ΛΕΙΖΕΡ(LASER)

ΛΕΙΖΕΡ(LASER)

ΛΕΙΖΕΡ(LASER) 

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

 Τα lasers είναι διατάξεις παραγωγής (οπτικών) ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων με τη μέθοδο της «εξαναγκασμένης εκπομπής ακτινοβολίας».

Τα lasers είναι διατάξεις παραγωγής (οπτικών) ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων με τη μέθοδο της «εξαναγκασμένης εκπομπής ακτινοβολίας»

 Η λέξη laser (λέιζερ) προέρχεται από τα αρχικά των λέξεων «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation» που στα ελληνικά σημαίνει «ενίσχυση φωτός με εξαναγκασμένη εκπομπή ακτινοβολίας».Όπως γίνεται λοιπόν αντιληπτό,το laser είναι ένας ενισχυτής φωτός.

Διάγραμμα του πρώτου laser ρουμπινιού 

 Ιστορικά αναφέρουμε ότι ο Albert Einstein είχε αποδείξει τη δυνατότητα ύπαρξης της «εξαναγκασμένης εκπομπής ακτινοβολίας» από το 1917.

Εξαρτήματα του πρώτου laser ρουμπινιού 

 Το 1958 υποδείχθηκε η αρχή λειτουργίας του laser από τους C.H. Towns (Τάουνς) και A.L. Schawlow (Σάλοου).Το 1960 κατασκευάστηκε από τον Τ.Η. Maiman (Μέιμαν) το πρώτο laser ρουμπινιού (ρουβιδίου).

ΕΞΑΝΑΓΚΑΣΜΕΝΗ ΕΚΜΠΟΜΠΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ

 Όπως είδαμε στους λαμπτήρες,στο πυρακτωμένο νήμα βολφραμίου τα ενεργειακά άλματα (αποδιεγέρσεις) των ατόμων γίνονται με τυχαίο τρόπο και σε τυχαίες χρονικές στιγμές.Αυτού του τύπου η αποδιέγερση και εκπομπή ακτινοβολίας χαρακτηρίζεται ως αυθόρμητη (σχήμα α).

Αλληλεπίδραση ατόμου-ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. 
(α) Διέγερση και αυθόρμητη εκπομπή, 
(β) Διέγερση και εξαναγκασμένη εκπομπή

 Για να προκληθεί εξαναγκασμένη αποδιέγερση και εκπομπή ακτινοβολίας,πρέπει ένα διεγερμένο άτομο να «φωτιστεί» από φωτόνιο ενέργειας ίσης με την ενεργειακή διαφορά δύο ενεργειακών σταθμών.Τότε εκπέμπεται από το άτομο ένα φωτόνιο πανομοιότυπο με αυτό που του προκάλεσε την αποδιέγερση.Το φωτόνιο που προκάλεσε την αποδιέγερση και αυτό που εκπέμφθηκε κατά την αποδιέγερση προστίθενται και δημιουργούν κατά την έξοδό τους ακτινοβολία διπλάσιας έντασης από εκείνη που χρησιμοποιήθηκε για τη διέγερση (σχήμα β).Έτσι έχουμε ενίσχυση της ακτινοβολίας.

ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ  ΤΟΥ ΛΕΙΖΕΡ

 Υπάρχουν πολλοί τύποι laser.Ο κάθε τύπος έχει δικά του χαρακτηριστικά και κατασκευαστικές λεπτομέρειες.Παρ' όλα αυτά υπάρχουν ορισμένες βασικές αρχές στη λειτουργία τους,κοινές για όλους τους τύπους.

Σχηματική παράσταση μιας διάταξης laser

  Τα τμήματα που μπορούμε να διακρίνουμε σε μία διάταξη laser είναι:

α) το ενεργό υλικό,

β) το οπτικό αντηχείο ή κοιλότητα συντονισμού και

γ) το τμήμα διαδικασίας άντλησης.

ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΛΕΙΖΕΡ

 Με τη βοήθεια της διάταξης laser ρουβιδίου θα προσπαθήσουμε να κατανοήσουμε τον τρόπο λειτουργίας οποιασδήποτε διάταξης laser και το ρόλο κάθε τμήματος της.
 Το ενεργό υλικό σ' αυτό τον τύπο laser είναι το ρουβίδιο (ρουμπίνι),δηλαδή το τριοξείδιο του αργιλίου (Αl2Ο3) με προσμείξεις χρωμίου.Οι ενεργειακές στάθμες του ρουβιδίου που προσφέρονται για την παραγωγή ακτίνων lasers είναι τρεις.

(α),(β)Διαδικασία άντλησης και (γ) αντιστροφή πληθυσμών

 Σε συνηθισμένες συνθήκες τα περισσότερα άτομα βρίσκονται στη θεμελιώδη στάθμη (Ε1).Φωτίζοντας το ρουμπίνι με πράσινο φως,τα ιόντα του διεγείρονται και ανέρχονται στη στάθμη Ε3.Η διαδικασία αυτή ονομάζεται άντληση (σχήμα α,β).Στη στάθμη Ε3 παραμένουν απειροελάχιστο χρόνο και μεταπίπτουν αυθόρμητα στην Ε2,που είναι στάθμη χαμηλότερης ενέργειας.Η διάρκεια παραμονής τους στην Ε2 είναι πολύ μεγαλύτερη από ότι στην Ε3.Τέλος επιστρέφουν στη θεμελιώδη Ε1.

Σχηματική παράσταση εξαναγκασμένης αποδιέγερσης και δημιουργίας φωτός laser

 Η μεγάλη σχετικά διάρκεια παραμονής των ατόμων στην Ε2 έχει ως αποτέλεσμα να βρίσκονται στην ενεργειακή αυτή κατάσταση περισσότερα άτομα από ότι στη θεμελιώδη.
 Η κατάσταση αυτή είναι αντίθετη από τη φυσιολογική,λέγεται αντίστροφη πληθυσμών (σχήμα γ) και συντηρείται με την αδιάκοπη άντληση από τη στάθμη Ε0 στη στάθμη Ε1.

 Όταν ένα άτομο μεταπίπτει από τη στάθμη Ε2 στην Ε1,εκπέμπει φωτόνιο συχνότητας f=(E2-E1)/h.Το φωτόνιο (από στην πορεία του συγκρούεται με ένα άλλο άτομο,που βρίσκεται στη στάθμη Ε2.Το άτομο αυτό με τη σειρά του εκπέμπει ένα πανομοιότυπο φωτόνιο και μεταπίπτει στη θεμελιώδη στάθμη Ε1.Τα δύο φωτόνια τώρα συγκρούονται με άλλα δύο άτομα,οπότε εκπέμπονται νέα φωτόνια κ.ο.κ.

Σχηματική παράσταση της διαδικασίας παραγωγής φωτός laser

 Η ράβδος ρουβιδίου τοποθετείται μεταξύ δύο επίπεδων κατόπτρων,όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα.Η επιλογή των επίπεδων κατόπτρων είναι τέτοια,ώστε το οπίσθιο (Α) να αντανακλά όλα τα φωτόνια,ενώ το εμπρόσθιο (Β)(κάτοπτρο εξόδου) να είναι ημιπερατό και να επιτρέπει την έξοδο ενός ποσοστού φωτονίων.
 Το σύστημα των δύο αυτών κατόπτρων ονομάζεται οπτικό αντηχείο.

 Οι ακτίνες που ακολουθούν πορεία κατά μήκος της ράβδου,φτάνοντας στο κάτοπτρο Β,ανακλώνται και γυρίζουν πίσω.Στο δρόμο τους αποδιεγείρουν και άλλα άτομα και η δέσμη τους γίνεται πιο ισχυρή.Φτάνοντας στο κάτοπτρο Α ανακλούνται και,ακολουθώντας πορεία προς το κάτοπτρο Β,αποδιεγείρουν στο δρόμο τους πολλαπλάσια άτομα.Έτσι η ισχύς της δέσμης μεγαλώνει τόσο,ώστε ένα μέρος της καταφέρνει να διαπεράσει το ημιδιαφανές κάτοπτρο (Β).
 Η δέσμη του φωτός που εξέρχεται από το κάτοπτρο (Β) είναι το φως laser.

ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΟΥ ΦΩΤΟΣ ΛΕΙΖΕΡ

 Το φως laser που εκπέμπεται έχει τα παρακάτω χαρακτηριστικά,που το διαφοροποιούν από το φως άλλων φωτεινών πηγών:

α) Κατευθυντικότητα.
 Η δέσμη φωτός είναι πολύ λεπτή και μένει παράλληλη,ακόμα και αν ταξιδέψει μεγάλες αποστάσεις,όπως από τη Γη στη Σελήνη.

β) Μονοχρωματικότητα.
 Το φως που εκπέμπεται από μία πηγή laser έχει μια συγκεκριμένη συχνότητα (χρώμα).

γ) Λαμπρότητα.
 Η δέσμη laser συγκεντρώνει μεγάλη οπτική ισχύ και,επειδή είναι πολύ λεπτή,είναι χιλιάδες φορές λαμπρότερη από τον Ήλιο.Γι' αυτό το λόγο δεν πρέπει να κατευθύνεται η δέσμη στα μάτια.

Εργαστηριακά «κανόνια» lasers με διαφορετικά χρώματα.Κόκκινο (635 nm),πράσινο (532 nm),και μπλε-ιώδες (445 nm) λέιζερ

δ) Συμφωνία φάσης.
 Το φωτόνιο που προκαλεί την αποδιέγερση αναδύεται μαζί με το φωτόνιο που εκπέμπεται.Αυτό συμβαίνει σε όλες τις διαδοχικές αποδιεγέρσεις.

ε) Εστίαση.
 Επειδή έχει μεγάλη κατευθυντικότητα και είναι μονοχρωματική,μπορεί να εστιαστεί με κατάλληλους φακούς.

ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΩΝ ΛΕΙΖΕΡΣ

 Ο κατάλογος εφαρμογών των lasers είναι μεγάλος και εμπλουτίζεται με εντυπωσιακή ταχύτητα.Παρακάτω αναφέρονται μερικές από αυτές:

α) Μέτρηση αποστάσεων.
 Με τη βοήθεια του laser μετράμε αποστάσεις πολύ μεγάλες (Γη-Σελήνη,διάμετρος Γης,μέγεθος ενός αστεριού) ή πολύ μικρές (μέγεθος ατόμου) κτλ.

β) Στη βιομηχανία.
 Χρησιμοποιούνται ως εργαλεία κοπής και διάτρησης εξαιρετικής λεπτότητας για πολύ σκληρά υλικά,όπως ο χάλυβας και τα διαμάντια,αλλά και στη συγκόλληση.

γ) Στην Ιατρική.

Εγχείρηση ματιού με τη βοήθεια νυστεριού laser

 Οι γιατροί χρησιμοποιούν νυστέρια lasers στις «λεπτές» εγχειρήσεις (συγκόλληση αμφιβληστροειδούς,πλαστική χειρουργική κτλ.).

Με τη βοήθεια lasers οι μηχανές των καταστημάτων «διαβάζουν» τις τιμές των εμπορευμάτων

 Η λεπτή δέσμη laser παρέχει μεγάλη ακρίβεια στη χρήση και επιτρέπει αναίμακτες τομές.Επίσης χρησιμοποιούν το laser στα ενδοσκόπια,στη φωτοθεραπεία αλλά και για την απαλλαγή των δοντιών από την «πέτρα».

δ) Στην πυρηνική σύντηξη.

Συσκευή μέτρησης αποστάσεων με ακτίνες lasers

 Η μελλοντική κατασκευή των lasers σύντηξης,που θα προκαλέσουν την πυρηνική σύντηξη ελαφρών στοιχείων,όπως το δευτέριο και το τρίτιο (ισότοπα του υδρογόνου),θα απαλλάξει την ανθρωπότητα από τα πυρηνικά απόβλητα και τον κίνδυνο πυρηνικού ατυχήματος στα εργοστάσια παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας.

ε) Στη στρατιωτική τεχνολογία.
 Χρησιμοποιούνται για σκόπευση,καταστροφή στόχων,καθοδήγηση βλημάτων κτλ.

στ) Στη μουσική και στην τηλεόραση.
 Εγγράφουν και παίζουν μουσική (CD) και προγράμματα βίντεο.

ζ) Στις τηλεπικοινωνίες.
 Η δέσμη laser παρουσιάζει μια ξεχωριστή ικανότητα να μεταφέρει μεγάλο πλήθος πληροφοριών.

η) Στην οπτική ολογραφία.
 Με τη βοήθεια των lasers επιτυγχάνουμε τρισδιάστατη απεικόνιση αντικειμένων σε φωτοευαίσθητες επιφάνειες ειδικών φιλμς.