(Timp citire: 8 - 9 minute)

LaserDacă pe mulţi dintre noi termenul “laser” ne trimite cu gândul la săbiile cavalerilor jedi, probabil puţini ştiu că CD-playerele, cititoarele de coduri de bare sau chirurgia oculară sunt domenii în care laserul este folosit zi de zi. Cum funcţionează laserul? În cele ce urmează...

 

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. Intr-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.

 

Atomii şi lumina

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 (pot orbita, aşa cum, din dorinţa de a populariza concepte greu reprezentabile din fizica modernă, este impropriu descrisă mişcarea electronilor în multe surse), 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 trebuiesc "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.

 

atomul si lumina

 

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 al 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 laserului

 

Lumina laser

 

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. 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.

 

Emisia stimulată

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 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.

Cum funcţionează un laser?

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.

 

laser cu rubin

 

 

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 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.

 

laser

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 dacă 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.

Bibliografie
science.howstuffworks.com/laser.htm/printable
www.repairfaq.org/sam/laserfaq.htm#faqilp2
www.aps.org/publications/apsnews/200508/history.cfm
technology.niagarac.on.ca/courses/tech238g/Lasers.html