Lasery - parametry, sterowanie i zastosowanie

Lasery - parametry, sterowanie i zastosowanie

Pierwszy laser uruchomiono ponad 60 lat temu. Od tamtego czasu to źródło promieniowania zrewolucjonizowało niemal każdy sektor technologii. Przyjrzyjmy się bliżej tym ciekawym urządzeniom – od strony teoretycznej zasady działania, jak i od strony aplikacyjnej.

Chyba każdy z czytelników miał do czynienia z laserem w jakiejś formie – lasery stosowane są w odtwarzaczach CD/DVD/Blu-Ray, w drukarkach laserowych, wyświetlaczach laserowych, wskaźnikach i wielu innych urządzeniach, które nie mają słowa „laserowy” w nazwie. Z laserów korzystają też lekarze, fizycy, operatorzy obrabiarek, wojskowi itd., można wymieniać bez końca. Dlatego warto wiedzieć coś na temat laserów, a także tego, jak zastosować je we własnych urządzeniach w sposób poprawny. Uwaga – w artykule znajduje się sporo fizyki, szczególnie we wstępie teoretycznym. Są to zagadnienia niezbędne dla zrozumienia działania i właściwości laserów. Autor dołożył szczególnych starań do objaśnienia bardziej skomplikowanych pojęć z zakresu fizyki ciała stałego i optyki.

Trochę historii

Pierwszy laser uruchomiono w 1960 roku. Jednak działania, które doprowadziły do skonstruowania tego wynalazku, rozpoczęły się co najmniej 10 lat wcześniej. Pierwszy publicznie zaprezentowany pomysł budowy urządzenia wykorzystującego inwersję obsadzeń pojawił się w 1952 roku na konferencji w kanadyjskiej Ottawie, ale zainteresowanie takim urządzeniem z pewnością sięga wcześniejszych lat.

Już od czasów II Wojny Światowej (a nawet na krótko przed) pracowano nad technologiami mikrofalowymi z uwagi na ich kluczowe znaczenie dla systemów radiolokacyjnych. W 1954 roku Charles Townes, James Gordon i Herbert Zeiger – trzech naukowców z USA, pracujących na MIT (Massachusetts Institute of Technology) skonstruowało urządzenie, które zdolne było do generacji lub wzmacniania promieniowania mikrofalowego, korzystając ze zjawiska emisji wymuszonej. Maser – urządzenie, które emitowało wiązkę spójnych fal z zakresu mikrofal, położyło podwaliny pod stworzenie lasera. Nie bez powodu ich nazwy są takie podobne – skrót LASER (MASER) rozwija się, jako Light (Microwave) Amplification by Stimulated Emission of Radiation.

Pierwszy laser uruchomiono w Hughes Aircraft Company (później Hughes Research Laboratory) w roku 1960. Za sukcesem tym stał Theodore Maiman, który otrzymał za swój wynalazek wiele nagród, w tym Nagrodę Wolfa czy Japońską Nagrodą Międzynarodową. Przede wszystkim jednak wykonał milowy krok w rozwoju fizyki, nie tylko, dlatego, że uruchomił to nowe źródło światła, ale także, dlatego, że stworzył narzędzie, które obecnie stoi u podstaw wielu zaawansowanych metod badawczych.

Zasada działania lasera

Aby zrozumieć zasadę działania lasera, należy koniecznie poznać pewne zagadnienia z zakresu fizyki. Z kolei to wymaga poznania podstawowych mechanizmów i zjawisk fizycznych oraz metod ich opisu. W pierwszej kolejności kluczowe jest zrozumienie, czym są elektronowe poziomy energetyczne w optycznie aktywnej cząstce, co stoi za zjawiskiem luminescencji, a w konsekwencji jest istotne dla akcji laserowej Rozważmy przykładową cząstkę – dla uproszczenia rozumienia, może to być nawet pojedynczy atom. Ma on pewne dyskretne poziomy energetyczne. W przypadku atomu poziomy energetyczne utożsamiane mogą być z pozycją elektronu (orbitą) w tym atomie. Te poziomy energetyczne są skwantowane, co oznacza, że cząstka nie może przyjąć dowolnej energii, tylko konkretne jej wartości. Wynika to z kwantowej natury świata i dokładniejsze uzasadnienie, dlaczego tak jest stanowczo wymyka się zakresowi tego artykułu.

Cząstka w stanie podstawowym może zostać wzbudzona poprzez pochłonięcie pewnego kwantu energii. Jeśli dostarczona energia jest większa lub równa niż energia stanu wzbudzonego, to wówczas cząstka zostaje wzbudzona – jej energia rośnie, jednak energia ta nie może być „magazynowana” w cząstce w nieskończoność. Po pewnym czasie musi się ona pozbyć tej energii (średni czas życia stanu wzbudzonego nazywany jest czasem życia, τ). Cząstka może się pozbywać energii na kilka sposobów – dla uproszczenia opisu wymieńmy tylko dwa z nich: przejście promieniste (R) oraz niepromieniste (NR). Przejście promieniste związane jest z emisją fotonu (kwantu światła) o energii równej różnicy energii pomiędzy stanem wzbudzonym a podstawowym. Przejścia niepromieniste, to zbiorcza nazwa dla wszystkich trajektorii relaksacji stanu wzbudzonego, które nie wiążą się z emisją fotonu. Wszystkie te zachowania zilustrowano na diagramie, pokazanym na rysunku 1. Jest to tak zwany Diagram Jabłońskiego, który w fizyce używany jest do obrazowania przejść pomiędzy różnymi stanami elektronowymi.

Rysunek 1. Najprostszy Diagram Jabłońskiego, pokazujący wzbudzenie (EXC) i przejścia – promieniste (R) i niepromieniste (NR)

Wzbudzenie następować może na wiele sposobów – istnieje wiele metod dostarczenia energii do cząsteczki. Typowo można ją wzbudzać optycznie (za pomocą jednego lub większej ilości [1] fotonów o odpowiedniej energii), elektrycznie (za pomocą nośników ładunku), cieplnie itp. Wzbudzona cząsteczka może wyemitować foton. Wyróżnia się dwa rodzaje emisji – spontaniczna oraz wymuszona. Pierwszy jej rodzaj wynika z samorzutnego przejścia elektronu do poziomu podstawowego (co jest opisywane czasem życia). W przypadku laserów emisja wymuszona jest kluczem do działania. To proces, w którym foton przelatujący obok wzbudzonej cząstki „aktywuje” jej emisję, działając, jako katalizator (pomińmy dokładnie niuanse tego zjawiska), nie jest w żaden sposób absorbowany w tym procesie.

Wyemitowany foton jest klonem tego, który wymusił emisję z wzbudzonej cząstki – ma taką samą energię, fazę i polaryzację. Ten zestaw właściwości jest kluczowy dla lasera.

Typowy laser składa się z trzech elementów:

  1. ośrodka czynnego,
  2. układu pompującego,
  3. rezonatora optycznego.

Ośrodek czynny, to materiał, w którym zachodzi akcja laserowa – emitowane jest światło. Może to być ciało stałe, ciecz, gaz. Umieszczony jest on we wnętrzu rezonatora optycznego – dwóch luster umieszczonych czołami do siebie tak, że światło odbija się między nimi niemalże w nieskończoność. Jedno z tych luster jest częściowo przepuszczające, co pozwala na emisję światła poza rezonator – inaczej laser nie miałby zbyt wielkiej użyteczności, jednak znaczna część odbijana jest do wnętrza rezonatora. Układ uzupełnia system pompowania, który dostarcza energię do ośrodka czynnego lasera. Przykład takiego lasera, w postaci lasera rubinowego, pokazano na schemacie na rysunku 2. Taki laser był pierwszym laserem, jaki skonstruowano, więc jego wybór, jako przykładu jest nieprzypadkowy.

Rysunek 2. Uproszczony schemat pokazujący budowę lasera rubinowego

W przypadku zaprezentowanego na rysunku 2 lasera rubinowego, ośrodkiem aktywnym jest pręt wykonany z rubinu – tlenku glinu, domieszkowanego chromem. Ten rodzaj lasera pompowany jest optycznie, czyli za pomocą światła. Najczęściej pochodzi ono z impulsowej lampy wyładowczej (np. ksenonowej), która ma kształt spirali, owiniętej wokół pręta rubinowego. Układ pompowania, dostarczając energię do ośrodka aktywnego, wzbudza znajdujące się w nim cząsteczki. Wzbudzone cząsteczki spontanicznie emitują, jednak wraz z zwiększaniem intensywności pompowania, system dochodzi do stanu tzw. inwersji obsadzeń. Jest to, w fizyce statystycznej, stan ciała, w którym więcej jego cząsteczek znajduje się w stanie wzbudzonym, niż w podstawowym.

Fotony emisji spontanicznej emitowane są we wszystkich kierunkach. Te, które nie są emitowane dokładnie w osi rezonatora uciekają z ośrodka aktywnego i są bez znaczenia dla dalszego działania lasera. Natomiast te, które są w osi rezonatora odbijają się od luster i przelatują wielokrotnie przez ośrodek aktywny, wymuszając emisję kolejnych fotonów o tej samej energii (długości fali), kierunku rozchodzenia, fazie itd. Wymuszone fotony także odbijają się od luster rezonatora i przechodzą przez ośrodek aktywny wymuszając kolejne fotony. W ten sposób liczba fotonów rośnie kaskadowo, a wszystkie one poruszają się w tym samym kierunku, mają taką samą długość fali i są w ze sobą w fazie. To właśnie podstawowe cechy światła laserowego. Inne rodzaje laserów różnią się ośrodkami aktywnymi, sposobami pompowania i geometrią rezonatora optycznego, jednak, co do zasady, wszystkie te elementy działają w taki sam sposób i pełnią analogiczną rolę w tych laserach.

Parametry laserów

Laser scharakteryzować można szeregiem uniwersalnych parametrów, które skupiają się na opisie optycznej części tego urządzenia. Lasery emitują światło spójne, to znaczy takie, które jest zdolne do interferencji. Oznacza to, że wszystkie fotony we wiązce mają tę samą fazę, polaryzację oraz długość fali. W rzeczywistym przypadku oczywiście nie są one dokładnie identyczne dla wszystkich fotonów, ale są na tyle do siebie zbliżone, że światło laserowe zachowuje spójność na dłuższym odcinku czasu. Wyróżnia się nawet parametr taki, jak długość spójności (koherencji), który określa odległość propagacji, przez jaką promień lasera będzie koherentny. W przypadku klasycznych źródeł światła, wynosi ona kilka milimetrów do centymetra. Nawet najtańsze lasery półprzewodnikowe osiągają długości koherencji na poziomie 20 cm, a typowe lasery tego rodzaju do 100 metrów. Zaawansowane, profesjonalne lasery osiągają długości spójności przekraczające 100 km.

Długość spójności nie jest typowo podawana, jako parametr komercyjnych laserów ogólnego zastosowania, ale w ich kartach katalogowych znajdziemy szereg bardziej zrozumiałych parametrów, które mają swoją prostą w opisie fizyczną manifestację. W dalszej części artykułu przyjrzymy się po kolei najistotniejszym z tych parametrów.

Długość fali

Podstawowym parametrem, jaki jest wymieniany w specyfikacji lasera, jest długość fali emitowanego promieniowania elektromagnetycznego. Długość fali emisji uzależniona jest od materiału, z jakiego wykonany jest ośrodek aktywny. W tabeli 1 zestawiono typowe lasery wraz z odpowiadającymi im długościami fal emisji. Zebrano lasery zawierające różne rodzaje ośrodków aktywnych – gazowe, półprzewodnikowe oraz krystaliczne, będące najczęściej jonem aktywnym zawartym w matrycy krystalicznej – tak jest z rubinem, jak i z materiałami opartymi o YAG – granat itrowo-glinowy, w którym zawarte są jony domieszki – neodymu (Nd), Holmu (Ho), erbu (Er) i inne. Podawane w niektórych przypadkach zakresy oznaczają, że dany laser może być strojony w pewnym zakresie spektralnym za pomocą konstrukcji ośrodka aktywnego czy też rezonatora optycznego.

Średnica wiązki

Średnica wiązki odnosi się do średnicy wiązki laserowej mierzonej na powierzchni wyjściowej obudowy lasera. Średnicę wiązki można zdefiniować na kilka różnych sposobów, a w przypadku wiązek o profilu gaussowskim – czyli takich, z jakimi w znakomitej większości mamy do czynienia w układach optycznych – typowo określa się ją szerokością 1/e2. Szerokość 1/e2 to odległość między dwoma punktami na rozkładzie krańcowym, których intensywności wynoszą 1/e2 maksymalnej amplitudy, czyli 0,135-krotność maksymalnej wartości intensywności. Zostało to zobrazowane na rysunku 3.

Rysunek 3. Szerokość wiązki o gaussowskim rozkładzie natężenia

Rozbieżność wiązki

Chociaż przyjmuje się, że wiązki laserowe są skolimowane – wszystkie promienie we wiązce biegną równolegle do siebie – to zawsze do pewnego stopnia promień wyjściowy z lasera jest rozbieżny. Dla każdego lasera określa się rozbieżność wiązki, czyli to jak bardzo wiązka rozchodzi się na boki wraz z coraz większą odległością od wyjścia światła z urządzenia. Rozbieżność wiązki jest określona przez pełny kąt wiązki.

W diodach laserowych rozbieżność wiązki jest określona dwiema wartościami ze względu na obecność astygmatyzmu – rozbieżność zmienia się w zależności od osi wiązki. W takim przypadku należy określić orientację rozbieżności wiązki. Na rysunku 4 pokazano uproszczoną strukturę diody laserowej i rozbieżność wiązki wychodzącej z obszaru emitującego lasera diodowego.

Rysunek 4. Schematyczne zobrazowanie rozbieżności wiązki lasera półprzewodnikowego

Moc wyjściowa

Podawana w specyfikacji urządzenia moc wyjściowa to maksymalna wartość mocy światła laserowego po wyjściu wiązki z obudowy lasera. Typowo moc wyjściową lasera podaje się z tolerancją na poziomie ±10%. Innymi słowy, moc lasera jest mierzona przed przejściem przez optykę na zewnątrz obudowy lasera. Oznacza to, że moc dostarczana w dalszej części urządzenia może być niższa. Jest to szczególnie istotne w przypadku np. urządzeń światłowodowych, gdyż moc całego systemu mierzy się za włóknem – laser musi dysponować zapasem mocy, by skompensować jej spadek na światłowodzie.

Klasa

Ostatnim parametrem, jaki jest określany w dokumentacji dla urządzeń laserowych, jest klasa lasera. Jest to tzw. klasa bezpieczeństwa, która mówi o tym, jak duże ryzyko dla człowieka i otoczenia stanowi dany laser. Klasy lasera, zdefiniowane w normie IEC 60825, uzależnione są od mocy i długości fali lasera. Podsumowanie klas zgodnych z najnowszą iteracją wspomnianej normy zawarto w tabeli 2.

Zastosowania laserów

Lista haseł dla wpisu „aplikacje laserów” na anglojęzycznej Wikipedii wymienia około 70 sektorów, technologii, procedur medycznych, systemów przemysłowych, dziedzin nauki itd., gdzie stosuje się lasery. Jest to tylko wierzchołek góry lodowej – technologia ta jest spotykana w każdym nowoczesnym procesie przemysłowym. Lasery stosowne są z uwagi na swoje unikatowe parametry – najczęściej tylko niektóre z nich w danej aplikacji. Na przykład w systemach pomiarowych do spektroskopii itp. korzysta się z lasera, jako źródła wzbudzenia (np. luminescencji) ze względu na jego monochromatyczność, a dodatkowo korzysta się często z laserów impulsowych, które mogą generować ultrakrótkie (rzędu piko- lub nawet femtosekund) impulsy światła. Z kolei w przemyśle czy medycynie lasery znalazły swoją aplikacje z uwagi na wysoką gęstość mocy (promieniowanie laserowe da się skupić na bardzo małej powierzchni, dzięki czemu nawet źródło o umiarkowanej mocy osiągnąć może wysoką gęstość mocy), jaką są w stanie zaoferować – korzystają z tego lasery chirurgiczne, jak i laserowe obrabiarki do cięcia.

Lasery a elektronika

Sterowanie laserem za pomocą systemu elektronicznego skupia się na ogół na kontroli układu pompującego. Dodatkowo, mierzona może być moc wyjściowa z lasera, co pozwala na utworzenie systemu sterowania w zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego, stabilizujące moc wyjściową.

Fotografia 1. Twórca lasera – Theodore Maiman, z pierwszym urządzeniem swojej konstrukcji

W zależności od rodzaju układu pompującego laser, stosuje się różnego rodzaju systemy sterowania. W przypadku optycznie pompowanych laserów, układ elektroniczny musi sterować lampą ksenonową. Najczęściej lampa taka pracuje impulsowo, więc stosuje się kontrolowane systemy wyzwalania jej impulsów, aby kontrolując częstotliwość impulsów sterować mocą średnią lasera. Możliwa jest także kontrola natężenia impulsów i inne podejścia. W przypadku pompowanych elektrycznie laserów gazowych, zachodzi konieczność kontroli wysokiego napięcia. Z kolei lasery półprzewodnikowe – lasery diodowe – sterowane są prądowo, dokładnie tak samo jak zwykła dioda elektroluminescencyjna. Spośród wymienionych tutaj rozwiązań, lasery diodowe są najprostsze do kontrolowania za pomocą układów elektronicznych. Precyzyjne źródło prądowe stosowane jest do sterowania tego rodzaju laserem. Pracuje on przy relatywnie niskich napięciach z prądami od kilkudziesięciu miliamperów do kilkuset amperów, w zależności od mocy systemu. Z tego powodu lasery diodowe należą do jednych z najpopularniejszych laserów w urządzeniach komercyjnych.

Z uwagi na wymagania, co do środowiska pracy, w przypadku wielu systemów laserowych konieczne jest także monitorowanie warunków otoczenia – temperatury, działania systemu chłodzenia, warunków procesowych itp. Z uwagi na to, integracja sensorów ze sterownikiem lasera jest kluczowa, szczególnie w najbardziej wymagających aplikacjach, gdzie stosuje się lasery wysokiej mocy lub też wymaga się od laserów wysokiej precyzji, dokładności, stabilności itp.

Podsumowanie

Lasery to unikatowe źródła światła, które oferują zestaw własności nie spotykany gdzie indziej. Z uwagi na to są one popularne w szerokim zakresie zastosowań: od analizy materiałowej, poprzez medycynę, optykę, aż do zbrojenia. Obecnie na rynku dostępnych jest wiele rodzajów laserów, różniących się parametrami, a co za tym idzie polami aplikacji. Lasery spotyka się w znacznej ilości urządzeń elektronicznych – systemach pomiarowych, urządzeniach medycznych, odtwarzaczach CD/DVD/Blu-Ray, infrastrukturze komunikacyjnej i innych. W większości z tych zastosowań dominują lasery półprzewodnikowe, gdyż są one najprostsze do kontrolowania przez typowe układy elektroniczne.

Nikodem Czechowski, EP

[1] Mówimy wtedy o absorpcji wielofotonowe, np. dwufotonowej, zjawisko takie praktycznie w ogóle nie jest używane w systemach laserowych z uwagi na ekstremalnie niską sprawność.

Źródła:

  • https://bit.ly/3KRKzoU
  • B. Ziętek, „Optoelektronika”, Wydawnictwo Uniwersytetu Mikołaja Kopernika, Toruń 2005,
  • Y. Deng, D. Chu, „Coherence properties of different light sources and their effect on the image sharpness and speckle of holographic displays”, Scientific Reports 7 (2017).
Artykuł ukazał się w
Elektronika Praktyczna
maj 2022

Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik czerwiec 2022

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio lipiec - sierpień 2022

Świat Radio

Magazyn krótkofalowców i amatorów CB

Automatyka Podzespoły Aplikacje czerwiec 2022

Automatyka Podzespoły Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna czerwiec 2022

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Elektronika dla Wszystkich lipiec 2022

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów