Spójne światło czyni cuda – rzecz o Laserach

Lasery,  są chyba jednym z najbardziej „cudownych” wynalazków współczesnej techniki.  Z pewnością w dużym stopniu odpowiadają za to filmy SF,  w których laser użyty jako broń jest wszechobecny – od przestrzeni kosmicznej,  po walki na lądzie,morzu i w powietrzu. W realnym życiu, lasery dyskotekowe czy lasery służące omawianej już sztuce holografii,  a może i lasery chirurgiczne – którymi dokonuje się operacji oka,czy lasery w napędach cd i popularnych „wskaźnikach” podczas wykładów.  Artykuł na polskojęzycznej wikipedii o laserach jest bardzo dobry, bardzo dokładny i polecam uważne zapoznanie się z nim, jako uzupełnieniem – choć może, ten artykuł będzie właściwie nieco bardziej ludzkim uzupełnieniem tamtego ?

Tekst ten powstaje, by wyjaśnić niektóre kwestie techniczne w mam nadzieję bardziej zrozumiały sposób.

Po pierwsze – co jest charakterystyczną właściwością dla laserów ? Spójne,często spolaryzowane światło i wiązka o bardzo małej rozbieżności. Określenie „bardzo mała rozbieżność”  ma zasadnicze znaczenie,gdyż znaczy ono tyle,że na dłuższe odległości laser nie daje skoncentrowanego światła. Promień lasera wycelowany w księżyc rozproszyłby się prawdopodobnie na obszarze kilku kilometrów (no ale, odległość Ziemia-Księżyc to 384 403 km). Stąd użycie go np. w walce kosmicznej,tak jak pokazują to na filmach SF niekoniecznie dałoby tak dobre efekty,  jakich się oczekuje oglądając np. „Gwiezdne Wojny” czy „Star Trek”. Mimo to jednak, nie tylko mała rozbieżność wiązki światła ma znaczenie,  jeśli chodzi o przekazywanie energii przez światło laserowe – stąd,  np. za pomocą laserów można niestety oślepiać pilotów samolotów lecących np. kilka kilometrów nad ziemią. I faktycznie, podczas Argentyńsko – Brytyjskiej wojny o Falklandy Brytyjczycy użyli laserów przeciwko argentyńskim pilotom. Oczywiście, dzięki postępowi technicznemu można uzyskać mniej rozbieżne wiązki, a dowodzą tego choćby ostatnie eksperymenty z laserami wojskowym – w tym ostatnio zestrzelenie tak drona przez US Navy:

Wcześniejsze materiały na temat systemu LaWS:

Tym niemniej, problemem przemawiającym przeciwko użyciu lasera w przestrzeni kosmicznej ,byłaby niska sprawność energetyczna laserów, nieporównywalna np.  z takim działkiem elektronowym,spotykanym w mikroskopii elektronowej. Mówiąc ogólnie – lasery wciąż dużą część energii (zwykle – większą część) wypromieniowują w postaci ciepła. Tymczasem w próżni elektrony nie napotykają zazwyczaj na gaz, bądź inną materię, na której mogą być rozproszone w drodze do właściwego obiektu.

Przejdźmy jednak do wyjaśnienia CZYM jest laser i jak działa.

LASER to skrót od Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation czyli wzmocnienie światła przez emisję wymuszoną promieniowania. To i podział w wikipedii na:

  • ośrodek czynny
  • układ pompujący
  • rezonator optyczny

Nie wyjaśnia jednak krótko i zrozumiale sedna.A sedno jest takie:

Wszystko zaczyna się w układzie pompującym, który powoduje wzbudzenie jak największej liczby elektronów w ośrodku czynnym do stanu wzbudzonego,czyli takiego, który potem będzie emitował fotony. Następnie, foton o odpowiedniej energii wyzwala emisję większej ilości fotonów z materiału:

https://en.wikipedia.org/wiki/Stimulated_emission#mediaviewer/File:Stimulated_Emission.svg

Następnie światło trafia do rezonatora optycznego i odbijając się między dwoma zwierciadłami – również wskutek emisji wymuszonej – ulega wzmocnieniu. W efekcie, otrzymujemy pewnego rodzaju reakcję łańcuchową, w dodatku – dzięki wielokrotnej wędrówce fotonów uzyskiwana jest znaczna równoległość. Jedno z luster jest półprzepuszczalne. Zazwyczaj znaczy to tyle,że w laserze impulsowym przepuszczalność jest „modulowana czasowo” (można więc jak gdyby powiedzieć,że lustro zostaje „otwarte”).  Ze względu choćby na polaryzację fali nie stanowi to znacznego problemu, zwłaszcza jeśli lustro jest jednocześnie filtrem polaryzacyjnym, który działa np. nieco podobnie, jak poniżej (ale może nie musi !) :

Należy przy tym jednak pamiętać, że w różnych laserach stosowane są różne – nawet znacznie odmienne od przedstawionych – rozwiązania.  Nie znam się jednak obecnie, aż tak na rodzajach laserów,by tłumaczyć to aż tak dokładnie.

Przykład budowy lasera – wskaźnik laserowy:

https://en.wikipedia.org/wiki/Laser#mediaviewer/File:Green-laser-pointer-dpss-diagrams.jpg

Jeśli chodzi o pierwsze lasery – pierwszym działającym laserem był laser rubinowy:

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/2/25/Ruby_laser.jpg/800px-Ruby_laser.jpg

Twórcą tego rodzaju, pierwszego w historii lasera był Theodore H.Maiman. który opisał go w artykule :

„Stimulated Optical Radiation in Ruby”. w czasopiśmie Nature, 187 4736, pp. 493-494.  w 1960 r. [istotny fragment artykułu znalazłem tutaj]

Współcześnie istnieje wiele rodzajów laserów stosowanych we wszystkich dziedzinach nauki i techniki:

Dahn, Wikipedia, CC BY-SA 3.0

Zastosowania laserów w inżynierii materiałowej to m.in:

Niestety, niska sprawność laserów oraz konieczność stosowania odpowiednich środków, w celu zmniejszenia zdolności niektórych materiałów (zwłaszcza: metalicznych) do odbijania światła nie sprzyja specjalnie laserowemu cięciu metali i ich przetapianiu i obróbce cieplnej.Mimo to sama koncepcja „cięcia światłem” słusznie fascynuje,a laser i tak znajduje poważne zastosowanie w obróbce przemysłowej materiałów,ze względu np/ na swą dużą dokładność.

Sama technika laserowa jest na tyle złożona, że osoby zainteresowane muszę odesłać do odpowiednich książek z tej dziedziny.

Reklamy

Skomentuj

Wprowadź swoje dane lub kliknij jedną z tych ikon, aby się zalogować:

Logo WordPress.com

Komentujesz korzystając z konta WordPress.com. Wyloguj / Zmień )

Zdjęcie z Twittera

Komentujesz korzystając z konta Twitter. Wyloguj / Zmień )

Facebook photo

Komentujesz korzystając z konta Facebook. Wyloguj / Zmień )

Google+ photo

Komentujesz korzystając z konta Google+. Wyloguj / Zmień )

Connecting to %s