Lasery i masery. Zasada działania i zastosowanie Autor: Edyta Konieczko www.agh.edu.pl

Historia 1917 r. – odkrycie przez Alberta Einsteina, że możliwe jest pobudzanie najmniejszych cząstek energii – atomów do emisji światła 1954 r. – Charles Townes, James Gordon i Herbert Zeiger odkryli sposób pobudzania atomów do emisji mikrofal, skonstruowali oni pierwszy maser – urządzenie emitujące silną, dającą się sterować wiązkę mikrofal 1960 r. – powstaje pierwszy laser rubinowy zbudowany przez Teodora Maimana, emitujący światło zamiast mikrofal

Charles Townes i James Gordon, twórcy masera Teodor Maiman, twórca pierwszego lasera rubinowego

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation -  wzmocnienie światła poprzez wymuszoną emisję promieniowania  Urządzenie emitujące promieniowanie elektromagnetyczne z zakresu światła widzialnego, ultrafioletu lub podczerwieni, wykorzystujące zjawisko emisji wymuszonej. Zasadniczymi częściami lasera są: ośrodek czynny, rezonator optyczny, układ pompujący. Układ pompujący dostarcza energię do ośrodka czynnego, w ośrodku czynnym w odpowiednich warunkach zachodzi akcja laserowa, czyli kwantowe wzmacnianie (powielanie) fotonów, a układ optyczny umożliwia wybranie odpowiednich fotonów. www.agh.edu.pl

Zasada działania lasera

Działanie lasera opiera się na dwóch zjawiskach: inwersji obsadzeń i emisji wymuszonej. Emisja wymuszona zachodzi gdy atom wzbudzony zderza się z fotonem o takiej częstotliwości, że jego energia kwantu jest równa różnicy energii poziomów między stanem wzbudzonym a podstawowym. Foton uderzający nie ulega pochłonięciu, ale przyspiesza przejście atomu ze stanu wzbudzonego do podstawowego i dlatego z atomu wylatują w tym samym kierunku dwa spójne, to znaczy zgodne w fazie fotony o tej samej energii więc i częstotliwości.

Schemat uproszczony www.agh.edu.pl

Zastosowanie laserów Przemysł Poligrafia (naświetlarki filmów poligraficznych, druk cyfrowy) Znakowanie produktów (etykiety produktów, butelki PET, elementy metalowe – grawerowanie) Laserowe cięcie metali przy obecności gazu tnącego ochronnego Laserowe spawanie metali (łączenie detali przez stopienie obszarów styku) Laserowe drążenie, obróbka cieplna

2. Technologia wojskowa Dalmierze laserowe, służące do oceny odległości od celu. Systemy naprowadzające na cel oświetlane są wiązką laserową, podobnie jak laserowy wskaźnik celu. Łącza telefoniczne na niewielkie odległości. Mierniki wysokości, przyspieszenia, szybkości lotu w lotnictwie.

3. Medycyna Diagnostyka Terapia schorzeń – usuwanie niektórych nowotworów i naczyniaków Cięcie tkanek, koagulacja Okulistyka – koagulacja siatkówki do dna oka, przecinanie cyst, korekcja wad refrakcji Medycyna estetyczna – usuwanie tatuaży i owłosienia, poprawa kondycji skóry

4. Telekomunikacja Transmisja światłowodowa Zapis i odczyt informacji na CD

Masery Nazwa masera jest skrótem od Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Został on wynaleziony w 1951 roku przez Charlsa Townes'a. Substancją czynną w tym maserze był amoniak. Maser ten emitował mikrofale o długości fali 1,26 mm. Maser jest to urządzenie, które wytwarza promień mikrofalowy na skutek wymuszonej emisji promieniowania. Działanie masera jest analogiczne do działania wynalezionego później lasera.

W zależności od typu budowy i rodzaju ośrodka czynnego wyróżnia się : - masery gazowe - ośrodek czynny stanowią cząsteczki gazów, np. amoniaku. Gaz podgrzewany jest do wysokiej temperatury. Cząsteczki w procesie wzbudzania uzyskują różne wartości energii. Konieczne jest odseparowanie cząstek wzbudzonych od tych w stanie podstawowym. Robi się to przy pomocy elektrod, które są źródłem silnego pola elektrostatycznego. W tym polu cząsteczki w stanie podstawowym są odchylane, a te wzbudzone przemieszczają się w kierunku rezonatora. Dopiero tam ma miejsce wymuszona emisja promieniowania. - masery krystaliczne - znajdują one zastosowanie jako wstępne wzmacniacze w przyrządach wykorzystywanych w radiolokacji i łączności satelitarnej. Są one obecnie podstawowymi narzędziami badawczymi elektroniki kwantowej.

Maser gazowy

Zastosowanie maserów Masery znajdują zastosowanie w urządzeniach radioastronomicznych, radarowych, łączności satelitarnej i kosmicznej.