După cum se ştie, atomii şi moleculele corpurilor se află într-o continuă mişcare dezordonată, energiile lor cinetice fiind distribuite în jurul unor anumite valori medii ce depind numai de temperatură. În afară de aceasta, atomii şi moleculele se pot afla în diferite stări de energie (stări electronice, stări de vibraţie, stări de rotaţie, etc.), astfel încât absorbţia sau cedarea energiei de către aceste particule are loc numai în cuante (cuantă de energie = cantitate determinată şi finită de energie care poate fi emisă de un sistem atomic, molecular) corespunzătoare tranziţiei între două stări energetice staţionare. Distribuţia atomilor sau moleculelor pe aceste stări energetice este de asemenea funcţie de temperatura corpului. Considerăm trei nivele de energie ale unui atom E3 > E2 > E1 . Simbolizăm prin cerculeţe numărul de atomi care la o temperatură dată au energia corespunzătoare nivelelor respective.
________________ E3 , N3 unde E1, E2, E3 sunt energiile iarN1, N2, N3 reprezintă numărul de atomi corespunzătoare celor trei nivele
__O__O__O__O__O____E2 , N2
__O_O_O_O_O_O_O_ E1 , N1
Se constată că nivelul cel mai de jos, N1, este populat cu numărul cel mai mare de atomi, numărul acestora scăzând o dată cu trecerea pe un nivele energetic superior, deci N1 > N2 > N3. Aceasta este repartiţia obişnuită a atomilor unui corp aflat în echilibru termodinamic (starea în care toţi parametrii caracteristici nu se modifică în timp ) la o temperatură dată.
Crescând temperatura corpului, se constată o modificare a distribuţiei atomilor pe cele trei niveluri energetice, după cum se vede în desenul de mai jos :
__O____O_____O___ E3 , N3 unde E1, E2, E3 sunt energiile iar
N1,N2,N3 reprezintă numărul de atomi corespunzătoare celor trei nivele
__O_O_O_O_O_O_O__ E2 , N2
__O__O__O__O_O__ E1, N1
Se constată că sistemul devine tot mai bogat în atomi excitaţi pe nivele de energie din ce în ce mai mare.
PRINCIPIUL DE FUNCŢIONARE AL LASERULUI
LASER = Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation (Amplificarea luminii prin emisia stimulată a radiaţiei).
Un atom aflat în starea de energie superioară E2 poate reveni pe un nivel inferior E1, fie spontan degajând o energie egală cu diferenţa dintre energiile celor două nivele, E2 – E1 numită emisie spontană , fie ca urmare a interacţiunii cu un foton (foton = particula elementară a radiaţiei electromagnetice care posedă energie şi impuls şi care nu poate exista în stare de repaus) de frecvenţă egală cu cea corespunzătoare intervalului dintre cele două nivele numită emisie indusă sau emisie stimulată.
Emisiile spontane şi cele stimulate au fost considerate pentru prima dată de către Albert Einstein în anul 1917.
In cazul emisiei stimulate s-ar putea presupune că se obţine o amplificare a radiaţiei incidente, dacă pe nivelul de energie E2 s-ar găsi destul de mulţi atomi.
În realitate, fenomenul de amplificare practic nu există, deoarece la echilibrul termodinamic nivelul superior E2 este mult mai puţin populat decât E1, atunci fenomenul cel mai frecvent la iradierea unei substanţe este interacţiunea fotonilor incidenţi cu numeroşii atomi aflaţi în starea energetică inferioară E1. Această interacţiune poate duce la excitarea atomului în starea energetică E2.
Atomul stă însă în starea excitată un timp limitat numit viaţa medie a stării excitate, după care revine în starea de energie inferioară E1, fie prin cedarea energiei E2 – E1 atomilor vecini, sub formă de căldură, fie prin emisia unui foton.
Acest nou foton poate ieşi din corpul iradiat sau poate fi la rândul său absorbit în urma unor procese de excitare.
Deci, în condiţii normale, din corpul iradiat va ieşi în unitatea de timp un număr de fotoni mai mic decât cel incident şi astfel radiaţia incidentă va fi totdeauna slăbită în urma trecerii ei prin corpul respectiv.
Din cele spuse mai sus reiese că orice corp iradiat va emite o putere mai mică decât puterea incidentă,datorită pierderilor, care până la urmă duc la încălzirea corpului. O parte a fotonilor vor fi absorbiţi de atomii aflaţi pe nivelul inferior E1, provocând tranziţia lor pe nivelul E2. Numărul tranziţiilor de pe nivelul energetic inferior pe cel superior va fi proporţional cu numărul fotonilor incidenţi şi cu numărul atomilor de pe nivelul energetic inferior. O parte din atomii aflaţi în starea energetică superioară vor reveni spontan pe nivelul energetic inferior. O altă parte din atomii de pe nivelul E2 se vor dezexcita în urma acţiunii fotonilor incidenţi (emisie stimulată). Dacă, folosind o anumită sursă de energie, realizăm inversiunea de populaţie între două nivele energetice ale atomilir unui mediu dat (care în acest caz se mai numeşte şi mediu activ),iar intensitatea radiaţiei incidente depăşeşte intensitatea de prag (intensitatea radiaţiei incidente necesară neglijării emisiei spontane), puterea radiată de mediul activ poate deveni mai mare decât puterea incidentă şi se obţine în acest fel un amplificator cuantic de radiaţie prin emisie stimulată (laser).
PROPRIETĂŢILE RADIAŢIEI LASER
Într-o sursă obişnuită atomii excitaţi emit radiaţii electromagnetice complet întâmplător şi independent unul de altul. Între semnalele luminoase ale atomilor nu există diferenţă de fază constantă în timp, ele se întăresc şi se slăbesc reciproc în mod haotic, conducând la o intensitate medie şi de aceea se spune că lumina emisă de surse obişnuite nu este coerentă.
Într-o cavitate laser, deşi emiţătorii de lumină sunt tot atomi individuali, ei emit în fază cu radiaţia stimulatoare.
Lumina astfel emisă este coerentă, undele laser nu interferează haotic, ci numai prin adunare, aceasta făcând ca intensitatea fasciculului laser să fie foarte mare.
La creşterea intensităţii contribuie şi faptul că marea cantitate de fotoni, deci de energie, este emisă într-un timp extrem de scurt prin dezexcitarea stimulată a unui număr imens de atomi excitaţi.
Valoarea intensităţii emise depinde de tipul de laser folosit. Se cunosc mai multe tipuri de laser :
· Laser cu rubin – bară cilindrică din rubin roz tăiată dintr-un monocristal obţinut pe cale sintetică din corindon, oxid de aluminiu – Al2O3 – impurificat în mod controlat cu ioni trivalenţi de crom în proporţie de 0,05 %
· Laser cu gaz – foloseşte un amestec de heliu şi neon
· Laser cu semiconductori – foloseşte arseniura de galiu
Intensităţi foarte mari au fost obţinute cu laserii cu solid.
De exemplu, dacă lumina emisă de către un laser obişnuit de 100 Kw este concentrată cu ajutorul unui sistem optic pe o suprafaţă de 0,008 mm2, se obţine o iluminare a acestei suprafeţe de 5 x 104 ori mai mare decât iluminarea obţinută de la Soare cu acelaşi sistem optic, iar intensitatea luminoasă este cam de 20 de ori mai maredecât intensitatea emisă de o arie egală din suprafaţa Soarelui.
Dispozitivele laser speciale, care produc aşa- numitele pulsuri gigantice, pot da intensităţi de 1 000 000 de ori mai mari decât laserii obişnuiţi.
O altă calitate a fasciculului laser este monocromaticitatea sa, rezultată printre altele, din faptul că tranziţiile atomilor de pe nivelul suprapopulat sunt practic simultane.
Fasciculul cel mai apropiat de monocromatismul ideal îl dau laserii cu gaz, apoi cei cu solid (rubin, sticlă cu neodiu,etc.), apoi cei cu semiconductori.
Proprietatea cea mai importantă a radiaţiei laser este direcţionalitatea sa extrem de de pronunţată.
În timp ce lumina unei surse obişnuite poate fi transformată într-un fascicul paralel numai cu ajutorul unor sisteme optice colimatoare, lumina laser este emisă de la început sub forma unui fascicul paralel.
Paralelismul fascicului emergent este un rezultat al acţiunii oglinzilor rezonatorului, datorită cărora multiplele reflexii din cavitate pot avea loc, practic, numai după direcţia axei sale.
În timp ce un reflector obişnuit de lumină, orientat de pe Pământ spre Lună, ar lumina pe suprafaţa acesteia o arie de aproximativ 27 000 Km în diametru, un fascicul laser luminează o porţiune cu un diametru mai mic de 3 Km.
Aceasta a permis determinarea cu foarte mare precizie a distanţei de la Pământ până la Lună.
După domeniul spectral în care funcţionează, dispozitivele de generare şi amplificare a radiaţiei prin emisie stimulată poartă diferite denumiri, astfel :
Laseri – în domeniul vizibil
Maseri – în domeniul microundelor
Iraseri – în domeniul infraroşu.
APLICAŢII ALE EMISIEI STIMULATE
Radiaţiile emise de dispozitivele laser au o mare varietate de aplicaţii în fizică, chimie, tehnică, industrie, biologie, medicină.
În primul rând laserii sunt folosiţi ca amplificatori şi generatori de unde electromagnetice, aşa cum am precizat mai sus.
Fasciculul laser, putând dezvolta temperaturi care pot topi sau vaporiza orice material de pe Pământ, este folosit la prelucrarea materialelor foarte dure, cum ar fi perforarea pieselor de diamant sau la microsuduri în electronică şi chirurgie.
Marea putere de direcţionare a fascicului de radiaţii stimulate a dus la construirea unor instrumente radar cu foarte mare putere de rezoluţie, atât pe distanţe terestre, cât şi astronomice.
În domeniul industriei aerospaţiale este folosit la ghidarea sateliţilor artificiali şi a navelor interplanetare.
Pe lângă realizările spectaculoase din domeniul fotografiei obişnuite, utilizarea radiaţiei laser a revoluţionat tehnica fotografiei în relief, obţinându-se fotografii în relief fără obiectiv fotografic, noua tehnică numindu-se holografie iar fotografiile holograme.
Marea monocromaticitate a fascicului laser a determinat folosirea lui ca etalon de frecvenţă şi de timp.
Un alt domeniu de utilizare a laserului este folosirea lui la citirea informaţiilor de pe compact discuri (CD) atât în tehnica de calcul (calculatoare) cât şi la combinele muzicale.
În medicină, tot mai frecvent este folosit laserul în operaţii – laparoscopice, în operaţii estetice (transplantul de păr,etc).
Există de asemenea multe aplicaţii de ordin pur ştiinţific ale laserilor:
· Câmpurile electrice ale radiaţiei laser, putând atinge valori ce depăşesc câmpurile electrostatice intraatomice, este posibilă obţinerea de noi informaţii asupra structurii materiei, precum şi asupra interacţiunii fotonului cu substanţa.
· Coerenţa aproape perfectă a fascicului laser, determină folosirea sa în studiul aprofundat al interferenţei şi difracţiei undelor electromagnetice.
· Folosind laseri în domeniul infraroşu se pot controla anumite reacţii chimice, datorită acţiunii radiaţiei laser asupra mişcărilor vibratorii ale moleculelor .
· Deoarece cantitatea de informaţii pe care o poate transporta o undă electromagnetică este proporţională cu frecvenţa ei, modularea luminii laser permite transmiterea unui volum foarte mare de informaţii care depăşeşte cu mult performanţele celor mai bune mijloace clasice în tehnica telecomunicaţiilor.
· Aplicarea dispozitivelor laser în tehnica calculatoarelor electronice a condus la mărirea considerabilă a vitezei de lucru a acestora.