde de densitatea de energie din mediu şi contribuie în cadrul procesului de

amplificare prin emisie stimulată, ca o sursă de zgomot, datorită modului haotic şi fără

nicio corelare de fază în care au loc tranziţiile spontane.

37

După cum se ştie din proiectarea amplificatoarelor de joasă şi înaltă frecvenţă

utilizate în radiotehnică ceea ce interesează în general pe lângă obţinerea amplificării

dorite este şi realizarea unui factor semnal/zgomot cât mai ridicat.

Pentru a satisface acest deziderat în realizarea amplificatoarelor bazate pe

procesul de emisie stimulată, vafi necesar ca pe lângă realizarea inversiei de populaţie

2N - 1N1

2

gg

> 0 (10)

mediul cuantic să fie caracterizat şi printr-o pondere scăzută a emisiei spontane.

Ţinând cont de aceste observaţii şi de faptul că raportul dintre rata proceselor de

emisie stimulată şi rata proceselor de emisie spontană devine supraunitar pentru radiaţiile

electromagnetice situate în domeniul microundelor, rezultă că mediile cuantice cu două

niveluri se pretează în general la realizarea amplificatoarelor şi generatoarelor de

microunde - ceea ce a şi fost confirmat de fapt prin construcţia în 1953 a maserului cu

amoniac.

Utilizarea acestui model simplu de "mediu cuantic şi în generarea radiaţiilor

electromagnetice de frecvenţe optice s-a dovedit nesatisfăcătoare, căci în condiţiile unei

emisii spontane cu probabilitate mult mai mare decât a emisiei stimulate pompajul poate

asigura cel mult egalizarea populaţiilor celor două niveluri şi nicidecum şi inversarea

acestora.

Eşecul înregistrat de Townes în perioada 1959—1961, în realizarea unui

amplificator prin emisie stimulată, între nivelurile 5p şi 3d ale vaporilor de potasiu,

nefiind decât o confirmare a unei concluzii devenită în prezent evidentă.

Primul „maser optic" nu s-a lăsat însă mult aşteptat, căci, pe baza cunoştinţelor de

spectroscopie existente, s-au putut elabora noi modele cuantice mai complexe şi în care

realizarca inversiei de populaţie prin „pompaj" devenea posibilă.

Dintre aceste modele cuantice, cel mai larg răspândite în rândul mediilor active

laser sunt modelele cu trei şi patru niveluri energetice.

Într-o schemă cu trei niveluri energetice, tranziţia stimulată, apare între nivelurile

2E şi 1E , nivelul 3E este folosit, după cum ne putem aştepta, ca intermediar în realizarea

„pompajului" pe starea energetică 2E a atomilor sau moleculelor ce se află iniţial pe

starea energetică 1E .

38

Introducerea nivelului energetic 3E este într-un fel asemănătoare cu introducerea

unei diode redresoare semiconductoare într-un montaj electronic ce vizează obţinerea

unui semnal de curent continuu dintr-un semnal de curent alternativ.

După cum se ştie, dioda are rolul, în acest caz, de a determina ca circulaţia

curentului electric să se producă într-un singur sens, menţinând astfel sarcina electrică

înmagazinată de condensatorul de filtrare al redresorului.

Prin analogie, nivelul 3E va trebui să asigure în procesul de „pompaj” trecerea

atomilor sau moleculelor din starea energetică 1E pe starea energetică E2 la o rată mult

mai mare decât rata caracteristică procesului de revenire prin emisie spontană de la

starea energetică E2 în 1E .

Cum însă în schemele electronice introducerea diodei conduce şi la scăderea

eficienţei prin căderea de tensiune existentă pe diodă, este de aşteptat c a , în baza

aceleiaşi analogii, şi eficienţa unei scheme energetice cu trei niveluri să fie afectată de

diferenţa de energie existentă între stările 3E şi 2E .

Pentru a asigura ca în condiţiile echilibrului termic (situaţie ce caracterizează

sistemul în absenţa „pompajului"), cea mai mare parte a populaţiei totale să se găsească

pe nivelul 1E în cazul schemelor cu trei niveluri, acest nivel este reprezentat, fie de

nivelul fundamental ( 1E = 0E ), fie de un nivel apropiat acestuia pentru care energia 1E

<< kT. La temperatura camerei, kT ≅ 0,025 eV.

Nivelul energetic 3E se alege astfel încât populaţia iniţială a acestuia să fie cât

mai redusă, iar rata de tranziţie de pe acest nivel pe nivelul 2E să fie suficient de rapidă

pentru a nu determina saturarea „pompajului".

Pentru asigurarea inversiei de populaţie impusă de amplificarea prin emisie

stimulată este, de asemenea, necesar ca timpul de viaţă al atomilor sau moleculelor din

starea energetică 2E , să fie suficient de mare, încât pe măsură ce atomii sau moleculele

ce ajung pe starea energetică 2E să nu existe şi un proces de relaxare prin emisie

spontană de rată apropiată..

Astfel de niveluri ce se caracterizează prin timpi de viaţă mari şi pentru care

tranziţiile sunt în general interzise se numesc niveluri metastabile.

39

Primul „maser optic" realizat pe o astfel de schemă energetică a fost „maserul

optic" cu rubin a lui Maiman (1960).

În cazul rubinului artificial, nivelul 3E este reprezentat de fapt prin două benzi de

niveluri energetice foarte apropiate - benzile 4 1f şi 4 2f - existenţa unui pompaj cu

condiţii de selectivitate mai puţin strânse determinând o sporire a eficienţei pompajului

ionilor de crom din starea 24 A pe E2 .

Dezavantajul principal al schemelor cu trei niveluri îl constituie populaţia ridicată

a nivelului 1E .

Pentru a elimina acest inconvenient, a fost elaborată schema cu patru niveluri

energetice, în care starea energetică 1E este astfel aleasă faţă de nivelul fundamental 0E

încât 1E >> kT.

În acest caz, faţă de condiţiile discutate anterior se impune, în vederea asigurării

inversiei de populaţie, ca timpul de viaţă al atomilor sau moleculelor din starea 1E să fie

mult mai mic în comparaţie cu timpul de viaţă al atomilor sau moleculelor din starea

energetică 2E . Altfel spus, este necesar ca nivelul 2E fie un nivel metastabil, iar nivelul

1E să prezinte o rată de relaxare pe nivelul fundamental, 10w , ridicată. Un exemplu tipic

de laser ce utilizează ca mediu cuantic un mediu cu o schemă energetică cu patru niveluri

este laserul cu He-Ne.

În acest caz, atomii de neon aflaţi în starea energetică 2 p ce corespunde stării 1E

vor cădea pe starea fundamentală într-un proces foarte rapid, timpul de viaţă al atomilor

pe starea 1E nedepăşind 810 − sec. Cum timpul de viaţă al nivelului 2s ce corespunde stării

40

2E , este de aproximativ 710 − sec, nivelul 1E denumit şi nivel laser inferior se va menţine

relativ gol în comparaţie cu nivelul laser superior 2E , inversia de populaţie fiind deci

realizată în condiţii mult mai avantajoase decât cele caracteristice schemelor cu trei

niveluri energetice.

Ca o concluzie la cele prezentate, rezultă că din numărul extrem de mare de medii

cuantice vor putea fi utilizate în amplificarea şi generarea de radiaţii electromagnetice

prin emisie stimulată numai acele medii care, pe lângă prezentarea tranziţiilor stimulate

de interes, vor îndeplini şi condiţiile impuse pentru timpii de viaţă şi ratele de relaxare ale

nivelurilor energetice corespunzătoare.

2.3 Condiţia de prag - condiţia laser

Aproape toate consideraţiile făcute până în prezent asupra proceselor de interacţie

a radiaţiei cu materia au condus la stabilirea unor metode şi relaţii energetice suficient de

complexe, pentru a ne permite formularea unei teorii capabile să descrie, într-o primă

etapă, funcţionarea dispozitivelor laser.

Această teorie, denumită şi teorie energetică, prin natura relaţiilor fundamentale

ce o generează, ne va permite punerea în evidenţă a principalelor aspecte ce

caracterizează amplificarea şi generarea de radiaţii electromagnetice prin emisie

stimulată.

Să considerăm deci, pentru început, cazul unei radiaţii electromagnetice ce se

propagă sub forma unei unde plane monocromatice de frecvenţă ν şi intensitate νI ,

printr-un mediu cuantic ideal definit ca şi în cazurile anterioare de cele două stări

energetice 1E şi 2E şi densităţile de populaţie 1N şi 2N corespunzătoare acestora.

Conform celor stabilite la prezentarea proceselor fundamentale de interacţie a radiaţiei

electromagnetice cu materia, între cele două stări energetice vor putea apărea 2N w

tranziţii stimulate pe unitatea de timp şi de volum, datorate emisiei stimulate şi 1N w

tranziţii stimulate datorate absorbţiei.

Cunoscând că fiecărei tranziţii stimulate i se asociază emisia sau absorbţia unui

foton, putem exprima puterea generată în interiorul volumului unitate, ca fiind:

volumP = ( 2N - 1N )whν (11)

41

Radiaţia electromagnetică astfel obţinută este însumată coerent (cu o relaţie de

fază definită), la radiaţia ce parcurge mediul, dcterminând ca în absenţa unui mecanism

de disipare, intensitatea să crească cu lungimea parcursă, conform relaţiei:

dzdI = ( 2N - 1N )whν (12)

unde z reprezintă coordonata de pe axa Oz a unui sistem cartezian de coordonate şi unde,

pentru simplificarea exprimării matematice, direcţia de propagare a undei plane

monocromatice presupuse iniţial este dată tot de această axă.

Ecuaţia (12) admite în general o soluţie de forma:

νI (z)= νI (0) ze )(νγ (13)

în care prin νI (0) s-a notat intensitatea radiaţiei electromagnetice în planul z = 0, iar prin

)(νγ coeficientul de câştig sau de atenuare exponenţială a radiaţiei, după cum 2N este

mai mare sau respectiv mai mic în raport cu 1N .

Folosind expresia (6) ce defineşte rata tranziţiei stimulate şi relaţiile (12) şi (13)

care au servit la definirea lui )(νγ vom putea exprima câştigul exponenţial pe unitatea de

lungime sub forma:

)(νγ =( 2N - 1N1

2

gg

) tan

3

2

8 sponthc

νπ g(ν ) (14)

Se obţine astfel o relaţie care. în condiţiile exprimării explicite a funcţiei g(ν ) de

procesele ce o determină, ne va permite o evaluare a proprietăţilor amplificatoare ce

caracterizează mediul cuantic considerat.

Să vedem deci, în continuare, care sunt principalele procese fizice ce conduc la

lărgirea liniilor de absorbţie sau emisie ale mediului şi cum se regăsesc acestea în forma

explicită a funcţiei g(ν ).

După cum se ştie de la studiul efectului Doppler din acustică, un receptor

înregistrează o variaţie de frecvenţă a semnalului emis de sursă, atunci când sursa şi

receptorul îşi modifică poziţia relativă apropiindu-se sau depărtându-se cu o viteză dată.

Un proces similar poate fi pus în evidenţă şi în cazul unui mediu cuantic gazos,

unde mişcarea relativă a atomilor sau moleculelor determină o modificare a frecvenţelor

implicate în procesele de absorbţie sau emisie stimulată şi, prin urmare, o lărgire a liniei

faţă de lărgimea sa. naturală.

42

Dependenţa funcţională a frecvenţei de tranziţie ν a unui atom (sau molecule)

aflat în mişcare, de frecvenţa de tranziţie în condiţii staţionare 0ν va fi:

ν = 0ν +cvz

0ν (15)

unde zv reprezintă componenta vitezei cu care se deplasează atomul în lungul direcţiei ce

leagă observatorul cu atomul în inişeare, iar c viteza luminii î n mediu.

Într-un mediu gazos de masă atomică (sau moleculară) M aflat în echilibru termic

la temperatura T , vitezele cu care se deplasează fiecare atom sunt descrise de o funcţie

de distribuţie:

f( xv , yv , zv ) = 23

2

kTMπ

( )

++− 222

2 zyx vvvkTM

e (16)

unde cu vx, vy, vz s-au notat componentele de viteză după axele Ox, Oy, Oz ale unui

sistem de coordonate cartezian, folosit în definirea spaţială a mediului.

Distribuţia astfel menţionată este cunoscută sub denumirea de distribuţie

maxwelliană şi ne permite să determinăm numărul de atomi sau molecule pentru care

vitezele pe direcţiile x, y, z sunt corespunzător cuprinse între vx şi vx + dvx, yv şi yv + dvy,

zv şi zv +dvz, ca fiind f( xv , yv , zv )dvxdvydvz.

Cum între viteza de deplasare a fiecărui atom sau molecule şi frecvenţa tranziţiei

stimulate observate există o dependenţă funcţională stabilită de relaţia (15), e de aşteptat

ca la definirea formei liniei g(ν ) să-şi aducă contribuţia individuală fiecare atom.

Un proces similar ce conduce la împrăştierea frecvenţei tranziţiilor stimulate sub

acţiunea individuală a atomilor din mediu poate fi întâlnit şi în cazul mediilor solide în

acest caz, împrăştierea frecvenţei tranziţiei stimulate este datorată vecinătăţii strânse a

atomilor din mediu, ce perturbă nivelurile energetice ale fiecărui atom prin prezenţa

câmpurilor electrice puternice caracteristice.

Astfel de procese, în care lărgirea liniei tranziţiei stimulate este rezultatul acţiunii

individuale a fiecărui atom sau molecule din mediu sunt denumite procese de lărgire

inomogenă.

Există şi procese ce determină lărgirea omogenă a liniilor î n care contribuţia

individuală a atomilor nu mai poate fi sesizată.

43

Un astfel de proces este pus în evidenţă cu uşurinţă într-un mediu gazos cu

densitate atomică suficient de ridicată pentru ca ciocnirile dintre atomii constituenţi să

reprezinte fenomenul predominant. Natura aleatoare a ciocnirilor impune în acest caz

definirea unei probabilităţi ce caracterizează distribuţia statistică a deplasărilor de

frecvenţă rezultate,la lărgirea liniei aducându-şi contribuţia toţi atomii din mediu în

ansamblu.

Fizica teoretică stabileşte că o linie lărgită inomogen are formă gaussiană, iar o

linie lărgită omogen o formă lorentziană. Formele relative ale acestor două curbe sunt

reprezentate în figură.

Forma liniilor Lorentz şi Gauss

În cazul lărgirii inomogene prin efect Doppler, expresia funcţiei g(ν ) se poate determina

relativ uşor dacă se ţine cont că g(ν )dν reprezintă probabilitatea existenţei frecvenţei de

tranziţie în intervalul de frecvenţă ν şi ν +dν şi că între frecvenţa observată a tranziţiei

şi viteza unui atom sau molecule ce satisface distribuţia maxwelliană există legătura

definită prin relaţia (15).

44

Presupunând că cititorii pasionaţi de mânuirea calculului matematic vor încerca să

rezolve singuri această demonstraţie, vom prezenta în continuare expresia ce se obţine

pentru g(ν ) în acest caz, ca fiind:

g(ν ) = ( )νπ

π∆

2ln2

∆−

−2

0

2/ννν

(17)

şi în care ν∆ reprezintă lărgimea de bandă a liniei, definită între frecvenţele la care g(ν )

scade la jumătate din valoarea de vârf Fg( 0ν ).

Pentru un mediu atomic de masă M:

ν∆ = c

02νM

kT 2ln2 (18)

În cazul unui proces colizional, se demonstrează că g(ν ) este reprezentat de o

curbă lorentziană de forma:

g(ν ) = ( )

∆+−

∆2

20 2

2 νννπ

ν

(19)

unde ν∆ reprezintă lărgimea de bandă a liniei ce depinde de intervalul de timp τ între

două ciocniri, conform relaţiei:

ν∆ = π τ1

(20)

Din analiza relaţiilor (17) şi (19) se observă că atât în cazul lărgirii inomogene,

cât şi în cazul lărgirii omogene, valoarea de vârf a liniei g( 0ν ) va fi proporţională cu ν∆1

.

Astfel, conform relaţiei (14) câştigul maxim în mediul considerat va fi cu atât mai

ridicat cu cât inversia de populaţie între stările energetice 1E şi 2E va fi mai mare, şi

lărgimea de bandă a tranziţiei stimulate va fi mai îngustă.

De asemenea, se poate observa că în cazul unei linii lărgită Doppler datorită

dependenţei invers proporţionale cu 3ν a câştigului, este de aşteptat ca pentru valori ce se

situează la limita spectrului electromagnetic (cazul radiaţiilor X şi γ ) condiţiile ce se

impun în realizarea inversiei de populaţie să devină mult mai severe.

45

După cum se ştie din radiotehnică, orice amplificator poate fi transformat într-un

oscilator prin aplicarea unei bucle de reacţie adecvate între intrarea şi ieşirea acestuia.

Funcţionarea unui astfel de oscilator poate fi reprezentă ca în figura de mai jos,

unde prin conectarea în buclă închisă a unui amplificator un filtru şi un limitator de

amplitudine se obţine generarea unei unde de frecvenţă şi amplitudine constantă.

Schemă bloc ce descrie funcţionarea unui oscilator electronic

Prin această analogie, schema propusă de Townes şi Schawlow în 1958 pentru

generarea de radiaţii electromagnetice prin emisie stimulată se explică foarte simplu, dacă

ţinem cont că zgomotul „alb” existent în sistemele electronice este înlocuit de zgomotul

datorat emisiei spontane, filtrarea este asigurată de caracteristica selectivă a rezonatorului

în care este amplasat mediul cuantic, iar amplificarea şi limitarea sunt obţinute prin

emisia stimulată şi saturarea câştigului în acest mediu.

Pentru ca sistemul astfel realizat, să permită generarea de unde electromagnetice

prin emisie stimulată, este necesar să fie îndeplinită o condiţie de oscilaţie similară cu cea

existentă în teoria oscilatoarelor electronice.

În cazul laserilor, o astfel de condiţie se numeşte „condiţie de prag” şi stabileşte

inversia critică de populaţie ce permite amorsarea oscilaţiilor.

Condiţia de prag se obţine prin egalarea de către amplificarea în mediu laser a

pierderilor existente în sistem.

Pierderile ce există într-un dispozitiv laser sunt cauzate în principal de:

- transmisia, absorbţia şi împrăştierea pe oglinzile rezonatorului;

- absorbţia şi împrăştierca în mediu activ laser datorată existenţei altor nivele energetice

sau impurităţilor prezente în mediu.

46

Pentru stabilirea pierderilor astfel menţionate, să considerăm că mediul laser

cuprins între oglinzile rezonatorului este caracterizat într-o primă aproximaţie numai prin

pierderile pasive în acesta, şi nu şi de câştigul pe unitatea de lungime stabilit anterior.

În acest caz, o undă plană de intensitate unitate se va întoarce după o trecere dus

şi întors între oglinzile rezonatorului, cu o intensitate:Lerr α2

21− (21)

unde 1r şi 2r reprezintă reflectivităţile celor două oglinzi ale rezonatorului,α un coeficient

exponenţial ce ţine cont de pierderile în mediu pe unitatea de lungime, iar L distanţa ce

separă între ele oglinzile rezonatorului.

Cunoscînd timpul cL2

în care intensitatea undei presupuse iniţial a scăzut la valoarea

Lerr α221

− şi exprimând atenuarea rezultată ca o scădere exponenţială cu o constantă de

timp:

fotont1

= [ ]L

cerr L

21 2

21α−− (22)

se poate defini, că scăderea intensităţii radiaţiei ce străbate mediul în unitatea de timp va

fi:

pierderidtdI

=fotontIν (23)

Acţiunea laser va apărea atunci când câştigul în mediu activ laser va egala şi

depăşi pierderile totale din sistem, deci se va îndeplini condiţia

castigdtdI

- pierderidt

dI

≥ 0 (24)

Ţinînd cont de relaţiile (23), (12), (14) se obţine astfel pentru ν = 0ν :

( 2N - 1N1

2

gg

) ≥foton

spon

tgct

)(8

03

20tan

ννπ

≡ cN (24)

Identitatea din termenul drept al inegalităţii (24) defineşte inversia minimă de

populaţie cN necesară asigurării într-un mediu activ laser a regimului de funcţionare

oscilant.

47

Cunoaşterea inversiei de populaţie minime sau critice ne permite să apreciem prin

intermediul puterii minime de pompaj eficienţa schemelor energetice prezentate cu ocazia

stabilirii caracteristicilor unui mediu laser.

În cazul schemei cu trei niveluri, deoarece 1E << kT populaţia nivelului 1E poate

fi considerată ca reprezentând jumătate din numărul total de atomi 0N existenţi în sistem.

Cum 2N - 1N = cN , iar densitatea de populaţie critică se poate considera mult mai

mică decât densitatea de populaţie totală, rezultă:

2N ≅2

0N

Astfel puterea minimă de pompaj pentru un laser cu trei niveluri va fi:

( ) niveluriP −3 ≅2

0

2τν VhN (25)

unde V reprezintă volumul ocupat de mediu laser, iar 2τ timpul de viaţă mediu al

atomilor aflaţi pe nivelul laser superior 2E .

Printr-un raţionament similar, în cazul laserului cu patru niveluri, pentru care cN

≅ 2N se obţine:

( ) niveluriP −4 ≅22τν VhN c (26)

Pentru a putea compara eficienţa celor două scheme, vom considera pentru exemplificare

că într-un laser cu mediu activ solid densitatea critică de populaţie şi densitatea de

populaţie sunt de ordinul 1610 3−cm , respectiv 1810 3−cm .

Înlocuind în relaţiile (25) şi (26) aceste valori, se obţine:

( ) niveluriP −4 ≅ 0,01 ( ) niveluriP −3 (27)

Astfel, în condiţiile aceleiaşi puteri de ieşire, laserii cu patru niveluri se dovedesc

a fi de aproximativ o sută de ori mai eficienţi decât laserii cu trei niveluri.

48

V. Tipuri de laseri

1. Clasificarea laserilor

Laserele se pot clasifica după criterii diferite:

1. Starea de agregare a materiei a mediului activ: solid, lichid, gaz, sau plasmă.

2. Domeniul spectral a lungimii de undă laser: spectrul vizibil, spectrul infra-roşu (IR), etc.

3. Metoda de excitare (pompaj) a mediului activ: pompaj optic, pompaj electric, etc.

4. Caracteristicile radiaţiei emise de laser.

5. Numărul nivelelor de energie care participă la efectul laser.

2. Laseri cu mediu activ solid

- Laserul cu rubin ( 32OAl cu impurităţi de +3Cr ), laser cu trei nivele, emite o radiaţie cu

lungimea de undă de 694,3 nm.

- Laserul cu patru nivele, laserul cu ioni de neodim introduşi ca impurităţi în cristalul de

1222 OAlY .

- Laserul cu sticlă dopată cu neodim.

Aceşti laseri lucreză în general în impulsuri de ordinul milisecundelor eliberând energii

cuprinse între 0,1 şi 100 J. Laserii cu mediu activ solid pot fi folosiţi pentru obţinerea

impulsurilor optice ultrascurte, cu intensitate de milioane de waţi pe durate de ordinul

nanosecundelor.

- Laserii cu semiconductori.

La aplicarea unei tensiuni electrice pe o joncţiune p-n, are loc injecţia de purtători

în joncţiune, recombinarea electronilor cu golurile făcându-se cu emisie de fotoni.

Mediile active cele mai folosite pentru laserii cu semiconductori sunt: GaAs,

GaAlAs , GaP, InSb. Liniile emise de diferiţii laseri cu semiconductori se întind între 0,3

- 30 micrometri.

2.1. Laserul cu rubin

După publicarea lucrării în care Shawlow şi Townes arătau posibilitatea acţiunii

laserului şi în spectrul infraroşu şi chiar şi în spectrul vizibil nu a trecut mult şi mulţi

cercetători au început să ia in considerare crearea unor astfel de aparate. Mulţi experţi

credeau că primele aparate de acest tip vor folosi un gaz. Însa a fost o mare surpriză când

49

Maiman, în 1960, a creat un aparat ce folosea rubinul pentru a produce efectul laser în

spectrul vizibil.

La început s-a crezut ca pompajul optic va fi ineficient, însă aceasta se întampla

numai pentru ioni cu rezonanţă mică, ca cei din gaze sau plasmă. În ceea ce priveste ionii

metalici, aceştia pot absorbi radiaţii de lungimi de undă aflate într-o bandă mai largă.

Radiaţiile cu lungimi de undă de 550 nm sunt absobite de o populaţie de ioni de

Cr 3+ aflată într-un cristal de corindon (care conţine Cr203 şi Al203 în raport de masă

1:2000), apoi se face o tranziţie rapidă, fără modificări de temperatură, spre un nivel

inferior metastabil de 5 milisecunde. Dacă energia de pompare depaşeşte o anumită

valoare, se poate face o inversie a populaţiilor, care să treacă de la o stare neutră la acest

nivel metastabil. Performanţele laserului cresc mult dacă se află în interiorul unui

rezonator optic.

Primul laser optic, construit de Maiman în 1960, era un laser cu pulsaţie, din

motive de disipare a căldurii şi a necesităţii unei energii mari de pompare. Nelson şi

Boyle au creat în 1962 primul laser continuu cu rubin, înlocuind sursa (o lampă-bliţ) cu o

lampă cu arc.

La puţin timp după ce a fost anunţată prima reuşită a laserului optic, alte

laboratoare de cercetare au început şi ele, cu succes, să facă experimente cu lasere optice

care în loc de Cr aveau alte metale rare ca Nd, Pr, Tm, Ho, Er, Yb, Gd şi chiar U, iar în

locul cristalului de corindon s-a încercat folosirea unei combinaţii de Ytriu-Aluminiu-

Garnet, CaF2, sau sticlă (care era şi mai uşor de fabricat). Aceste lasere şi-au găsit, odată

cu îmbunătăţirea metodelor de fabricaţie, şi aplicaţii practice.

50

Laserul cu rubin

Laserul cu rubin este alcătuit, în principal, dintr-un cristal cilindric de rubin, două

oglinzi paralele, argintate sau aurite şi un tub de descărcare, în formă de spirală, umplut

cu un gaz nobil şi conectat la un condensator de mare capacitate . Dupa cum se stie,

rubinul este un oxid de aluminiu care conţine mici cantităţi de ioni de crom. Cilindrul de

rubin utilizat are lungimea de câţiva centimetri şi diametrul de câţiva milimetri. Cele

două oglinzi plane şi paralele, şlefuite cu mare grijă, sunt argintate sau aurite în aşa fel

încât una dintre ele este complet opacă, iar cealaltă parţial transparentă, ca să poată

permite razelor laser să părăsească instalaţia. Ele sunt aşezate la capetele cilindrului de

rubin, uneori se metalizează chiar capetele cilindrului. Tubul de descărcare, în formă de

spirală, umplut cu neon, xenon sau amestecuri de neon şi cripton este conectat la un

condensator şi funcţionează asemenea blitz-urilor de la aparatele fotografice. Tubul de

descărcare emite într-un timp foarte scurt, de ordinul miimilor de secundă, o lumina

obişnuită, dar intensă, care provoacă inversiunea populaţiilor în cristalul de rubin. În

desfăşurarea acestui proces o importanţă deosebită o au impurităţile de crom înglobate în

cristalul de rubin. Ionii de crom au trei nivele energetice pe. În stare normală, ionii de

crom au energia E1 corespunzătoare nivelului inferior. Studiul nivelelor energetice ale

cromului arată că dacă se iradiază cristalul de rubin cu lumina produsă de tubul de lumină

verde cu lungimea de undă egală cu 0,560 µ m, o parte din ionii de crom din starea

normală îşi vor mări energia datorită absorbţiei radiaţiei verzi, trecând într-o stare

energetică superioară E3. În acest caz ionii de crom de pe nivelul E1 pot trece prin pompaj

optic pe nivelul E3.

Laserul cu rubin, laserul cu patru nivele şi laserul cu sticlă dopată cu neodim

lucrează în general în impulsuri de ordinul milisecundelor eliberând energii cuprinse între

0,1 şi 100 J. Laserii cu mediu activ solid pot fi folosiţi pentru obţinerea impulsurilor

optice ultrascurte, cu intensitate de milioane de waţi pe durate de ordinul nanosecundelor.

51

Rubinul este un cristal sintetic de Oxid de Aluminiu (Al2O3), şi este foarte

familiar în viaţa cotidiană ca o piatră preţioasă pentru bijuterii.

Structura chimică a rubinului este Al2O3 (care este denumit Safir), cu impurităţi de

aproximativ 0,05% (ca greutate) de ioni de Crom (Cr+3).

Ionul activ este Cr+3, care înlocuieşte atomul de Al din cristal. Ionul impuritate de

Cr+3 este responsabil pentru nivelele de energie care participă în procesul laser.

Nivelele de energie ale laserului cu rubin

Diagrama nivelelor de energie ale laserului cu rubin este descrisă în figura :

Diagrama nivelelor de energie pentru laserul cu rubin

Acest sistem este un laser cu trei nivele de energie cu tranziţiile laser înte E2 şi E1.

Excitarea ionilor de crom este realizată cu pulsuri de lumină de la o lampă flash (în

general cu Xenon).

Ionii de crom absorb lumina cu lungimile de undă în jurul valorii de

545nm(500÷600 nm). Ca rezultat ionii sunt transferaţi pe nivelul de energie excitat E3.

De pe acest nivel de energie ionii sunt atraşi în jos pe nivelul de energie

metastabil E2 printr-o tranziţie ne-radiativă. Energia eliberată în această tranziţie

neradiativă este transferată vibraţiei cristalului şi schimbată în căldură care trebuie scoasă

afară din sistem.

Timpul de viaţă pe nivelul metastabil (E2) este în jur de 5 ms.

Laserul cu rubin are o altă bandă de absorbţie ce poate fi utilizată pentru pompaj,

în domeniul spectral: 350 - 450 nm

52

Este dificil de realizat funcţionarea laserului cu rubin în undă continuă deoarece

acesta este un laser cu trei nivele. Totuşi, în 1962, prin utilizarea pompajului foarte

intens, utilizând o lampă cu arc cu presiune mare de vapori de mercur, a fost construit un

laser cu rubin în undă continuă.

Lungimea de undă emisă de laserul cu rubin este în domeniul spectral vizibil al

ochiului.

Deoarece ochiul este transparent la acestă lungime de undă, această radiaţie este

periculoasă pentru ochi.

Funcţionarea laserului cu rubin

Lampa flash este cea care primeşte energie de la un capacitor ce se descarcă.

Durata de descărcare este de ordinul microsecundelor, în felul acesta durata

pulsului luminos de excitaţie dat de lampa flash este de acelaşi ordin de mărime. Deci,

durata pulsului de radiaţie la ieşirea laserului cu rubin este de ordinul microsecundelor.

Unii fotoni sunt emişi prin emisie spontană în urma tranziţiei dintre nivelele de

energie E2 pe E1.

Datorită inversiei de populaţie dintre aceste două nivele de energie, aceşti fotoni

emişi spontan determină alţi fotoni ce vor fi emişi prin emisie stimulată.

Controlul direcţiei radiaţiei emise, este determinată de proprietăţile cavităţii

optice, şi de cuplorul de ieşire. Numai fotonii care sunt emişi de-a lungul axei laserului

vor cotinua să se întoarcă constrânşi de oglinzile cavităţii optice. Deci ei vor stimula din

ce în ce mai mulţi fotoni ce vor fi emişi pe direcţia axei.

Cantitatea de energie emisă în fiecare puls, este determinată de mediul activ şi de

sistemul de excitare.

Rubinul – Primul laser

Laserul cu rubin este un laser care funcţionează într-un domeniu foarte îngust al

parametrilor.

Laserul cu rubin este un laser cu trei nivele, şi el este o surpriză că a fost primul

laser făcut de om în istorie.

Deoarece în realitate, concret după primul articol publicat de Towns & Schawlow

a fezabilităţii efectului în spectrul vizibil, multe laboratoare de cercetare au investigat cu

efort realizarea primului laser. Prezumţia comună a fost că pompajul optic este ineficient

deoarece aceştia erau gândiţi ca gaze, şi ca în explicaţiile anterioare, lăţimea absorbţiei

53

spectrale în gaze este foarte îngustă. Aceştia, cu toate că pompajul lor cu o sursă cu bandă

largă cum ar fi o lampă flash, ar fi foarte ineficient, cea mai mare parte a energiei de

excitare nu va fi absorbită, şi inversia de populaţie nu va fi realizată.

Barele de rubin mici au un diametru în jur de 6 mm, şi lungimea în jur de 7 cm.

Barele de rubin mari au un diametru în jur de 20 mm, şi 20 cm în lungime.

În figura următoare este descrisă schema primului laser cu rubin construit de Theodore

Maiman.

Descrierea schematică a primului laser cu rubin

Cum cristalul de rubin este o bijuterie, povestea spune că nevasta lui Maiman

avea la gâtul ei unul când ei veneau la conferinţă.

Rezumatul laserului cu rubin

Conform clasificării în grupe:

• Laser cu corp solid.

• Emite radiaţie în domeniul roşu al spectrului vizibil.

• Pompaj optic.

• Radiaţia este emisă în pulsuri.

• Laser cu trei nivele.

2.2. Laserul semiconductor

Sunt cele mai compacte lasere, care sunt formate din joncţiuni între

semiconductoare cu propietăţi electrice diferite. Arsenidiu de galiu este cel mai comun

semiconductor folosit.

54

Mediul semiconductoarelor este excitat prin aplicarea directă de-a lungul

joncţiunii. Aceste tipuri de laser, oferă cea mai mare putere la ieşire în impulsuri de

lumină (cu durata 12 X 10 15 secunde) şi sunt folosite în studiul fenomenelor fizice de

durată scurtă. Excitarea atomilor din mediul laser solid se face prin descărcări electrice în

tub cu xenon, arcuri electrice sau lămpi cu vapori de metal. Gama de frecvenţă a luminii

laserului, trece de la infraroşu la violet. La aplicarea unei tensiuni electrice pe o joncţiune

p-n, are loc injecţia de purtători în joncţiune, recombinarea electronilor cu golurile

făcându-se cu emisie de fotoni. Mediile active cele mai folosite pentru laserii cu

semiconductori sunt: GaAs, GaAlAs, GaP, InSb. Liniile emise de diferiţii laseri cu

semiconductori se întind între 0,3-30 micrometri.

Laserul cu semiconductori este constituit ca şi celelalte tipuri de laser tot pe

şablonul mediu activ, sistem de excitare, rezonator optic. În acest caz un amestec

semiconductor este folosit ca mediu activ. Cel mai adesea se folosesc combinaţii de

elemente din aceleaşi perioade ale grupelor III-a şi V-a. Dintre acestea semiconductorul

cel mai folosit este cel format din Galiu si Arsen (GaAs). Alte medii active au fost

55

obţinute atât din amestecuri ale elementelor grupelor IIa şi VI- a (Zinc şi Seleniu – ZnSe)

cât şi din amestecuri de trei sau patru elemente. Ultimele două sunt mai des folosite

pentru emisia unor radiaţii mult mai precise din punct de vedere al lungimii de undă.

Sistemul de excitare este constituit din două straturi de semiconductori, unul de

tip p şi unul de tip n. Pentru a întelege mai bine aceste două noţiuni trebuie amintite

câteva considerente teoretice cu privire la fizica solidului, în special principiul

semiconductorilor.

Semiconductorii sunt o clasă de materiale larg folosită în electronică datorită posibilităţii

controlului proprietăţilor electrice. Rezistivitatea electrică a unui semiconductor scade

odată cu creşterea temperaturii iar valoarea ei poate fi modificată în limite foarte largi

(10-2 – 108 Ω cm). Într-un semiconductor foarte pur, conductibilitatea electrică este dată

de electronii proprii, numită şi conductibilitate intrinsecă, iar în cazul materialelor

impurificate avem de-a face cu o conductibilitate extrinsecă. Conductibilitatea

intrinsecă poate fi explicată pe scurt astfel. La 0 K, electronii sunt aşezaţi în legaturile

covalente formate între atomii semiconductorului intrinsec. Odata cu creşterea

temperaturii unii electroni se rup din legături fiind liberi să circule în tot volumul

cristalului. Se produce un fenomen de ionizare, iar în locul electronului plecat rămâne un

gol. Imediat el se ocupă cu un alt electron ălăturat, golul se deplasează o poziţie. Dacă

aplicăm un câmp electric în semiconductor, electronii liberi se vor mişca în sens invers

câmpului, dar şi golurile vor forma un curent pozitiv de acelaşi sens cu câmpul. Cel mai

interesant fenomen îl reprezintă modificarea spectaculoasă a rezistivităţii electrice a

semiconductorilor prin impurificare. Astfel, dacă din 105 atomi de siliciu unul este

înlocuit cu un atom de bor, rezistivitatea siliciului scade, la temperatura camerei, de 1000

de ori. Impurificarea reprezintă o problemă specifică şi fundamentală a fizicii şi

tehnologiei semiconductorilor. Dacă impurificăm germaniul (grupa IV-a, patru electroni

de valenţă) cu un element din grupa a V-a (cinci electroni de valenţă) vom obţine un

amestec cu un electron de valenţă liber. Această impuritate constituie un donor.

Semiconductorul astfel impurificat este de tip n, iar nivelul său de energie este mai

aproape de zona de conducţie. Dacă impurificarea este facută cu atomi din grupa a 3-a

(trei electroni de valenţă), acesta se va integra în reţeaua cristalină cu doar trei legaturi

covalente, rămânând, deci, un gol capabil de a captura electroni în jurul atomului

trivalent. Din această cauză atomii acestui tip de impurităţi au primit numele de acceptori.

56

Într-un semiconductor astfel impurificat vor predomina sarcinile pozitive, de unde

numele de semiconductor de tip p. Jonctiunile p – n sunt ansambluri formate prin alipirea

unui semiconductor de tip p cu unul de tip n . Zona de separare, interfaţa, are mărimi de

ordinul 10-4 cm. La suprafaţa semiconductorului n apare un surplus de electroni iar la

suprafaţa semiconductorului p un surplus de goluri. Astfel apare tendinţa de compensare

a acestora prin difuzia electronilor de la un semiconductor la celalalt.

Construire. Consideraţii practice

Revenind la laserul cu semiconductori, având stabilită o bază teoretică minimală

putem trece la detalierea practică a principiilor enunţate anterior.

Laserul cu conductori este, de fapt, un sandwich format din 3 straturi de

semiconductori la care se adaugă elementele sistemului de excitare. La acest tip de laser

energia necesară excitării sistemului de atomi din mediul activ cât şi factorul declanşator

sunt date de curentul electric care se aplică, conform figurii. Datorită faptului că acest

sandwich corespunde modelului clasic de diodă, de aici încolo se va folosi si termenul de

diodă.

Randamentul unei astfel de diode este în jurul a 30% dar amplificarea este destul

de mare. Curentul necesar trebuie să aibă o densitate de câteva mii de amperi pe

centimetru dar având în vedere că o diodă laser are mărimi foarte mici, curentul necesar

este adesea sub 100mA. Pentru a obţine rezultate satisfăcătoare, în practică se folosesc

mai multe straturi decât se prezintă în figură. Cât priveşte stratul activ, lungimea lui nu

depăşeşte 1 mm, iar grosimea sa este, în funcţie de model, de la 200 până la 10 nm. În

general grosimea stratului activ variază între 200 şi 100 nm. Datorită faptului că este atât

57

de subţire, fascicului emis este foarte divergent (pentru un laser) şi astfel laserul cu

semiconductori se bazează foarte mult pe rezonatorul optic ce trebuie ales cu mare grija şi

trebuie poziţionat foarte precis pentru a obţine performanţe maximale. De obicei un

sistem format din două lentile plan-convexe poziţionate cu feţele convexe una spre

cealaltă la anumite distanţe calculabile este suficient pentru a obţine un fascicul destul de

bine colimat cu razele aproape perfect paralele.

Din desenul de mai sus se poate observa ca emisia laser se face în două direcţii.

Acest fenomen este tratat în mod diferit in funcţie de necesităţi. Se poate crea o cavitate

rezonantă prin poziţionarea unei oglinzi perfecte şi a uneia semitransparente, se poate

folosi emisia “din spate” pentru a măsura proprietăţile fasciculului principal, se poate

folosi aceeaşi emisie din spate pentru a măsura şi controla curentul ce trece prin diodă.

Diodele laser sunt foarte sensibile la curenţi şi de aceea controlul strict asupra

acestora este absolut necesar. Uneori este necesară doar o variaţie mică a tensiunii sau a

puterii şi dioda se va arde. Mai jos

este un prezentat un montaj clasic de diodă cu posibilitate de control a curentului.

Diodele laser sunt poate, cele mai fragile dispozitive de emisie laser. Faptul că

stratul activ are, de fapt, mărimea unei bacterii este cel ce stă la baza afirmaţiei

anterioare. Acest strat poate fi uşor distrus prin supunerea la curenţi neadecvaţi, prin

influenţe electrostatice, prin încălzire excesivă. Stratul activ se poate autodistruge chiar şi

fără prezenţa vreunuia din factorii enumeraţi mai sus. Simpla emisie a luminii poate

vaporiza acest strat minuscul dacă lumina emisă este prea puternică.

58

O diodă, deşi minusculă, poate dezvolta puteri ale luminii de până la 3-5 mW.

Deşi sunt mai rare şi mult mai scumpe, diodele ce dezvoltă zeci de mii de mW există şi se

găsesc în inscriptoarele de CD şi în alte instrumente şi aparate de profil. În ceea ce

priveşte divergenţa fasciculului, în prezent, majoritatea pointerelor reuşesc performanţa

de a păstra divergenţa la sub 1 mm la fiecare 5 metri. Spectrul de culori acoperit de laserii

cu semiconductori este în zona roşie 630-780 nm dar nu este limitat numai aici.

Laseri verzi sau chiar albaştri există şi sunt intens cercetaţi. Problema este că

diodele de verde şi albastru au o viaţa efemeră (cele mai performante ating doar câteva

sute de ore) şi funcţionează la temperaturi scăzute (apropiate de 0 K). Faţă de clasicul

GaAs (care emite în roşu-IR), pentru laserii albaştri se preferă ZnSe şi GaN. Primul a fost

exclus treptat din cercetări datorită rezistivităţii mari, consumului mare de energie,

randamentului mic şi a multor altor factori descoperiţi experimental. Ultimele cercetări

s-au concentrat pe GaN, iar de când prof. Shuji Nakamura a realizat primul montaj

practic şi fiabil pentru generarea laserului albastru, cercetările au luat amploare. Un fapt

inedit, la data realizării diodei pentru laserul albastru, în 1993, Shuji Nakamura nu avea

nici măcar un doctorat în buzunar, era doar un simplu cercetător pierdut într-un laborator

al unei firme japoneze obscure. Recent, prof. Nakamura s-a alăturat colectivului

profesoral de la Colegiul de Inginerie al Universitatii Californiene din Santa Barbara,

SUA.

Revenind la laserii uzuali, trebuie menţionate şi o serie de pericole ce pot apărea

chiar şi pe lângă laserii cu semiconductori care sunt cunoscuţi a fi mai puţin puternici. S-a

calculat că o diodă obişnuită are o putere mult mai mare chiar şi decât a Soarelui la

ecuator. Toate amestecurile din stratul activ au o putere de emisie mult mai mare decât a

aceleiaşi cantităţi de suprafaţă solara. Diodele prezente pe piaţă fac parte din clasele II şi

III, ceea ce înseamnă că prezintă risc scăzut de vătămare la operarea conformă cu

manualul şi la expunerea fugară, efemeră a ochiului în raza laser. Totuşi, trebuie avut în

vedere că orice expunere îndelungată produce vătămări punctiforme ale retinei şi nu este

nevoie de efecte imediate pentru ca retina să fie vătămată. Regula numarul unu în lucrul

cu laserii - nu se priveşte direct în raza laser chiar dacă nu se simte nici o durere sau chiar

dacă raza este palidă. CULOAREA ŞI STRĂLUCIREA RAZELOR LASER NU AU

NICIO LEGATURĂ CU PUTEREA RADIAŢIEI. Aceste două proprietăţi sunt date de

lungimea de undă a radiaţiei care nu influenţează în mod decisiv puterea laserului. Pot

59

exista laseri cu o culoare roz palidă care să fie mai nocivi decât cei mai aprinşi şi roşiatici

laseri.

3. Laserul cu gaz

Funcţie de natura chimică a mediului activ, laserii cu gaz se împart în trei categorii:

- Laserii atomici au ca mediu activ gaze în stare atomică provenite din substanţe

monoatomice sau poliatomice prin disociere (laserul cu heliu-neon, cu oxigen, cu azot).

Aceşti laseri emit linii situate în infraroşu şi vizibil.

- 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.

- Laserii moleculari au ca mediu activ un gaz în stare moleculară sau vapori: ,,COHCl

.,,, 222 HCNNCOOH Liniile emise de aceşti laseri se găsesc în majoritate în infraroşu

dar sunt cunoscute şi în vizibil.

Liniile emise de aceşti laseri se găsesc în majoritate în infraroşu dar sunt

cunoscute şi în vizibil.

Primul laser cu gaz a fost laserul cu Heliu-Neon, funcţionând la lungimea de

undă de 1152,27 nm (Infra-roşu apropiat).

Excitarea unui laser cu gaz

Două tehnici principale de excitare sunt utilizate pentru laserii cu gaz:

• Descărcarea electrică,

• Pompajul optic.

Excitarea laserului cu gaz prin descărcare electrică

Aplicând înaltă tensiune pe electrozii de la capetele tubului ce conţine gazul, se

produce o descărcare electrică prin gaz.

Electronii sunt emişi de catod, acceleraţi către anod, şi se ciocnesc cu moleculele

gazului de-a lungul drumului.

În timpul ciocnirilor, energia cinetică a electronilor este transferată moleculelor

gazului, şi îl excită (această metodă identică de transfer de energie este utilizată în

lămpile de fluorescenţă convenţionale).

Excitarea laserilor cu gaz prin pompaj optic

60

Excitarea mediului activ laser prin pompaj optic, necesită ca spectrul de absorbţie

a mediului să fie similar cu spectrul de emisie a sursei de pompaj, în felul acesta va

absorbi o cantitate mare de radiaţie.

Sursele convenţionale utilizate pentru pompajul optic au spectrul de emisie îngust,

în felul acesta numai numai o parte mică de lumină este utilizată în procesul de excitaţie.

Deoarece atomii gazului absorb numai o mică parte a spectrului, pompajul optic nu este în

general o metodă eficientă pentru laserii cu gaz.

Spectrul de absorbţie al solidelor este mai larg decât spectrul de absorbţie al gazelor,

astfel eficienţa pompajului laserilor cu corp solid cu surse optice convenţionale este

superioară celor cu gaz. Astfel laserii cu gaz sunt în special excitaţi prin descărcare

electrică.

Când dorim să excităm un laser cu gaz prin pompaj optic, avem nevoie să utilizăm o

sursă optică cu lăţimea benzii foarte îngustă, care corespunde liniei spectrale înguste de

absorbţie a gazului. O sursă bună pentru pompajul optic al laserului cu gaz este alt laser.

Această metodă este utilizată pentru pompajul laserilor cu gaz în infra-roşu

îndepărtat precum laserul cu CO2.

Clasele laserilor cu gaz

Convenţional, laserii cu gaz se divid în 3 grupe:

I. Atomici –Mediul activ laser este compus din gaz atomic neutru precum Heliu-Neon şi

vapori de cupru.

II. Ionici – Mediul activ laser este compus din gaz ionic precum argonul ionic sau Heliu-

Cadmiu.

III. Moleculari – Mediul activ laser este compus din gaz molecular precum dioxidul de

carbon (CO2), Azot (N2), Laser cu excimeri, Laseri chimici (HF, DF), Laseri în infra-

roşul îndepărtat (FIR).

I. Laserii cu gaz neutru (atomic)

Mediul activ în aceşti laseri este gaz nobil în stare neutră sau vapori metalici.

Caracteristicile laserului:

• Gazul activ este utilizat în amestec cu alte gaze. Extra gazul (gazele) ajută la creşterea

eficienţei de excitare.

• Câştigul maxim se obţine cu un tub cu diametru foarte mic.

• Laserii cu gaz în general funcţionează în undă continuă.

61

3.1. Laserul cu Heliu-Neon (He-Ne)

Laserul cu Heliu-Neon era cel mai utilizat laser până când a fost depăşit de diodele

laser în ultimii câţiva ani. Acesta a fost construit pentru prima oară în 1961 de Ali Javan.

Mediul activ este un amestec de Heliu (He) şi Neon (Ne), şi acesta este un laser cu 4

nivele.

Diagrama nivelelor de energie a laserului cu Helui-Neon este descrisă în figura de

mai jos.

Diagrama nivelelor de energie a laserului cu He-Ne

Două nivele de energie metastabile acţionează deasupra nivelelor laser. Laserul cu

He-Ne are două nivele laser inferioare, în felul acesta toate lungimile de undă pot fi emise

ca tranziţii între aceste nivele.

Cele mai importante lungimi de undă sunt:

1λ = 632,8 nm, 2λ = 1152 nm, 3λ = 3391,3 nm, 4λ = 543,5 nm

Rolul gazului de Heliu în laserul cu He-Ne

Rolul gazului de Heliu în laserul cu He-Ne este de a creşte eficienţa procesului

laser. Heliul produce două efecte particulare:

62

1. Excitarea directă a gazului de Neon este ineficientă, dar excitarea directă a gazului

atomic de Heliu este foarte eficientă.

2. O stare excitată a atomului de Heliu (nivelul de energie E5) are un nivel de energie care

este foarte similar cu energia unei stări excitate a atomului de Neon (de asemenea

nivelul de energie E5).

Procesul de excitare a atomilor de Neon este un proces cu două etape:

• Înalta tensiune aplicată provoacă accelerarea electronilor de la catod înspre

anod. Aceşti electroni ciocnesc atomii de Heliu şi le transferă energie

cinetică.

• Atomii de Heliu excitaţi se ciocnesc cu atomii de Neon, şi îşi transferă

energia de excitare.

Astfel gazul de Heliu nu participă în procesul laser, dar creşte eficienţa excitării în

aşa fel încât eficienţa laser creşte cu un factor de aproximativ 200 (!).

Lungimea de undă roşie de ieşire a laserului cu He-Ne

Cele mai multe aplicaţii a laserului cu He-Ne utilizează lungimea de undă roşie,

deoarece aceasta este o linie puternică şi este în regiunea vizibilă a spectrului.

Cum s-a arătat în figura 6.1, această radiaţie roşie este emisă de atomul de Neon

la trecerea de pe nivelul de energie notat E5 pe nivelul de energie notat E2, diferenţa de

energie foarte mare ca pentru alte tranziţii.

O problemă cu producerea acestei radiaţii roşii este că atomul de neon din starea

E5 poate emite de asemenea radiaţia 3391.3 nm. Această emisie scade populaţia nivelului

de energie E5, fără să producă radiaţie vizibilă.

Soluţia acestei probleme este utilizarea unui strat special pe oglinzile laser cu

reflectivitate selectivă numai pentru radiaţia roşie. Acest strat special produce reflexia

înapoi în cavitatea optică numai a lungimii de undă dorită (roşie), în timp ce toate

celelalte lungimi de undă sunt transmise în afară, şi nu poate să se întoarcă şi să treacă

prin mediul activ.

Într-un mod similar, poate fi utilizat alt strat cu reflectivitate selectivă pentru a

selecta altă tranziţie. Această procedură permite construcţia laserilor cu He-Ne la alte

lungimi de undă din spectrul vizibil. De exemplu, pot fi realizaţi laseri cu He-Ne pe

portocaliu, galben şi verde, dar eficienţa laser este mult scăzută faţă de cea pentru roşu.

63

Absorbţia şi amplificarea în laserul cu He-Ne

La deplasarea luminii prin mediul activ, asupra radiaţiei acţionează două procese

diferite: absorbţia şi amplificarea. Într-un laser He-Ne standard, amplificarea produsă

de mediul activ este de ordinul a 2%. În timpul unei treceri prin mediul activ (de la o

oglindă la cealaltă) cantitatea de radiaţie din interior creşte cu un factor de 1,02. Astfel, se

obţine o amplificare a luminii, toate pierderile, incluzând ciocnirile atomilor excitaţi cu

pereţii tubului de gaz, absorbţia de către alte molecule, etc., trebuie să fie mai mici de

2%.

Laserul cu He-Ne este un laser cu 4 nivele de energie, în felul acesta timpul de

viaţă al nivelului de energie laser inferior trebuie să fie foarte scurt. În gazul de neon, care

este gazul activ laser, tranziţia (dezexcitarea) de pe nivelul de energie laser inferior nu

este suficient de rapidă, dar aceasta este accelerată de ciocnirile cu pereţii tubului.

Deoarece numărul ciocnirilor cu pereţii tubului creşte cu cât tubul este mai îngust,

câştigul laser este invers proporţional cu raza tubului. Deci, diametrul tubului laserului cu

He-Ne trebbuie să fie cât mai mic posibil.

Câştigul scăzut al mediului activ în laserul cu He-Ne limitează puterea de ieşire la

o puere scăzută. În prototipurile de laborator s-au obţinut puteri de ieşire de ordinul a 100

mW, dar laserii comerciali sunt disponibili numai cu puteri de ieşire de ordinul a 0,5 - 50

mW.

Cuplorul de ieşire al laserului cu He-Ne este oglinda cu depunerea ce transmite

doar 1% din radiaţie la ieţire. Aceasta înseamnă că puterea din interiorul cavităţii optice

este de 100 de ori mai mare decât puterea emisă.

Structura laserului cu He-Ne

Laserul cu He-Ne conţine trei componente principale:

• Tubul de plasmă.

• Cavitatea optică.

• Sursa de putere.

Tubul de plasmă al laserului cu He-Ne:

Capilarul interior al tubului are un diametru de aproximativ 2 mm şi lungimea de

zeci de centimetri. Tubul interior este împrejmuit de alt tub gros cu diametrul de

aproximativ 2,5 cm şi este etanşat la capete.

64

Prorietăţile tubului exterior sunt:

− De a determina o structură stabilă ce protejază tubul capilar şi oglinzile laser de a se

deplasa.

− Acţionează ca un rezervor de gaz mare de reîmprospătare cu gaz de Neon ce poate fi

absorbit de catod.

Procesul laser, ce produce radiaţia electtromagnetică, este limitat în interiorul

tubului capilar ce este umplut cu un amestec de gaz.

Amestecul de gaz are Heliu, şi 85 - 90%He şi 10 - 15% Ne, în proporţie de la 1:6

la 1:10.

Presiunea gazului este de 0,01 atmosfere. La extremităţile tubului, electrozii sunt

conectaţi la sursa de potenţial înalt (continuu sau alternativ).

Cavitatea optică a laserului cu He-Ne:

Cavitatea unui laser cu He-Ne convenţional este o cavitate optică semi confocală.

Aceasta este compusă dintr-o oglindă plană, cu o reflectivitate de aproximativ

98% a luminii reţinută în cavitate, şi a doua oglindă concavă cu reflectivitate 100%.

Această oglindă concavă are distanţa focală egală cu lungimea cavităţii.

Structura cavităţii laserului cu He-Ne

Acest aranjament al oglinzilor determină obţinerea unei radiaţii ca un fascicul

paralel.

Sursa de putere a laserului cu He-Ne:

Laserii cu He-Ne ce dau puteri mai mari de 1mW (tipurile standard utilizate de

studenţi în laboratoarele experimentale), folosesc uzual surse de curent continuu (DC) la

65

tensiuni înalte de peste 200 V. Laserii au nevoie de curent constant (alimentare constantă

de electroni), deci este utilizată o sursă de curent constant.

Pentru iniţializarea efectului laser, gazul din tub trebuie să fie ionizat. Această

acţiune este produsă de un puls de tensiune maximă a sursei de putere. Acest potenţial

este denumit potenţial de aprindere al laserului. La momentul de început al descărcării,

rezistenţa electrică a tubului printr-o cascadă pe neaşteptate ajunge la o valoare scăzută.

Aceasta înseamnă că tensiunea scade rapid, în timp ce curentul creşte. Astfel, conform

legii lui Ohm aceasta are o rezistenţă electrică negativă (descreşterea în tensiune alături

de creşterea în curent).

Pentru rezolvarea acestei probleme, se conectează un rezistor de balast foarte

aproape de anod, în serie cu sursa de putere. Rolul rezistorului de balast este de a limita

curentul prin tub când rezistenţa tubului scade abrupt (în cascadă).

Exemplu: Pentru un laser ce funcţionează la un curent de 5 mA, rezistorul de

balast este de 60 - 90 k Ω , şi tensiunea pe acesta este de 300 - 450 V.

După începerea efectului laser, sursa de tensiune este coborâtă în jur de 1100 V,

necesară pentru funcţionarea laserului în mod continuu.

Una din problemele laserilor este căldura ce se degajă în laser şi în rezistorul de

balast.

Alte exemple de laseri cu gaz sunt:

Laserul cu vapori metalici:

a. Laseri cu vapori metalici neutrii, care includ:

1. Laserul cu vapori de cupru (CVL)

2. Laserul cu vapori de aur (GVL)

b. Laserii cu vapori metalici ionizaţi, care includ:

Laserul cu Helui-Cadmiu (He-Cd).

Aplicaţiile laserilor cu vapori de cupru:

1. Surse de pompaj pentru laserii cu colorant, pentru pulsuri scurte.

2. Iluminarea obiectelor în fotografierea la viteză ridicată.

Ieşirea laserului cu vapori de cupru este o radiaţie laser în domeniul vizibil cu pulsuri foarte

scurte, la o frecvenţă a pulsurilor foarte mare. Deci, această radiaţie poate fi utilizată ca o

sursă de iluminare pentru fotografierea flash la viteze mari. Un exemplu este fotografierea

gloanţelor de puşcă cu viteze de 300 - 15.000 m/s

66

3. În justiţie: identificarea amprentelor digitale, şi urmele elementelor speciale în

criminalistică. Radiaţia laser este utilizată la iluminarea probelor, şi este examinată

fluorescenţa la lungimi de undă ridicate. Deoarece puterea peak-ului laser este ridicată, pot fi

identificate urme reziduale care nu pot fi identificate utilizând surse de lumină spectrale

înguste convenţionale.

4. Terapia foto-dinamică (PDT). Distrugerea selectivă a celulelor canceroase prin iradierea

laser la o lungime de undă specifică, după injectarea unui medicament special pacientului.

5. Îmbogăţirea uraniului (U235). Pentru fotoionizarea selectivă a U235 în vaporizarea uraniului

natural. Cantitatea de U235 din uraniul natural este foarte mică, şi foarte dificil de separat.

Utilizând laserii cu vapori de cupru, este posibilă ionizarea selectivă numai a U235, şi

colectarea materialului ionizat pe discuri încărcate electric.

Principalele cercetări în îmbogăţirea uraniului au fost făcute în laboratoarele

Lawrencce Livermore din SUA.

Laserii cu vapori de aur

Laserul cu vapori de aur este similar cu laserul cu vapori de cupru ca structură, şi

principii de funcţionare. Uneori, acelaşi sistem (tub laser şi sursa de putere) este utilizat

pentru ambii laseri. Singura schimbare este înlocuirea cuprului solid cu o sârmă de aur

pur.

Lungimea de undă a laserului cu vapori de aur este roşie: λ = 628 nm.

Principalele aplicaţii ale laserilor cu vapori de aur sunt în tratamentele

experimentale de cancer prin terapie foto-dinamică (PDT).

II. Laseri cu gaz ionizat

Cei mai utilizaţi laseri cu gaz ionizat sunt cei cu gaze nobile Argon (Ar+) şi Kripton (Kr+).

3.2. Laserul cu argon

A fost iventat în 1964 de William Bridges şi Hughes.

Laserul cu argon ionizat conţine un tub umplut cu argon gaz ce se transformă în

plasmă într-o stare excitată (plasma este o stare a materiei în care electronii sunt

separaţi de atomi şi molecule, care în mijloc conţine electroni liberi şi ioni).

O diagramă schematică a nivelelor de energie pentru laserul cu argon este arătată

în figura următoare:

67

Diagrama nivelelor de energie pentru laserul cu Argon ionizat.

Cele mai importante două tranziţii laser au lungimile de undă în vizibil:

Albastru 488 nm

Verde 514,5 nm

dar laserul cu argon ionizat emite deasemenea şi în spectrul UV: 351,1 nm şi 363,8 nm.

Laserii cu gaz ionizat sunt laseri numai în vizibil ce produc multe culori cu puteri

comparative mari (mai mari de câţiva waţi).

Aplicaţiile laserului cu argon ionizat:

1. Sursă pentru pompajul optic al laserului cu colorant.

2. Distractiv – show cu lumină laser, discoteci, şi afişaje laser.

3. Chirurgie generală – pentru aplicaţii ce utilizează absorbţia la lungimi de undă

specifice.

4. Oftalmologic în desprinderile de retină.

5. Medicina juridică – pentru determinări de fluorescenţă.

6. Holografie – Deoarece au putere mare în spectrul vizibil.

Laserul cu kripton este foarte asemănător cu laserul cu argon dar eficienţa lui este

mai mică.

Acest laser are multe linii în spectrul vizibil, în special în domeniul spectral de la

galben la roşu.

Puterea maximă de ieşire în fiecare linie este de aproximativ 100 mW.

68

Aplicaţiile cele mai importante ale acestui laser sunt în domeniile de artă şi

distracţii, la realizarea de efecte vizuale fantastice.

III. Laserii cu gaz molecular

Toţi laserii descrişi anterior se bazează pe tranziţiile electronice dintre diferite

nivelele de energie principale.

Într-o moleculă, nivelele de energie principale sunt subdivizate în nivele de

energie vibraţionale. Fiecare nivel de energie vibraţional poate fi subdivizat în nivele de

energie rotaţionale:

1. Nivelele de energie vibraţionale – nivele de energie asociate fiecăror oscilaţii de

atomi din moleculă.

2. Nivelele de energie rotaţionale – nivelele de energie asociate rotaţiei moleculei.

Din aceste nivele de energie sunt subdivizate nivelele de energie principale,

diferenţa dintre două nivele de energie vibraţionale între care se produc efect laser, este

mult mai mică decât diferenţa dintre nivelele de energie principale electronice. Astfel,

lungimile de undă asociate acestor tranziţii de energie dintre aceste nivele sunt mari, şi

uzual sunt în spectrul de infraroşu (IR).

Printre laserii moleculari, cel mai comun laser este laserul cu dioxid de carbon

(CO2).

3.3. Laserul cu dioxid de carbon (CO2)

Efectul laser în molecula de CO2 a fost demonstrat prima oară de C. Patel în 1964.

El a trimis un puls de descărcare electrică printr-un gaz pur de CO2 într-un tub

laser, şi a obţinut la ieşire un puls mic laser.

CO2 este un gaz în care se produce efect laser, dar pentru a îmbunătăţi eficienţa

laserului trebuie adăugate alte gaze în tubul laser.

Laserul standard cu CO2 include în mediul activ un amestec de CO2 cu N2 şi He.

Proporţiile optime a celor trei gaze în acest amestec depinde de sistemul laser şi de

mecanismul de excitare. În general, pentru un laser în undă continuă proporţiile sunt:

CO2:N2:He – 1:1:8

CO2 este o moleculă liniară, şi cei trei atomi sunt situaţi pe o linie dreaptă cu

atomul de Carbon în mijloc.

Cele trei moduri vibraţionale ale moleculei de CO2:

69

1. Modul de întindere simetrică ( 1ν ).

2. Modul de încovoiere (ν 2 ).

3. Modul de întindere asimetrică ( 3ν ).

Modurile de oscilaţie a moleculei de CO2

Tipuri de laseri cu CO2:

Sunt multe tipuri de laseri cu CO2, toate au aceleaşi principii fizice. Diferenţierea

dintre acestea este structura lor, mecanismul de excitare, şi radiaţia de ieşire.

Câţiva laseri cu CO2 sunt descrişi mai jos.

Laseri cu curgere de gaz de CO2

În aceşti laseri amestecul de gaz proaspăt curge continuu prin tubul laser în timpul

efectului laser.

Curgerea gazului este utilizată cînd este necesară o putere maximă la ieşirea

laserului cu CO2.

Gazul curgere de-a lungul tubului şi este scos afară în atmosferă (acesta nu este

otrăvitor).

Aceşti laseri sunt foarte simpli, şi nu necesită gaze cu puritate.

Pot fi obţinute la ieşirea acestor laseri puteri de sute de waţi.

Laserul cu CO2 etanşat (închis)

Laserul cu gaz este umplut cu amestecul optim de gaze şi etanşat (cum am văzut

la laserul cu He-Ne).

Se aplică un potenţial electric ridicat pe electrozii de la capetele extreme ale

tubului de gaz.

70

Electronii acceleraţi excită moleculele de gaz.

Problema care opreşte laserii etanşaţi este disocierea moleculelor de CO2 în CO şi

oxigen în timp. Pentru a reduce acest efect, este adăugat un agent catalizator în amestecul

de gaz. Acest agent catalizator produce o reacţie inversă disocierii şi reformează

molecula de CO2 care este necesară efectului laser.

Laserii cu CO2 etanşaţi au o utilizare limitată cu puteri de ieşire mai mici de 200

Waţi.

Uneori rezervorul de gaz este ataşat tubului etanş pentru a se reîmprospăta gazul

din efectul laser din tub cu cel din rezervor.

Noile clase de laseri etanşi cu CO2 sunt construiţi din metal ce nu au tub de sticlă.

Aceşti laseri nu sunt excitaţi direct prin descărcare electrică creată de tensiune înaltă, ci

prin tensiune de radiofrecvenţă (RF).

Laserul cu CO2 cu ghid de undă în interior

Când diametrul tubului laser este redus la dimensiuni de ordinul a 1 milimetru, se

realizează un ghid de undă.

Radiaţia din interiorul tubului cu diametru mic este confinată de a se deplasa de-a

lungul tubului, cu pieerderi mici.

Utilizând tuburi ceramice, pot fi construite lasere cu CO2 foarte mici.

Aceşti laseri mici cu CO2 pot produce peste 50 Waţi radiaţie undă continuă.

Laserii cu CO2 cu curgere de gaz transversal

Când în interiorul laserului gazul curge perpendicular pe axa laserului, este posibil

să avem o curgere lungă pe o distanţă foarte scurtă.

Răcirea gazului ce curge este foarte eficientă, aceasta face posibilă obţinerea la

ieşire a unei puteri ridicate din aceşti laseri.

Ambele curgeri de gaz şi descărcări electrice în aceşti laseri sunt de-a lungul lăţimii

laserului.

Astfel, distanţa dintre electrozi este scurtă, deci descărcarea electrică poate fi

realizată orizontal pe gaz la presiune foate înaltă (mai mari de câteva atmosfere).

Curgerea transversală este utilizată pentru laserii cu CO2 de putere foarte mare.

Laserii din natură !

Este bine să ştim că laserul este o descoperire tehnologică, şi laserul a fost

„invenţia anilor 60”.

71

Acum este cunoscut că laserii cu CO2 există în natură fără intervenţia umană.

Am văzut că echilibrul termodinamic este starea standard în natură, şi acea

„inversie de populaţie” care este o condiţie pentru efectul laser, nu este o situaţie de

echilibru.

În unele cazuri specifice, inversia de populaţie există în natură ! Norii fierbinţi de

gaz apropiaţi stelelor crează maseri naturali. Lumina acestor stele determină excitarea

moleculelor de gaz pe nivele de energie ridicate, de pe aceste moleculele se depopulează

pe stări metastabile. Cantitatea de radiaţie emisă de aceşti nori fierbinţi este enormă, dar

radiaţia nu este emisă ca un fascicul colimat, precum într-un laser standard. Radiaţia este

emisă în toate direcţiile în spaţiu cum se vede în figura următoare.

Efectul laser în atmosfera de pe Marte

Identificarea efectului laser în stele a fost determinată prin examinare

spectroscopică a lungimilor de undă recepţionate de la stele.

Gazul fierbinte normal este în echilibru termodinamic. Acesta emite un spectru

continuu de lungimi de undă ce depinde de temperatura gazului. De asemenea acesta

emite lungimi de undă caracteristice gazului, cu o relaţie certă între intensităţile fiecărei

lungimi de undă.

Laserii emit numai lungimi de undă specifice ce corespund tranziţiilor energetice

dintre anumite nivele de energie.

Comparând intensităţile lungimilor de undă recepţionate de la stea, cu intensităţile

lungimilor de undă de la un gaz fierbinte, normal, se dovedeşte că există inversie de

populaţie în aceste stele. Alte proprietăţi de recepţie a radiaţiei, precum: direcţionalitatea,

polarizarea şi lăţimea spectrală a fiecărei linii spectrale confirmă această idee.

72

Proprietăţile laserului cu CO2

• Putere de ieşire ridicată. Laserii comerciali cu CO2 produc peste 10.000 Waţi continuu.

• Spectrul de ieşire este în domeniul spectral Infraroşu (IR): 9 - 11 mµ .

• Eficienţă foarte ridicată (peste 30%).

• Pot funcţiona continuu sau în impulsuri.

• Puterea medie de ieşire este de 75 W/m pentru curgere lentă de gaz, şi peste câteva sute

de W/m pentru curgere rapidă de gaz.

• Funcţionare foarte simplă, şi gazele nu sunt toxice.

Rezumatul laserilor cu CO2 în raport cu tipul de laser:

• Laser cu gaz.

• Emit în spectrul infraroşu (IR).

• Excitare electrică.

• Undă continuă, deasemenea poate funcţiona şi în pulsuri.

• Laser cu patru nivele.

Laserul cu CO

Acest laser este similar cu laserul cu CO2, excepţie pentru gazul activ – CO.

Spectrul de radiaţie la aceşti laseri este 5 - 6 mµ .

Una din problemele acestui laser este gazul de CO care este otrăvitor.

3.4. Laserul cu excimeri

Aceştia sunt laseri în care condiţiile necesare pentru efectul laser sunt obţinute în

moduri „exotice”.

De exemplu, vom examina o familie de laseri în care radiaţia este emisă de

molecule care există numai pentru o durată foarte scurtă.

Această moleculă este compusă dintr-un atom de gaz nobil: Argon, Kripton sau

Xenon, şi un atom de halogen: Flor, Clor, Brom sau Iod.

Un excimer este o moleculă care are o stare legată (existentă) numai într-o stare

excitată. În starea fundamentală această moleculă nu poate exista, şi atomii sunt separaţi.

Starea excitată există pentru o durată foarte scurtă, mai mică ce 10 nanosecunde.

Numele de excimer provine de la combinaţia a două cuvinte: excitat dimer (dimer

excitat), ce înseamnă că molecula este compusă din doi atomi, şi există numai în stare

excitată. (Uneori cercetătorii consideră aceste molecule ca fiind un complex, şi le

denumesc laser „Exciplex”).

73

Dezvoltarea istorică a laserilor cu excimeri

Laserul cu excimeri a fost inventat în 1971 în URSS de un grup de cercetători:

Basov, Danilychev, şi Popov. Aceştia au considerat emisia stimulată la o lungime de

undă de 172 nm pentru gazul de Xe la temperatură joasă, pompat de un fascicul de

electroni.

Primul efect laser în gaz nobil cu halogen (XeBr) a fost raportat în 1975 de Searl

şi Hart.

Nivelele de energie ale laserului cu excimeri

O combinaţie de gaze nobile este o contradicţie, deoarece gazele nobile sunt

inerte (cum indică şi numele lor). Atomii crează o stare legată numai după ce creşte foarte

mult energia lor de intrare într-o stare excitată ionizată. Această stare legată este nivelul

laser superior, de pe care molecula revine pe o stare fundamentală ne-excitată. Condiţia

de inversie de populaţie este îndeplinită la momentul când aceasta este în stare excitată,

deci populaţia de pe nivelul laser inferior este întotdeauna zero.

Figura de mai jos descrie diagrama nivelelor de energie pentru laserul cu excimeri, în

funcţie de distanţa dintre atomii din moleculă.

R reprezintă atomul de gaz nobil şi H reprezintă halogenul.

Diagrama nivelelor de energie ale unui laser cu excimeri

74

Groapa (groapa de potenţial) din diagrama stărilor excitate arată existenţa la un

moment dat în starea stabilă. În realitate aceasta nu este o groapă de potenţial în starea

fundamentală ce arată că aceasta nu este o stare legată a moleculei când nu este excitată.

Numai în interiorul ariei marcate din interiorul gropii de potenţial ale stării

excitate poate exista stare legată, şi aceasta are loc pentru o distanţă specifică dintre

atomi.

Funcţionarea laserului cu excimeri

Compoziţia amestecului de gaz din interiorul tubului unui laser cu excimeri este:

• Foarte puţin halogen (0,1 - 0,2% )

• Puţin gaz nobil (Argon, Kripton sau Xenon).

• Aproximativ 90% Neon sau Heliu.

Atomii de halogen pot proveni din molecule precum: F2, Cl2, Br2, sau din alte

molecule ce conţin halogeni precum: HCl, NF3.

Avantajul utilizării unui compus molecular de halogen, este activitatea chimică puternică

a moleculei de halogen (în special Fluorul).

Excitarea laserului cu excimeri

Excitarea laserului cu excimeri este realizată prin trecerea unui puls electric

puternic prin amestecul de gaz. Excitarea trebuie să fie realizată într-un timp foarte scurt

şi cu o putere foarte mare, plecând de la aproximativ 100 KW/ 3cm şi poate ajunge la

câţiva Megawaţi per cm3.

Electronii în gaz sunt acceleraţi datorită potenţialului înalt, şi energia lor cinetică

este transferată moleculelor de gaz prin ciocniri.

Moleculele de gaz nobil şi de halogen sunt rupte şi formează complexul legat

excitat.

Este posibil să îmbunătăţim eficienţa de pompaj prin ionizarea amestecului de gaz

utilizând iradierea cu raze X.

Rata de pompaj este de ordinul a 1GW de putere per litrul de gaz.

Timpul de viaţă a stării excitate este de ordinul a 10 ns. Deci pulsul laser este limitat la 10

nanosecunde.

Deoarece mediul activ al laserului cu excimeri are câştigul ridicat, laserul poate

funcţiona fără oglinzi. În practică, la un capăt este oglinda cu 100% reflectivitate, şi la

75

cealaltă parte este utilizată o fereastră transparentă. Un procent foarte mic ce se întoarce

prin reflexie Fresnel pe fereastră este suficient să menţină procesul laser.

Deoarece se cere un pompaj puternic şi rapid, este în general utilizată o descărcare

transversală (la unghi drept pe axa laserului). În descărcarea transversală, distanţa dintre

electrozi este scurtă, şi acolo este o mulţime de spaţiu pentru electrozi (de-a lungul axei

laserului).

Trebuie avut grijă să se etanşeze corect materialele în interiorul cavităţii, datorită

reactivităţii ridicate a gazului.

Deoarece gazele din interiorul laserului cu excimeri este foarte toxic, laserul

trebuie să fie etanşat înainte de reumplerea cu gaz. Laserul este utilizat la câteva milioane

de pulsuri, şi apoi este necesară reumplerea cu gaz.

Proprietăţile laserilor cu excimeri:

• Laserii cu excimeri emit în domeniul spectral Ultra-Violet (UV).

• Radiaţia este emisă numai în pulsuri scurte.

• Durata fiecărui puls este de la picosecunde până la micro-secunde.

• Presiunea gazului din interiorul tubului laser este ridicată: 1- 5 atm.

• Eficienţa laserilor cu excimeri comerciali este mai mare de câteva procente.

Aplicaţiile laserului cu excimeri:

Laserii cu excimeri pot emite radiaţie Ultra-Violetă (UV) cu puteri mai mari de

ordinul a 100 Waţi.

Deoarece lungimile de undă emise sunt foarte scurte, fiecare foton emis individual

transportă o cantitate mare de energie, care este suficientă să rupă legăturile din molecule

în materialul ce absoarbe radiaţia. Fiecare puls de radiaţie a laserului cu excimeri conţine

un număr mare de fotoni, deci acesta are o putere de peak foarte ridicată.

Deci, laserul cu Excimeri este un instrument perfect de tăiere pentru aproape orice

material.

Aplicaţii speciale:

• Fotolitografiere - Procesarea materialelor la un grad foarte înalt de acurateţe (de ordinul

fracţiunilor de microni !).

• Tăierea ţesuturilor biologice fără să afecteze împrejur.

76

• Corectarea defectelor de vedere – Tăierea foarte delicată a straturilor pentru orice

suprafaţă a corneei, astfel se elimină necesitatea folosirii ochelarilor.

• Marcarea produselor – deoarece lungimea de undă a radiaţiei laserului cu excimeri este

absorbită de orice material, este posibil să se marcheze cu un singur puls toate tipurile de

materiale, precum plastice, sticlă, metal, etc.

Preţul unui laser cu Excimer este relativ ridicat (zeci de mii de dolari), dar acesta

este utilizat foarte mult datorită proprietăţilor lui unice.

3. 5. 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 coincidenţă că efectul laser a fost aplicat pentru prima oara în regiunea

microundelor. Emisiile spontane sunt proporţionale cu cubul frecvenţei de tranziţie, fiind

mici în această porţiune a spectrului, şi putând fi neglijate, în comparaţie cu alte procese

ca emisiile stimulate şi absorbţia. Din acest motiv inversia populaţiilor este obtinută uşor

cu o energie mică. Prima inversie a populaţiilor a fost obţinută în molecula de amoniac

(NH3). Inversia populaţiilor în moleculele de amoniac se obţine prin separarea fizică a

particulelor aflate pe nivele energetice superioare de cele aflate pe nivele energetice

inferioare.

4. Laserii cu lichid

Laserii cu lichid cei mai cunoscuţi sunt cei cu chelaţi organici şi cei cu coloranţi.

Mediul activ pentru laserii cu coloranţi este format de o substanţă fluorescentă dizolvată

77

într-un solvent (alcool). Lărgimea spectrală a radiaţiei emise este de ordinul sutelor de

angstromi, putând fi selectată lungimea de undă dorită, deci laserul este acordabil într-o

bandă largă.

5. Laserul cu raze X

Cilindrul de plasmă (roşu) este creat de impactul unui laser cu pulsaţie de mare putere

(albastru). Nu sunt folosite oglinzi, în schimb emisiile spontane sunt amplificate şi raza

este trimisă în ambele sensuri. A fost creat pentru prima oară de cercetatorii Matthews şi

Rosen la Lawrence Livermore National Laboratory, în 1985. Ţinta este dintr-o foiţă

subţire de seleniu sau un alt element cu număr atomic mare, dispusă pe un substrat de

vinil pentru a-i da rigiditate. Această ţintă este iradiată din ambele părţi de lasere cu

pulsaţie de mare putere al cărei focar are o lungime de câteva sute de ori mai mare decât

laţimea. Când raza loveşte foiţa, aceasta “explodează”, producând o plasmă formată din

ioni de seleniu ce au cu 24 de electroni mai puţin.

În prezent eficienţa acestor lasere este foarte scăzută datorită necesităţii unei

puteri şi frecvenţe mari a laserului-sursă. O eficienţă mai mare s-ar putea obţine printr-o

răcire rapidă, ceea ce duce la trei repompări a plasmei puternic ionizate. Însă un hibrid

între răcirea la contact şi expansiunea adiabatică pare să fie cel mai promiţător. O altă

posibilitate promiţătoare se bazează pe transparenţa indusă electromagnetic, pentru o

reducere drastică a puterii de pompare necesară şi pentru obţinerea mult mai eficientului

efect laser fără inversie (cunoscut şi sub numele de fazere).

6. Laser cu plasmă

Praful şi gazul circumstelar reci se acumulează constant în jurul stelelor, care

lansează jeturi de plasmă. Răcirea rapidă a plasmei când întalneşte această coajă poate

mări semnificativ efectul de dezechilibru al expansiunii adiabate. Contactul cu gazul este

atât de eficient în răcirea rapidă încât în 1987 s-a creat un laser cu plasmă ce lucrează în

lungimi de undă din extremul ultraviolet folosind numai acest mecanism, fără să

folosească expansiunea.

Laser cu răcire a plasmei la contactul cu gazul (TPD-I): plasma de heliu

menţinută electromagnetic staţionar este răcită de contactul cu hidrogenul, producând

efectul laser în XUV (164 nm) (Institute of Plasma Physics Nagoya, Japonia). Alt avantaj

al atmosferei stelare sunt distanţele foarte mari, o inversie a populaţiilor redusă

producând radiaţii a căror intensitate creşte exponenţial în amplitudine pe distanţe mari

78

până la un punct în care domină spectrul. Cea mai puternică manifestare a laserelor

naturale se produce în cuasari.

În laserele cu plasmă cercetate în laboratoare totul este redus la o scară mult mai

mică. Aceasta este însă compensată în parte de faptul că se pot pune oglinzi de ambele

părţi ale mediului, pentru a produce o rază laser ce ar fi foarte lungă într-o extindere

virtuală.

7. 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 încă din 1977 şi a devenit un

important instrument de cercetare. Teoretic astfel de lasere, pot acoperi întreg spectrul, de

la infraroşu la raze X şi sunt capabile să producă raze de putere foarte mare.

8. Laseri cu lumină extremă în România

România este una din cele 13 ţări participante în proiectul european Extreme

Light Infrastructure (ELI) şi – din septembrie 2008 – una din cele 4 ţări, alături de Franţa,

Republica Cehă şi Ungaria, care şi-au manifestat interesul să găzduiască marele laser

pentru lumină extremă, care urmează să fie construit în urma aplicării proiectului ELI.

De curând, la Conferinţa Europeană pentru Infrastructuri de cercetare de la

Versailles (ECRI 2008), ministrul ceh al educaţiei şi cercetării, V. Ruzicka, a reamintit că

printre priorităţile ţării sale pe timpul asigurării preşedinţiei UE în prima jumătate a

anului viitor, va fi promovarea proiectelor de infrastructură de cercetare a căror găzduire

şi-o doreste Cehia, printre care şi ELI. Autorităţile franceze nu susţin explicit ELI – nu

79

trebuie să uităm că sunt 44 de mari proiecte de infrastructură europeană pentru găzduirea

cărora concurează ţările UE şi este clar că Franţa nu doreşte să rămână în urmă – deşi,

paternitatea descoperirilor decisive pentru definirea acestui domeniu al luminii extreme

aparţine Franţei, prin prof. Gerard Mourou.

Găzduirea proiectului ELI în România a fost puternic susţinută de autorităţile

române în domeniul cercetării (vezi inclusiv amintirea proiectului în rezultatele întâlnirii

la nivel înalt N.Sarkozy – T. Băsecu la Bucuresti şi întâlnirile premierilor celor două ţări

şi până la recentul discurs al prof. dr. Anton Anton, ministrul de atunci al educaţiei şi

cercetării, la ECRI 2008). Consorţiul institutelor care sunt în mod natural implicate în

proiectul românesc ELI include Institutul de Fizică Atomică de la Măgurele, care

conduce proiectul, Institutul Naţional de Fizica Laserilor, Plasmă şi Radiaţie, Institutul

Naţional de Cercetare-Dezvoltare pentru Inginerie Nucleară “Horia Hulubei”, Institutul

pentru Fizica Materialelor. Interviul realizat cu prof.dr. Dan C. Dumitraş (INFLPR), care

este coordonatorul din partea României pentru ELI, demonstrează că preocuparea pentru

proiectul “lumina extremă” este departe de a fi conjunctural: pe baza finanţărilor de la

buget, România se pregateşte să inaugureze în curând un laser de 15 TW, are în derulare

proiectul construirii unui laser de 1PW (acum nu există un laser de acest tip în funcţiune,

când va fi gata cel românesc va fi printre foarte puţinele din lume), a organizat la Braşov

o mare conferinţă internaţională în octombrie 2009, la care au participat cei mai mari

specialişti în domeniul laserilor de mare intensitate din lume şi îşi coagulează strategia de

pregatire a tinerilor specialisti în domeniu.

Prof. dr. Dan C. Dumitraş: “Noi toţi de aici avem o idee: lumina extremă. Vrem să

realizăm laseri de foarte mare putere – putere care să depaşească un peta-watt (PW) şi

pentru această idee există trei componente aproximativ paralele.

În primul rând: proiectul ELI, proiect care a început acum aproximativ doi ani, are

o perioadă de desfăşurare de 3 ani şi în care se vor stabili caracteristicile, principiile de

funcţionare ale acestui laser ELI, o structură paneuropeană care îşi propune să realizeze

cel mai mare laser din lume. Eu sunt responsabil din partea României în acest proiect

internaţional, care cuprinde 13 ţări şi care în clipa de faţă se desfăşoară în cele mai bune

condiţii.

Una din componentele acestui proiect în acest moment este selectarea locaţiei

acestei infrastructuri. În septembrie 2008 a fost termenul limită pentru depunerea

80

candidaturilor. 4 ţări concurează acum pentru a găzdui infrastructura. Este vorba de

România, Ungaria, Republica Cehă şi Franţa. Decizia va fi luata spre sfarsitul anului

acesta într-un cadrul politic al Uniunii Europene.

A doua componentă este legată de proiectele naţionale, proiecte care au fost

aprobate şi sunt în curs de desfăşurare, proiecte finanţate de la bugetul României, proiecte

care ne înscriu pe linia ţărilor cu cei mai puternici laseri din lume. Un astfel de proiect va

permite României ca peste 1 an, 1 ani şi jumatate, să avem în funcţiune un laser de un

petawatt (PW). Nu sunt multe ţări care posedă aşa ceva. De fapt, în clipa de faţă nu există

nicio ţară care sa aibă un laser de 1PW. A fost un singur laser, construit în SUA acum

câţiva ani, dar pe alte principii: energie extrem de mare pe durate foarte lungi. Noi avem

altă filosofie: să construim un laser care pe durate foarte mici – de femtosecunde -

folosind energii mai mici – să corespundă unor puteri de vârf la fel de mari.

Sunt proiecte care au în vedere dezvoltarea de aplicaţii medicale. Una din aplicaţii

este extrem de interesantă: protonoterapia. În loc de a utiliza radiaţiile ionizante de tip

radiaţie X pentru tratarea tumorilor canceroase, se folosesc fascicole de protoni, care pot

fi concentrate exclusiv pe tumoare, fără a afecta zona intermediară de ţesut sănătos.

Aceste fascicule sunt generate în momentul de faţă de acceleratoare care pot avea

dimensiuni de kilometri. Dar aceleaşi fascicule pot fi obţinute prin focalizarea

fasciculelor de laseri de mare intensitate, laseri care au dimenisunile unei camere

obişnuite, deci metri sau zeci de metri. Vedeţi deci că din punctul de vedere al

caracterului compact este o diferenţă notabilă. Aceasta este doar una din aplicaţii, dar mai

este şi tratarea deşeurilor radioactive, realizarea de noi materiale cu proprietăţi cu totul

speciale. Şi, în sfârşit, ştiinţa în general va beneficia de fascicule extrem de intense, al

căror efect este greu de bănuit în clipa de faţă.

La noi sunt mai multe proiecte legate de acest domeniu. Unele în programul

Capacităţi al PNCD II. Alte proiecte sunt finanţate din fondurile structurale de la Uniunea

Europeană, avem mai multe proiecte, unele deja în desfăşurare, altele au început în 2009.

Al treilea punct: pregătirea tinerilor pentru operarea acestor infrastructuri. Tinerii trebuie

să fie pregatiţi deja din acest moment şi pentru că experienţa noastră anterioară în

domeniul luminii extreme nu este foarte îndelungată – noi numai de câţiva ani dispunem

de aceşti laseri cu funcţionare în femosecunde şi de intensităţi foarte mari - suntem

nevoiţi să apelăm la ţări cu experienţă mai bogată, în primul rând Franţa, cu care avem

81

contacte excelente şi colaborări, în primul rând prin colegul Cristian Florea, care este

inima şi sufletul acestei colaborări. Noi avem în vedere pregătirea unui număr de 20-30

de tineri care să fie specializaţi în domeniul luminii extreme în urmatorii câţiva ani.

Aceşti tineri trebuie să abordeze o specializare cu totul nouă. Sunt puţini

specialişti în lume care cunosc detaliile acestei noi tehnologii şi în momentul în care vom

avea aceste structuri operaţionale în ţara noastră, ei vor fi cei care vor prelua atât punerea

şi menţinerea în funcţiune a acestor instalaţii, cât şi pregătirea experimentelor.”

Concluzii:

- Sistemul laser în fs cu putere de ordinul 1 PW, care se va construi până în 2011 în

România, ar putea fi unul din cele mai performante din lume, facilitate de interes naţional

şi internaţional;

- Cercetătorii români din străinătate, împreună cu cercetătorii din tară, au un rol important

în dezvoltarea unor proiecte comune bazate pe această facilitate laser;

- Sunt necesare eforturi pentru valorificarea facilităţii laser atât prin studii şi experimente

în domeniul ştiinţelor de bază, cât şi prin dezvoltarea unor aplicaţii cu impact economic

sau social.

VI. Aplicaţii ale laserilor

1. Aplicaţiile militare ale laserilor şi protecţia laser

Scopul majorităţii invenţiilor din ultimul secol a fost militar. Aşa s-a întâmplat şi

cu laserul. Pe lângă programul de apărare Star Wars, laserul a mai fost pus în practică şi

ca armă terestră.

Încă de la apariţia laserilor, în 1960, se prefigura interesul pentru aplicaţiile

acestora în domeniul militar. Primul laser - laserul cu rubin - a fost realizat într-un

laborator ce aparţinea firmei „Hughes Aircraft Company", cea mai mare companie de

electronică pentru apărare din SUA. Primul contract militar de aplicare a laserilor datează

din 1965 în SUA.

În prezent, aplicabilitatea laserilor cu corp solid, cu gaz şi chimici merge de la

sistemele tactice până la cele strategice.

Puterea unui laser în regim continuu necesară pentru a distruge un blindaj cu

grosimea de 40 mm, aflat pe un vehicul în zbor la o altitudine de 50 km, în timp de un

82

minut, ţinând seama de condiţiile atmosferice s-a calculat a fi de 160 MW. Când s-a

prevazut acest lucru, cu 35 de ani în urmă, era necesară o creştere a puterii laserilor cu 5

ordine de mărime, iar astăzi acest lucru s-a realizat. Nu trebuie însă neglijat faptul că

însăşi distrugerea parţială este de multe ori suficientă, iar în cazul rachetelor purtătoare

ajunge distrugerea sistemelor de ghidaj.

Rezultatele obţinute în aprilie 1968, când cu ajutorul unui fascicul laser s-a reuşit

doborârea unui avion ţintă au fost hotărâtoare privind creditarea laserilor pentru aplicaţii

militare. A urmat o alta supoziţie: posibilitatea declanşării bombei cu hidrogen cu

ajutorul laserilor cu corp solid.

Ponderea aplicaţiilor militare ale laserilor a câştigat teren rapid, aşa încât

cheltuielile cu cercetarea laser ale Departamentului Apărării al SUA - spre exemplu - au

crescut de la 100 de milioane de dolari în perioada 1960-1967, la 118 milioane numai în

anul 1970, la 126 de milioane în anul 1975, iar în perioada anilor ‘90 s-au cheltuit peste

un miliard de dolari. În 1969 ponderea aplicaţiilor militare ale laserilor era de 65% faţă de

35% pentru aplicaţii civile.

1.1. Aplicaţii tactice

Telemetria laser (masurarea distanţelor) permite determinarea cu o precizie foarte

mare a pozitiei unei ţinte. În cadrul programului Apollo-11 s-a reuşit determinarea

distanţei Pământ-Lună. În prezent există telemetre laser sol-sol, sol-aer, aer-aer şi aer-sol.

Locatoarele optice folosesc ca surse în special laserii şi acestea se bazează pe

utilizarea regiunii optice a spectrului undelor electromagnetice. Locatoarele laser sunt

capabile să localizeze avioane, tancuri şi submarine.

Iluminatoarele şi sistemele de ghidare a proiectilelor sunt utilizate în cazul

distanţelor scurte. Aparatul iluminează ţinta, care este identificată şi lovită cu un proiectil

rachetă lansat pe fasciculul infraroşu reflectat de ţinta iradiată. Firma General Dynamics a

demonstrat că se poate lovi o ţintă cu aria de 1 m2 cu o rachetă ghidată pe fascicul laser

infraroşu emis de către o celula GaAs. Firmele Philco Ford, Westinghouse şi Texas

Instruments produc astfel de aparate, iar firma North America Rockell Corp produce

laserii cu GaAs folosiţi pentru ghidarea rachetei Bullpup.

Ca arme de ghidaj cu laser există mai multe sisteme, dintre care amintim:

Paveway (Texas Instruments) şi Pave Storm (Goodyear; Texas Instruments) pentru

bombe, CLGP (Martin; Texas Instruments) pentru artilerie, Hellfire, Maverick (Hughes),

83

Bulldoy (Texas Instruments) şi Honest John pentru ghidaj aer-sol. Cele mai bune

dispozitive de localizare a obiectivului sunt Pave Arrow (Martin), Pave Sword (Martin) şi

Pave Penny (Martin).

Alte aplicaţii tactice ale laserilor sunt: recunoaşterea pe timp de noapte,

observarea sateliţilor, traiectografe şi sisteme de control al zborului, sisteme multimodale

(sisteme laser cuplate cu dispozitive de televiziune pentru zborul paralel razant cu

pământul), simulatorul de tragere, arma antipersoană, comunicaţii secrete la mică

distanţă, protecţia bazelor militare.

Aviatia, marina si fortele terestre sunt la fel de interesate in utilizarea laserilor.

1.2. Aplicaţii strategice

Există trei domenii de aplicaţii strategice considerate ca fiind deosebit de

importante: apărarea antiracheta, declanşarea bombei cu hidrogen şi prelucrarea

informaţiei.

Bugetul multor ţări dezvoltate este îndreptat către realizarea şi îmbunătăţirea

parametrilor de lucru ai laserilor de mare putere. În S.U.A. încă din anii ‘90 au fost

experimentaţi laserii contra avioanelor ţintă. Fuziunea nucleară intră în proiectele noilor

bombe cu hidrogen. Armele laser mobile destinate să distrugă rachete şi avioane pentru a

proteja trupele terestre sunt şi ele o realitate. La începutul anilor ‘90 un astfel de prototip

se experimenta la Arsenalul Redstone din Alabama, pentru înzestrarea trupelor terestre

ale S.U.A..

Prelucrarea optică a informaţiei sporeşte imens posibilităţile computerelor.

Memoriile optice, modulaţia de cod impulsuri, ghidurile de lumină etc. - reprezentau încă

din anii ‘90 domenii de cercetare pentru sistemele complexe de aparare. În aceeaşi

perioadă sistemul de contramăsuri optoelectronic bazat pe utilizarea laserilor cu corp

solid era în plină evoluţie, şi clasificat în ţări precum S.U.A., Federaţia Rusă, Franţa şi

Marea Britanie.

De mare interes sunt în prezent laserii chimici, care sunt alimentaţi de energia

uriaşă a flăcării sau a detonanţilor, şi în volume mici se pot declanşa impulsuri laser

extrem de energice, sau emisii laser în regim continuu de foarte mare putere cât şi laserii

cu corp solid dielectric (sticla dopată cu Nd, YAG dopat cu Nd).

Aplicaţiile indirecte ale laserilor, prin intermediul holografiei permit condensarea

documentelor de stat major pe microfilme nedecriptabile, recunoaşterea formelor de teren

84

şi a schimbării detaliilor prin cercetarea aerofotogrammetrică cu utilizarea hologramelor,

fotogrametria geodezică, controlul stabilităţii gurilor de foc, acţiunea agenţilor de

coroziune asupra tehnicii militare etc.

2. Aplicaţiile laserilor în medicină

Laserul este o instalaţie pentru generarea şi amplificarea radiaţiilor

electromagnetice din domeniul vizibil, bazată pe fenomenul de emisie stimulată a

radiaţiei. Rezultă un fascicul luminos monocromatic paralel, coerent şi foarte intens, cu

lungime de undă situată în regiunile ultraviolet, vizibil sau infraroşu ale spectrului.

LASER-ul exercită asupra ţesuturilor vii efecte termice, fotochimice şi mecanice.

Aplicaţiile medicale principale ale LASER-ului sunt în oftalmologie şi chirurgie.

Utilizarea LASER-ului în medicină este în continuă extensie. Un domeniu de

mare interes, îndeosebi în cercetare, este microscopia optică de baleiaj folosind LASER.

Alte aplicaţii sunt în: dermatologie, în tratarea unor afecţiuni grave ale pielii, în lupta

împotriva cancerului etc., în biologie, în tot ceea ce implică cercetare.

Oftalmologia a fost unul din principalele câmpuri ale medicinei,şi după mai mult

de 25 ani, acesta poate fi folosit de la diagnostic la tratament. Se crează o mică gaură în

iris, care va elibera presiunea intraoculară, lucru care nu dăunează nici corneei şi nici

altor părţi ale ochiului. Există mai multe modalităţi de a realiza această gaură, în schimb

cu laserul ea se închide mult mai repede. Oftalmologii pot alege diferite lasere pentru a

trata diferitele varietăţi de probleme ale retinei, chiar şi în cazul diabeticilor. Lumina

verde laser este folosită pentru a îndepărta vasele de sânge anormale de la suprafaţa

retinei, cele de pe membrana coroidală sunt îndepărtate cu lumină galbenă şi roşie

datorită abilităţii acestora de a pătrunde în ţesut.

Folosirea laserului în dermatologie : îndepărtarea diferitelor afecţiuni ale pielii de

exemplu în tratarea cancerului, îndepărtarea permanentă a firelor de păr etc.

Deci, în medicină laserul este folosit:

- în dermatologie, el serveşte la distrugerea unor tumori cutanate şi a petelor pigmentate;

- în gastroenterologie, laserul este utilizat pentru a pulveriza calculii canalului coledoc;

- pentru deschiderea unei treceri care să restabilească circuitul digestiv în tumorile

evoluate ale esofagului şi ale rectului;

- pentru a coagula vasele în interiorul tubului digestiv (ulceraţii, angioame).

- în ginecologie, el este folosit mai ales pentru a distruge leziunile precanceroase ale

85

colului uterin;

- în neurologie el permite distrugerea unor leziuni tumorale;

- în oftalmologie laserul este utilizat mai întâi de toate în prevenirea dezlipirii de retină,

pentru a face să adere retina şi membranele subiacente la nivelul rupturilor sau leziunilor

degenerative ale retinei, apoi, pentru distrugerea micilor leziuni retiniene şi, în sfârşit,

pentru fotocoagularea microanevrismelor retiniene consecutive diabetului;

- în otorinolaringologie, laserul permite tratarea unor leziuni ale corzilor vocale şi ale

laringelui;

- în pneumologie, laserul permite distrugerea tumorilor care obturează bronhiile mari

stânjenind respiraţia; el mai dă posibilitatea tratării obstacolelor netumorale ca îngustările

consecutive unei cicatrice rămase după întubare sau traheotomie; în caz de tumoră

malignă, laserul poate servi la ameliorarea confortului respirator al bolnavului;

- tratamentul leziunilor virale, cum ar fi virusul papiloma.

Noi indicaţii sunt actualmente în studiu: distrugerea plăcilor de aterom de pe

pereţii arteriali, ale tumorilor prostatei etc.

În ingineria genetică şi nanotehnologii (tehnologii care operează cu obiecte de

dimensiunile 910 − m), cu ajutorul laserului se taie şi se combină fragmente de gene,

molecule biologice şi obiecte cu dimensiuni de ordinul milionimilor de milimetru.

3. Aplicaţiile laserilor în conservare şi restaurare

Tehnologia modernă cu laseri a fost folosită cu succes într-o gamă largă de aplicaţii în

conservarea şi restaurarea operelor de artă.

Curăţirea cu laseri

Cei mai utilizaţi laseri în curăţirea picturilor sunt laserii cu excimeri. Aceşti laseri

emit pulsuri de radiaţie de aproximativ 20ns de lungimi de undă în UV (193 nm, 248nm,

308nm ) şi sunt capabili să îndepărteze materialele strat cu strat în paşi de 0,1-1µm.

Laserii cu excimeri produc aşa numita ablaţie laser (laser ablation), care constă în

vaporizarea aproape instantanee a unei cantităţi mici de material, în urma interacţiei

dintre fasciculul laser focalizat şi suprafaţa care absoarbe puternic. În acest mod, radiaţia

laser facilitează curăţirea suprafeţei, a straturilor pictate afectate de poluare, murdărie,

îmbătrânire, lăsând materialul dedesubt neafectat. S-a demonstrat de asemenea că se pot

86

îndepărta cu aceşti laseri şi suprapictările (repictări). În acest caz s-a îndepărtat o grosime

de material de aproximativ 300 µm.

Metodele tradiţionale de conservare a picturilor se bazează pe tehnici mecanice

sau chimice alese de conservator. Deoarece aceste procese sunt dificil de controlat, este

necesară o expertiză serioasă pentru a obţine rezultate optime. În plus, solvenţii chimici

pot penetra pictura şi să strice pigmenţii şi substratul.

Spre deosebire de aceste tehnici tradiţionale, laserii cu excimeri pot fi utilizaţi

pentru a îndepărta straturile nedorite de pe suprafaţă într-o manieră controlabilă şi

automată. Prin alegerea corectă a parametrilor laser, investigaţii detaliate au demonstrat

că materialul poate fi îndepărtat prin mecanismul de fotoablaţie cu efecte termice sau

fotochimice minime asupra materialului dedesubt.

În general sunt trei tipuri de tehnici de curăţire în care laserii cu excimeri sunt

adecvaţi, şi anume:

- îndepărtarea straturilor superficiale de verni sau regiuni contaminate de pe

picturi;

- curăţirea materialului suport al picturilor (canava, lemn, hârtie);

- îndepărtarea suprapicturilor.

Fiecare din cazurile de mai sus trebuie să fie abordate folosind o strategie

individuală pentru a obţine rezultate optime. De exemplu, curăţirea superficială cu laser

îndepărtează straturile de verni fotodegradate fără contaminarea picturii dedesubt, atunci

când densitatea de energie (fluentă) este în jur de 0,2-0,3 J/cm2. Îndepărtarea

suprapictărilor poate fi deasemenea obţinută în paşi microscopici, în acest caz fluenţa

fiind de până la un ordin de mărime mai mare decât în cazul curăţirii cu laser, deci 2,3

J/cm2. Recent, s-a demonstrat că laserul cu excimer (308 nm) este potrivit şi în

îndepărtarea încrustaţiilor de pe suprafaţa marmurei şi astfel s-a deschis calea pentru

curăţirea sculpturilor.

Pentru curăţirea picturilor, utilizând laserii cu excimeri se foloseşte o instalaţie

compusă din:

- masa x-z pentru montajul şi deplasarea picturii;

- un set de optică adecvată pentru obţinerea fasciculului laser şi a focalizării

acestuia;

87

- module de diagnoză pentru monitorizarea si controlul on-line al procesului de

curăţire.

Mai precis, masa x-z este o instalaţie controlată de computer care este utilizată

pentru deplasarea controlată a picturii în raport cu fascicolul laser. Pentru diagnoză se

poate utiliza controlul on-line prin reflexie difuză sau tehnici spectrale de Laser Induced

Breakdown Spectroscopy (LIBS), holografie, microscopia optică, cromatografia cu gaz,

combinată cu spectroscopia de masă, etc.

Fluorescenţa indusă laser ( Laser Induced Fluorescence: LIF)

LIF este o tehnică analitică multilaterală şi nedistructivă care poate fi efectuată in-

situ asupra operei de artă şi prin care se obţin informaţii asupra structurii moleculare a

pigmenţilor şi a lianţilor, atât organici cât şi anorganici. În acest gen de experiment se

foloseşte un fascicul laser continuu sau pulsat pentru a excita o mică parte de pe suprafaţa

unei probe. După excitare, substanţele organice sau anorganice din probă emit o bandă

largă de fluorescenţă caracteristică substanţelor din care provin. Astfel s-a utilizat această

metodă pentru analiza nedistructivă a pigmenţilor. Experimentele au arătat că o parte din

pigmenţii uzuali, şi chiar un amestec din aceştia au putut fi identificaţi prin emisia

caracteristică de fluorescenţă. În plus, tehnica de fluorescenţă cu laser a fost utilizată

pentru identificarea oxidării fotochimice a verniurilor. La verniul îmbătrânit în UV se

observă o deplasare înspre roşu cu 100 nm a spectrului de fluorescenţă. Una din

inconvenienţe la această tehnică, pe lângă faptul că nu este atât de selectivă, deoarece

benzile moleculare de fluorescenţă sunt foarte largi, este şi dificultatea detectării

pigmenţilor cu randament cuantic foarte scăzut, valori ce sunt practic imposibil de

măsurat în prezenţa unor cantităţi mici de impurităţi fluorescente.

Spectroscopia într-o descărcare indusă laser (Laser Induced Breakdown

Spectroscopy: LIBS)

LIBS este o tehnică bine stabilită, sensibilă şi o metodă analitică selectivă pentru

analiza elementară a materialelor care şi-a gasit aplicare în industrie, geologie şi ecologie.

Această tehnică se bazează pe producerea efectului de ablaţie laser, adică a unei

plasme laser în urma interacţiei fasciculului laser cu suprafaţa şi analiza spectrală a

radiaţiei emise de către atomii sau ionii produşi în această plasmă laser de scurtă durată.

Pentru producerea ablaţiei, se folosesc laseri cu excimeri sau cu Nd:YAG pulsaţi. În

experimentele de tip LIBS, în timpul ablaţiei, se creează un crater microscopic de câţiva

88

zeci de microni în diametru şi 0,1 µm în adâncime. Ca rezultat, afectarea operei de artă

este cu greu vizibilă cu ochiul liber, în special când se foloseşte un laser cu excimer, când

se vaporizează prin ablaţie doar o zecime de nanogram (10-10g)de material. Astfel, tehnica

poate fi caracterizată ca fiind aproape nedistructivă. În plus, deoarece adâncimea de

ablaţie la un singur puls laser de ordinul nanosecundelor (1ns=10-9s) este foarte mică, în

cazul materialelor polimerice de ordinul 0,1-2 µm, rezultă că LIBS poate fi efectuată

pentru a analiza transversal o operă de artă (o pictură) şi obţinerea de informaţii privind

straturile multiple pictate, inscusiv suprapictările.

Majoritatea pigmenţilor folosiţi în pictura din antichitate până în timpurile

moderne sunt formate din substanţe ce conţin metale, iar LIBS este o tehnică ce poate

analiza aceste metale cu o mare selectivitate şi sensibilitate. Spectrele LIBS au fost

colectate de la câţiva pigmenţi general folosiţi, iar spectrele lor prezintă linii atomice

caracteristice, demonstrând abilitatea acestor tehnici de a identifica şi discrimina între

diferiţi pigmenţi.

Spre deosebire de LIF, LIBS este mai selectivă datorită spectrelor de emisie mai

accentuate comparativ cu cele de fluorescenţă de bandă largă. Fiecare lungime de undă a

liniilor de emisie şi poziţia lor relativă pentru cele mai multe dintre elemente, asigură

amprenta caracteristică pentru cele mai multe dintre elemente, ceea ce duce la

identificarea lor unică. Posibilele scăderi ale selectivităţii se datorează interferenţelor

datorate emisiei fondului din matricea organică, compoziţia similară a diferiţilor pigmenţi

sau slaba sensibilitate a detectabilităţii unor elemente, şi în special a nemetalelor.

4. Aplicaţii ale laserilor cu semiconductori

Diodele sunt larg răspândite. Faptul că sunt ieftin de produs, uşor de folosit şi

foarte ieftin de folosit duce la producerea lor în masă şi includerea lor în cele mai multe

aparate electronice ce au nevoie de laseri.

Lecturatoarele de cd, fie ele CD-ROM-uri sau CD-playere, sunt toate prevăzute

cu diode laser. Playerele DVD au, deasemenea, diode laser, doar că acestea emit fascicule

mult mai fine. CD-Writer-ele şi CD-ReWriter-ele folosesc diode ce emit laseri apropiaţi

de IR (800 nm) şi puteri de câţiva W. Aceleaşi diode, dar de puteri ceva mai mici, sunt

prezente şi în imprimantele cu laser. Alte produse care folosesc laseri emisi de diode sunt

cititoarele de coduri de bare (Bar-Code Readers), unele scannere, pointerele etc. Poate cel

89

mai important folos, după CD/DVD-playere, este cel adus în comunicaţii prin fibra

optică. În cadrul fiecărui emiţător pe fibra optica se află o diodă laser. Mai nou s-a

început folosirea diodelor şi in medicină şi în holografie. Diodele nu sunt folosite în

aplicaţiile militare (radar, ghidare rachete, transmisiuni de date prin eter etc.), aplicaţiile

astronomice (distanţe cosmice şi determinări de compoziţii), efectele speciale de

anvergură şi holografia de mare întindere datorită puterii limitate relativ mici pe care o

dezvoltă.

5. “Radarul” cu LASER (LIDAR)

Metoda se bazează pe determinarea exactă a duratei de propagare a unui puls de

lumină între locul de emisie şi ţintă. A devenit de importanţă practică dupa crearea

laserilor de mare putere în impuls.

Energia emisă poate fi concentrată într-un fascicul de deschidere foarte mică (de

ordinul 10-4 rad) permiţând telemetrarea chiar pe distanţe astronomice.Datorită frecvenţei

ridicate a undelor electromagnetice din domeniul optic (∼ 4x1014 Hz) sistemul cu laser va

fi caracterizat de o precizie superioară sistemului radar cu unde centimetrice. Utilizarea

laserului în dispozitivele de telemetrie permite obţinerea unui raport semnal / zgomot

ridicat, datorită benzii spectrale extrem de înguste.

Radarul cu laser este utilizat pentru traiectografia obiectelor mobile îndepartate:

rachete, sateliţi, baloane.

Laserii utilizati sunt cu rubin (λ = 694,3 nm) sau cu sticlă dopată cu neodim (λ =

1060 nm). Sistemul afocal de ieşire are rolul de a micşora divergenţa fasciculului laser de

la valoarea naturala α la o valoare α’ legate prin relaţia:

G2 = α2 / α’2 = S’ / S

Unde G este grosismentul sistemului iar S si S’ sunt suprafeţele fasciculului înainte,

respectiv după parcurgerea sistemului afocal.

Iluminarea obiectului ţintă, aflat la distanţa x de sursă, va fi dată de

E = 4TP / πα’2x2 = 4TPG2 / πα2x2

90

Unde T este factorul de transmisie al atmosferei pe distanţa x iar P este puterea la

maxim a pulsului laser. Divergenţa fasciculului trebuie să fie cât mai mică dar în acelaşi

timp să aibă o valoare suficientă pentru a tolera erorile inerente de vizare.

Mărimea semnalului recepţionat şi mărimea raportului semnal / zgomot depind

esenţial de starea suprafeţei ţintei. Situaţiile posibile se încadrează între două posibilităţi

extreme: suprafaţă perfect difuzantă şi suprafaţă acoperită de elemente reflectătoare.

Radiaţia reflectată va fi recerpţionată cu un telescop a cărui suprafaţă utilă de

intrare trebuie să fie suficient de mare pentru asigurarea unei sensibilităţi ridicate.

Valorile limită ale distanţei depind, în principal, de parametrii instalaţiei şi sunt

funcţii lent variabile de puterea laser emisă.

Transmisia atmosferică joacă un rol important. Ea limitează serios raza de

actiune, în special în cazul unei traiectorii orizontale când absorbţia se produce pe toată

distanţa dintre aparatul de măsură si ţintă. În cazul când obiectul vizat se mişcă în afara

atmosferei absorbţia este importantă numai pe distanţa de câţiva km

În general trebuie să se ţină seama că proprietăţile fasciculului emis sunt variabile

de la un puls la altul.

Determinarea cu precizie a distanţei cu ajutorul radarului optic cere cunoaşterea

cât mai bună a indicelui de refracţie a mediului de propagare.

Fotodetectorii convenţionali şi sistemele de măsurare a timpului permit obţinerea

unei rezoluţii de ordinul nanosecundei, ceea ce corespunde unei precizii absolute asupra

distanţei de ordinul unui metru. Aceasta înseamnă o precizie relativă de 10 -3 pentru

distanţe de un km.

Îmbunătăţirea semnalului de ecou cere echiparea suprafeţei ţintelor cu sisteme

reflectătoare constituite din piese de tip colţ de cub. Un asemenea reflector se află în

prezent plasat şi pe Lună.

6. Laserele tehnologice

Laserele de mare putere cu acţiune continuă sunt utilizate pentru tăierea, sudarea

şi lipirea pieselor din diferite materiale. Temperatura înaltă în fasciculul laser permite

sudarea unor materiale, imposibil de realizat prin alte tehnologii (de exemplu, metal şi

ceramică). Monocromaticitatea înaltă a radiaţiei permite focalizarea razei luminoase într-

un punct de ordinul submicronilor (datorită lipsei dispersiei) şi utilizarea ei la executarea

91

microcircuitelor. La prelucrarea pieselor în vid sau în atmosferă de gaz inert fasciculul

laser poate fi introdus în camera tehnologică printr-un geam transparent.

Fasciculul laser este „ideal” de rectiliniu şi poate servi ca o „riglă” foarte comodă

pentru orientare. Laserul cu impulsuri este folosit în geodezie şi construcţia de case,

pentru măsurarea distanţelor pe teren după timpul de parcurgere de către impulsul de

lumină a distanţei dintre două puncte.

7. Laserul în cercetarea ştiinţifică

Temperatura şi concentraţia extrem de înaltă a radiaţiei laser oferă posibilitatea de

a studia materia în stări extreme, existente numai în adâncurile stelelor fierbinţi. Un rol

deosebit de important îl joacă laserele în fizica nucleară, la declanşarea reacţiilor

termonucleare. În căutarea de noi surse de energie care să satisfacă cerinţele mereu

crescânde ale omenirii, fizicienii au ajuns la ideea utilizării în acest scop a reacţiilor

termonucleare controlate. Una dintre aceste reacţii constă în fuziunea, în anumite condiţii,

a unor nuclee atomice mai uşoare şi formarea unuia mai greu, însoţită de degajarea unei

cantităţi imense de energie.

Laserele oferă şi chimiştilor noi posibilităţi în studiul şi cercetarea reacţiilor

fotochimice, cu multiple aplicaţii în tehnologiile chimice moderne. De exemplu, prin

activarea clorofilei cu ajutorul luminii laser se poate accelera şi controla procesul de

fotosinteză, ceea ce deschide noi perspective în obţinerea pe cale industrială de carbonaţi

şi, eventual, proteine sintetice.

8. Laserele şi calculatoarele

Cu ajutorul laserelor s-ar putea realiza pe cale optică transmiterea semnalelor între

diferitele componente ale calculatorului, fără ca între acestea să existe vreun contact.

92

Chiar şi alimentarea calculatorului s-ar putea face cu ajutorul luminii laser, fără să

mai fie nevoie de curent electric. Impulsurile luminoase de scurtă durată produse de un

laser sunt transmise între diferitele elemente componente prin intermediul unor

„conductori” de lumină de tip special, cunoscuţi sub numele de fibre optice. Aceste

„cabluri” de lumină sunt, de fapt, fire de sticlă foarte subţiri în care lumina, pătrunzând

sub un unghi oarecare faţa de axul firului, se propagă prin reflexii repetate pe pereţii

firului, acoperit cu o peliculă extrem de fină tot din sticlă, dar având indicele de refracţie

mai mic decât al firului. Printr-un astfel de fir cu diametrul de numai 1 mm se pot

propaga simultan sute de impulsuri laser.

Aşadar, se conturează apariţia unei noi generaţii de calculatoare, calculatoarele

optice, căror construcţie şi principiu de funcţionare diferă mult de cele ale calculatoarelor

electronice.

În prezent există diverse proiecte de realizare a acestui nou tip de calculatoare.

Fără a intra în detalii, vom menţiona că viitoarele calculatoare vor avea dimensiuni mult

mai mici decât cele electronice, iar informaţiile obţinute, prelucrate şi redate de

calculatoarele optice nu vor mai fi triate după adresă, ca în calculatoarele electronice, ci

după imagini. Aceasta înseamnă că datele nu mai sunt tratate separat, fiecare în parte, ci

există posibilitatea prelucrării lor în grup, calculatorul optic putând memora dintr-o

singură „privire” o mare cantitate de informaţii. În memoria noilor calculatoare

informaţiile sunt reţinute sub formă de imagini. Se vorbeşte deja de o logică a imaginilor

şi de o aritmetică a imaginilor.

Calculatoarele optice vor avea o memorie imensă, capabilă să cuprindă o cantitate

de informaţii echivalentă cu cea conţinută într-o bibliotecă cu milioane de volume,

precum şi o viteză fantastică, de circa 1013 – 1014 operaţii pe secundă!

Domeniile de utilizare a laserului, deloc complete, punctate mai sus ilustrează

acea imensă influenţă pe care o exercită laserul în dezvoltarea ştiinţei şi tehnicii, precum

şi în viaţa societăţii moderne. Se poate afirma, fără prea mare exagerare, că laserul apărut

la mijlocul secolului XX a produs un impact asupra omenirii, asemănător cu acela pe care

l-a avut energia electrică şi radioul cu o jumate de secol mai înainte.

Convorbiri efectuate cu ajutorul fasciculului laser

93

Modalitatea de transmitere a unor informatii in timp real a cunoscut de-a lungul

timpului mai multe forme, printre primele fiind semnalele cu aburi,semnale luminoase

sacadate avand la baza codul morse , telegraful optic,etc.

Aceste metode au încetat să mai fie folosite din cauza vitezei mici de transmitere

a mesajelor, nesiguranţă şi fragilitate.

Comunicaţia a continuat cu telegraful electric şi telefonul electric, urmănd

comunicarea prin radio şi televiziune. Radiocomunicaţia se realizează prin unde

electromagnetice dintr-o largă gamă de fracvenţe – de la aproximativ 104 Hz (cu lungimi

de unda de zeci de kilometri) până la 1012 Hz (unde submilimetrice).

Crearea laserului a adus frecvenţe de până la 1015 Hz (unde cu lungimea de

zecimi de micron). Aceasta a dus la crearea comunicaţiilor radio în gama optică.

Au fost create şi linii telefonice fără cabluri bazate doar pe radiaţii laser. O astfel

de linie telefonică este la Moscova şi leagă două instituţii una de cealaltă, la o dist de

circa 5 km. Cu ajutorul fasciculului laser care “leaga” staţii telefonice se pot efectua

simultan câteva zeci de convorbiri. O astfel de convorbire a fost stabilită în Armenia,

între Erevan şi Observatorul astronomic de la Biurakan, situat pe muntele Ararat

(lungimea undei fiind de circa 50 km).

De obicei se folsesc laseri cu semiconductori sau cu heliu – neon. Radiaţia laser

este modulată cu ajutorul oscilaţiilor sonore într-un modulator şi este dirijată, printr-o

instalaţie de integrare, spre abonatul aflat la capătul liniei. Acolo, fasciculul laser intra

într-o instalaţie de recepţie şi apoi trece într-un demodulator, care separă oscilaţiile

sonore şi dirijate spre instalaţia de recepţionare a sunetului.

94

BIBLIOGRAFIE

Doru C.A.Duţu - Laserul lumina de mâine, Ed.Albatros, Bucureşti 1981 Blokhintsev, D. - Principes de mecanique quantique, Ed.MIR, Moscou,1981 Brandsen,B.,Joachain,C.J-Introducere în mecanica cuantică,Ed. Tehnică Bucureşti, 1995Brandt, S, Dahmen, H. Mecanica cuantică în imagini, Ed.Tehnică,Bucureşti, 1998Cotăescu, I.- Curs de mecanică cuantică, Tipografia Univ. din Timişoara,1990Muscalu , S - Fizica atomică, Ed. Didactică şi Pedagogică, Bucureşti,1980Omnµes, R.- Interpretarea mecanicii cuantice, Ed.Tehnică, Bucureşti, 1999Preda, A.M. - Introducere în electronica cuantică, Ed. Stiinţifică, Bucureşti, 1995Ţiţeica, Ş - Curs de fizică statistică şi teoria cuantelor, Ed.ALL, Bucureşti,2000Ţiţeica, Ş - Mecanica cuantică, Ed.Academiei RSR, Bucureşti 1984Vescan, T.-Cuantele, o revoluţie în fizică, Ed. Enciclopedică Română,Bucureşti, 1971 Wichmann, E.H. - Fizica cuantică, vol.IV, cursul de fizică Berkeley,Ed.Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1983.Zaharie, I. - Culegere de probleme de fizică, vol.II, Litografia Univ.Tehnice Popescu I. M., Preda A. M., Tudorache St., Cristescu C. P., Cone G., Sterian P. E., Lupascu A. I. – Aplicaţii ale laserilor, Editura Tehnică, Bucureşti, 1979.Revue Internationale de Defense, colecţia 1974-1990.Popescu I. M. – Fizica şi ingineria maserilor şi laserilor, partea a II a, Universitatea de Ştiinte Ingineresti „Politehnica" din Bucuresti, Catedra de Fizica, Bucuresti, 1992.Dumitras D. C. – Biofotonica, Editura All, Bucuresti, 1999Adelina Ciocan- Note de curs, 2002Siân Ede- Art&Sience, Editura I.B. Tauris, London, 2005J. F. Asmus, C. G. Murphy, W. H. Munk-Studies on the Interaction of Laser Radiation with Art Artifacts Developments in Laser Technology II, Ed. by R. F. Weurker, Proc. SPIE 41, 19 (1973)

http://science.howstuffworks.comhttp://www.repairfaq.orghttp://www.aps.org/publicationshttp://technology.niagarac.on.ca/courses http://laserul.idilis.rohttp://www.actrus.ro/reviste/4_2000 http://alpha1.infim.ro/cost/pagini/handbookwww.getty.eduhttp://www.art-innovation.nl/index/LASERACThttp://icom.museum

95