Tehnologii Bazate pe Efectul Laser

Efectul LASER constă în amplificarea luminii prin emisie stimulată de radiaţie. Este un

mod special de a produce o radiaţie în domeniul vizibil (sau în apropierea domeniului vizibil),

inexistentă în natură. Efectul LASER are utilizări extrem de largi la ora actuală, atât în ceea ce

priveste prelucrarea materialelor, cât si în alte domenii: măsurători, transmisii de date,

medicină, etc. Este o tehnologie de vârf, apărută de câteva decenii si cu răspândire tot mai

largă.

2.1 Fenomene fizice

Să considerăm o radiaţie luminoasă care stăbate un mediu optic, de lungime L. Dacă la

intrarea în mediu intensitatea radiaţiei este I0, pe parcurs are loc absorbţia radiaţiei, astfel că la

iesire intensitatea va avea valoarea:

unde αλ este coeficientul de absorbţie, care depinde de natura mediului si de lungimea de

undă λ a radiaţiei. Deoarece creste pozitiv, rezultă /</0 , sau altfel spus: în natură radiaţia

luminoasă suferă o atenuare.

Instalaţiile laser realizează amplificarea radiaţiei, deci se obţine αλ negativ.

Mecanismul producerii radiaţiei laser este complex si face obiectul fizicii cuantice.

Câteva elemente se prezintă în continuare.

Este cunoscut că prin excitarea unui atom, un electron periferic (prin absorbţie de

energie) poate ajunge pe un nivel superior de energie Es, dar revine, după un timp scurt si

aleator, pe un nivel energetic inferior Ei, emiţându-se o cuantă de energie electromagnetică:

h v = Es -Ei

unde h este constanta lui Planck, iar v - frecvenţa radiaţiei emise. Aceasta este asa numita

emisie spontană, prin care se produce lumina în natură. Lungimea de undă este legată de

frecvenţă si de viteza undelor electromagnetice:

Fiecare atom prezintă un număr finit de nivele energetice pe care pot tranzita

electroni. La revenirea pe nivele inferioare de energie, se vor emite radiaţii, ce constituie un

spectru discret.

Să presupunem că o radiaţie de lungime de undă λ, ce ia nastere printr-o tranziţie între

două nivele energetice E2 si E1, străbate un mediu optic.

Valoarea coeficientul de absorbţie

depinde de numărul de atomi din unitatea de volum care

au electroni ce se află pe nivelele E1 si E2 (asa numitele populaţii n1 si n2 ale nivelelor E1 si

E2), de densitatea de radiaţie ρ(A) [J/m3], de timpul de viaţă t2 al electronilor pe nivelul E2 si

de lungimea de undă λ .

Valoarea acestui coeficient este:

Fig. 4.1 Absorb
ia si emisia spontană Fig.1. Absorbţia si emisia spontană

Unde C1 si C2 sunt constante. Primul termen corespunde emisiei spontane, iar cel de-al doilea

absorbţiei.

Pentru un sistem atomic aflat în echilibru termodinamic, la o anumită temperatură T,

populaţiile sunt repartizate după asa numita distribuţie Boltzman:

Unde g1 si g2 sunt ponderi statistice ale nivelelor de energie E si E2, iar k - constanta lui

Boltzman. Numărul de electroni n2 de pe nivelul energetic E2 este mult mai mic decât (de

circa 1000 ori, la temperatura ambiantă si λ în domeniul vizibil), rezultând αλ > 0.

Pentru a avea o amplificare a luminii (I>I0 ) trebuie să avem αλ <0. Cum primul termen

în relaţia de mai sus a lui αλ este pozitiv, rezultă că este necesar, în primul rând, ca: n2 » n1.

Acest fenomen se numeste inversiune de

populaţii, iar mediul se află departe de echilibrul termodinamic.

Printr-un fenomen de pompaj se aduc electronii periferici, în număr mare, pe nivele de

energie Ep (figura 4.2). De aici, printr-o tranziţie neradiativă (se produce doar încălzirea

mediului) electronii ajung pe nivelul E2.

în cazul laserului, revenirea pe nivelul E1 se face la ciocnirea cu un foton,

deci emisia este stimulată. Dacă fotonul incident are aceeasi frecvenţă ca si cel emis se

produce o multiplicare de fotoni si apare efectul de amplificare a radiaţiei.

Inversiunea de populaţii, realizată prin pompaj, conduce - după cum s-a arătat - la

n2» n 1 , dar pentru ca termenul al doilea în relaţia lui αλ să fie mai mare în modul

decât primul, este necesară cresterea densităţii de radiaţie ρ(λ).

Acest lucru se face prin utilizarea unei cavităţi rezonante, realizată cu ajutorul unor

oglinzi speciale, între care radiaţia suferă reflexii multiple.

În figura 3 se prezintă schematic construcţia laserului.