A LASER ( rövidítés az angol fényerősítésből stimulált sugáremisszióval, ami azt jelenti, hogy "a fény erősítése stimulált sugáremisszióval") egy fotonikus rendszer . Ez egy olyan eszköz, amely térben és időben összefüggő fénysugárzást produkál a stimulált emisszió folyamata alapján . A lézerfényt koherens fénynek is nevezzük . A maszertől származva a lézert először „optikai maszernek” nevezték.
A lézerforrás egy optikai erősítőt egy optikai üreghez társít , amelyet rezonátornak is neveznek, és általában két tükrökből áll , amelyek közül legalább az egyik részben visszaverődik, vagyis a fény egy része az üregből jön ki, és a másik részét újra befecskendezik a lézerüregbe. Néhány hosszú üreggel a lézerfény rendkívül irányított lehet. Ennek az összeállításnak a geometriai jellemzői megkövetelik, hogy a kibocsátott sugárzás nagy spektrális tisztaságú, azaz időbeli koherens legyen . A sugárzási spektrum valójában nagyon finom vonalak diszkrét halmazát tartalmazza, az üreg és az erősítő közeg által meghatározott hullámhosszakon. Ezeknek a vonalaknak a finomságát azonban korlátozza az üreg stabilitása és az erősítőn belüli spontán emisszió (kvantumzaj). Különböző technikák teszik lehetővé az emisszió elérését egyetlen hullámhossz körül.
A XXI . Században a lézert általában minden elektromágneses sugárzás lehetséges forrásának tekintik, ideértve a fényt is . Az érintett hullámhosszak először mikrohullámok voltak (maser), majd átterjedtek az infravörös , látható , ultraibolya doménekre, és még a röntgensugarakra is elkezdenek alkalmazni .
A stimulált emisszió (vagy indukált emisszió) elvét Albert Einstein már 1917-ben leírta . 1950-ben Alfred Kastler (győztes a fizikai Nobel-díjat a 1966 ) javasolta a pumpáló folyamat , amit érvényesített kísérletileg, két évvel később, a Brossel és a tél. De csak 1953- ban tervezték JP Gordon, HJ Zeiger és Ch. H. Townes az első ( ammóniagáz ) masírozót . A következő években számos tudós, például NG Bassov, Alexander Prokhorov , Arthur Leonard Schawlow és Charles H. Townes segít adaptálni ezeket az elméleteket a látható hullámhosszaihoz. Townes , Bassov és Prokhorov 1964 - ben megosztották a fizikai Nobel-díjat a kvantumelektronika területén végzett alapvető munkájukért, amely oszcillátorok és erősítők megépítéséhez vezetett, felhasználva a maser- lézer elvét . A 1960 , amerikai fizikus Theodore Maiman kapott először egy lézer emissziós egy rubin kristály . Egy évvel később Ali Javan kifejlesztett egy gázlézert ( hélium és neon ), majd 1966- ban Peter Sorokin megépítette az első folyékony lézert.
A lézerek nagyon korán megtalálták az ipari üzleteket. Az első alkalmazást 1965-ben tervezték, és egy 4,7 mm átmérőjű és 2 mm mély furat lézer rubinnal történő megmunkálásából állt . Ezt a műveletet 15 perc alatt hajtották végre, míg a klasszikus alkalmazás 24 órát vett igénybe.
1963-ban olyan amerikai kutatók, mint White és Anderholm, kimutatták, hogy pulzáló lézersugárzás eredményeként lökéshullámot lehet létrehozni egy fém belsejében. Az alkalmazott nyomások nagysága 1 GPa vagy 3 FP.
1967-ben Peter Holcroft 2,5 mm vastag rozsdamentes acéllemezt vágott le 1 m / perc sebességgel , oxigén alatt egy 300 W CO 2 lézerrel, és megtervezte az első vágófejet.
Bár a folyamatok bebizonyosodtak, meg kell várni, hogy megfelelő gépekkel társuljanak az ipari környezetben. Ezek a feltételek az 1970-es évek végén teljesültek . Az első ipari platformokat Franciaországban az 1980-as években hozták létre, onnantól kezdve a lézer ipari gyártási eszközként alkalmazta magát a mikromegmunkálás területén. Fő előnyei a nagysebességű megmunkálás, 10 m / perc nagyságrendű , érintés nélkül, szerszámkopás nélkül.
A lézer 1974- ben vált az olvasás eszközévé , vonalkódolvasók bevezetésével . A 1978 , lézerlemezeket került sor, de az optikai lemezek nem került közös használatát, míg 1982 a compact disc . Ezután a lézer lehetővé teszi nagy mennyiségű adat beolvasását.
A lézer működésének megértéséhez be kell vezetni az anyag számszerűsítésének koncepcióját : az elektronok diszkrét energiaszinteken („rétegeken”) oszlanak meg . Ez a hipotézis alapvető és nem intuitív : ha figyelembe vesszük azt a képet, amely szerint az elektronok csak az atommag (ok) körüli, nagyon pontos pályákon találhatók meg .
A következőkben egy atomot, amelynek csak egy elektronja van (hidrogén), a vita egyszerűsítése érdekében vizsgáljuk meg. Ez valószínűleg több szinten lesz. Az elektron állapotának ismerete határozza meg az atom állapotát . Ezeket az állapotokat növekvő energia sorrendben számozzuk egész számmal , amely megadhatja az értékeket , ... Az állapot tehát a legalacsonyabb energia állapota, amely megfelel a maghoz legközelebb eső pályán lévő elektronnak .
Térjünk rá a fény és az anyag kölcsönhatásának fő folyamataira, nevezetesen az abszorpcióra, a stimulált emisszióra és a spontán emisszióra.
Tekintsünk egy atomcsoportot két szinten. Ha egy mezőt küldünk egy atomra egy „magas” állapotban, akkor a kiváltságos jelenség a stimulált emisszió és a mező felerősödik. Optikai erősítő készítéséhez tehát meg kell találnunk a módját, hogy az atomokat a nagyobb energia állapotába gerjesszük. Általánosabban, ha bizonyos atomok „alacsony” alapállapotban vannak, akkor a fotonok is felszívódhatnak, ami csökkenti a mező intenzitását. Csak akkor lesz amplifikáció, ha az atomok nagyobb számban vannak "magas" állapotban (képesek kibocsátani), mint "alacsony" állapotban (képesek elnyelni): szükséges a " populáció inverziója ".
A termodinamikai egyensúlynál azonban mindig a legalacsonyabb állapot a legnépesebb. Legjobb esetben a populációk a két szint között ingadoznak ( Rabi-oszcillációk ). A populáció inverziójának fenntartása érdekében folyamatosan biztosítani kell az atomok külső energiaellátását, a magasabb állapotba visszahozni azokat, amelyek a stimulált emisszió után visszatértek az alapállapotba: ez " szivattyúzás ". " A külső energiaforrások különböző típusúak lehetnek, például elektromos generátor vagy más lézer (optikai szivattyúzás). Az erősítő tehát atomok vagy molekulák összessége , amelyeket egy külső energiaforrás (szivattyúzás) útján terepről vagy gyengén gerjesztett állapotból erősebben gerjesztett állapotba hoznak . Ezek az atomok azután energiát szabadíthatnak az állapot felé , azáltal, hogy közeli frekvenciájú fotonokat bocsátanak ki . Így ezen a közegen áthaladó frekvenciasugárzás stimulált emissziós folyamatokkal felerősíthető.
A lézerhatás, majd maga a lézerüreg részletes egyenleteinek megszerzéséhez több kvantumfizikát kell kvantitatívabban hívni. Ekkor a fény (lézersugár) / anyag (üregatomok) kölcsönhatásban két mértékű kvantifikáció van, amelyek mindegyike jobban megérti a lézerhatás fizikáját:
Önmagában a félklasszikus modell lehetővé teszi annak megértését, hogy honnan ered a lézerhatás, és megszerezzük azokat a "sebességegyenleteket", amelyek a lézerüreg atomjainak populációit szabályozzák.
Kvantált atom / klasszikus mező kölcsönhatásA kvantált atomok szükségesek a hamiltoni mechanika formalizmusához . Az atomok kétszintű energiarendszerének közelítésében a külső elektromos mező (a fény, lüktető monokromatikusnak tekinthető ) hatása az e két szint közötti atomok Rabi-oszcillációiból áll .
Ezek a rezgések által generált fény a közvetlen következménye a verseny között, a stimulált emisszió és az abszorpciós fentebb leírt jelenség, és leírtak a valószínűsége egy atom jelen haladva időpontban , hogy t időpontban:
ahol I-vel a beeső elektromos tér intenzitása és d, az atomi dipólus értéke;
és azzal
Így ez a félklasszikus modell nem teszi lehetővé a lézerhatáshoz szükséges populáció inverzió megszerzését: ezek a szinuszos oszcillációk azt mutatják, hogy a rendszer "nem választ" a stimulált emisszió és az abszorpció között.
Ha meg akarjuk magyarázni a lézerhatást, miközben megtartjuk ezt a félklasszikus modellt, akkor ad hoc módon be kell vezetnünk a spontán emissziót, amely nem magyarázható meg egy második kvantálás nélkül.
Az abszorpciós jelenség megértése ( Lamb modellje ) A népesség inverziójaAbban az esetben, egy átmeneti minta két alacsony és magas szinten, illetőleg jelöljük és a lakosság a magas szintű állapotban felett kell lennie a lakosság az alacsony állapotban úgy, hogy van emisszió: .
Az evolúció a lakosság a magas állam által adott törvény exponenciális csökkenés: .
Teljes kvantum interakció (második kvantálás): a lézerhatás finomságaiEgy adott anyag esetében a magas és az alacsony állapot közötti népességkülönbség adja meg a közeg karakterét az optikai szivattyúzás szempontjából : ha a közeg erősítő , ha a közeg nedvszívó és a közeg esetében átlátszó . A lézer lase csak a közeg egy erősítőt .
Általános elvA lézer ezért alapvetően egy könnyű erősítő , amelynek kimenete vissza van csatolva a bemenet. Energiaellátása a szivattyúzás forrása, a kimenet a lézersugárzás, amelyet a bemenetnél a rezonáns üreg tükrei visszahelyeznek, az erősítő mechanizmus pedig a stimulált emisszió.
Összehasonlíthatjuk ezt a folyamatot a Larsen-effektussal , amely akkor következik be, amikor egy erősítő (a sztereó ) látja, hogy a kimenete (a hangszóró) "be van dugva" a bemenetbe (a mikrofonba). A mikrofon által felvett legkisebb zajt felerősíti, a hangszóró bocsátja ki, a mikrofon veszi fel, és addig erősíti, amíg a rendszer telítődik (amikor ez a kialakításával a lehető legnagyobb energiát biztosítja). Lézerben ezt a maximális energiát a szivattyúforrás teljesítménye és az egyidejűleg gerjeszthető atomok száma korlátozza.
A Larsen-effektusban az előállított hang frekvenciája az erősítő által megfelelően felerősített frekvenciák spektrumától és az időigénytől függ, ameddig a hang átmegy a hanghurokon (ami nem egyedi érték, mivel a lokális különféle visszaverődéseket és különböző hosszúságú hangutak). Egy lézernél ugyanez történik, kivéve, hogy az erősítő spektruma nem a lehető legsimább tartomány, hanem a frekvenciasávokra korlátozódik, amelyek megfelelnek a jelen lévő különböző atomok gerjesztési szintjének, és a hurok megfelel a rezonáns üreg hosszának.
A lézerüreg stabilitása: az erősítés feltételeiA tükrökkel ellátott lézer erősítését, amelyet az erősítéssel szivattyúzott erősítőanyagot tartalmazó megfelelő reflexiós együtthatók jelölnek, az üreg iterációjának intenzitásának változása adja meg. Ha egy adott pillanatban az üregben az intenzitás egyenlő, akkor az üreg egy fordulatát követően az intenzitás egyenlő
Ezután 3 esetet különböztethetünk meg az alábbiak értéke szerint :
A lézerüreg akkor tekinthető stabilnak, ha a hullámfront torzítás nélkül képes terjedni. 2 tükrös lézerüreg esetén a lézer stabilitási viszonyai az üreg tükrei közötti távolsághoz vannak kapcsolva a 2 tükör görbületi sugárához viszonyítva. 2 tükrök megfelelő görbületi sugarak és a , a Gauss- gerenda :
Sebességi egyenletek jelöli népesség megőrzése egyenletei a magas és alacsony állapotok volt. Megállapítják, hogy a változás a népesség egy állam felel a különbség a mennyiséget tartalmaz , amelyek csatlakoznak, hogy az állami és a mennyiség az atomok változtatja.
Kétszintű rendszer esetében a két magas és alacsony állapot ( és ) esetében, figyelembe véve a spontán emisszió valószínűségi és egy valószínűségi szivattyú kifejezéseket, ahol a szivattyú áramlása által megvilágított szakaszt jelöljük meg , és a szivattyú intenzitását jelöljük. szivattyú áramlása, majd:
és
Helyhez kötött lézer (folyamatos lézer) Lézerdinamika (pulzáló lézer) A lézer statisztikai leírásaA lézereket hat családba sorolják, a gerjesztett közeg jellegétől függően. Ezenkívül a lézerek lehetnek folyamatosak és impulzusos üzemmódban is működhetnek, ebben az esetben az impulzusuk jellegzetes időtartama szerint is minősíthetők (folyamatos lézerek / pikoszekundumos lézerek / femtoszekundumos lézerek ).
Ezek a lézerek szilárd közeget, például kristályokat vagy üvegeket használnak fotonemissziós közegként. A kristály vagy az üveg csak a mátrix, és hozzá kell adni egy olyan ionhoz, amely a lézer közeg. A legrégebbi a rubinlézer, amelynek emissziója a Cr 3+ ionból származik . Más ionokat széles körben használnak (a legritkább földfémek : Nd , Yb , Pr , Er , Tm ... , többek között titán és króm ). A lézer emissziós hullámhossza főleg az adalék iontól függ, de a mátrix is befolyásolja. Így a neodímiummal adalékolt üveg nem bocsát ki azonos hullámhosszon (1053 nm ), mint a neodímiummal adalékolt YAG (1064 nm ). Folyamatosan vagy impulzus alapon működnek (impulzusok néhány mikroszekundumból néhány femtoszekundumba - a másodperc milliomod része). Képesek mind a látható, mind az infravörös, mind az ultraibolya sugarak kibocsátására .
Az erősítő közeg rúd lehet egy Nd-YAG lézer esetében (ezért Nd-vel adalékolva, a mátrix pedig YAG: alumínium és ittrium gránát ), de lehet „rost formájában is”. szállézerek esete (ezért Yb-vel adalékolva, és a mátrix szilícium-dioxidból készül). Ma a femtoszekundumos impulzusok előállítására a legszélesebb körben alkalmazott erősítő közeg a titánnal adalékolt zafír . Két abszorpciós sávja van, középpontjában 488 és 560 nm . Széles emissziós spektruma van, középpontjában 800 nm .
Az elfogadható optikai minőségű kristályméreten túl Ezek a lézerek lehetővé teszik a folyamatos kW és az impulzusos GW nagyságrendű teljesítmények megszerzését. Mind tudományos, mind ipari alkalmazásokra használják, különösen hegesztésre, jelölésre és anyagok vágására.
Ez a típusú lézer szilárd lézernek tűnik. Itt az erősítő közeg egy ritkaföldfém- ionokkal adalékolt optikai szál . A kapott hullámhossz a választott iontól függ (Samarium 0,6 µm ; Ytterbium 1,05 µm ; Erbium 1,55 µm ; Thulium 1,94 µm ; Holmium 2,1 µm ). Ez a technológia viszonylag új keletű (az első 1964-ből származik), de ma már vannak egymódos lézerek, amelyek teljesítménye körülbelül tíz kilowatt. Ezeknek a lézereknek az az előnye, hogy kevesebbet költenek, kisebb a lábnyomuk és ellenállnak a rezgéseknek. Ezenkívül nem szükséges hűteni őket 10 kW alatt .
Folyékony lézerekben az emissziós közeg szerves festék ( például rodamin 6G ) folyékony oldatban, üvegcsébe zárva. A kibocsátott sugárzás lehet folyamatos vagy szakaszos, a szivattyúzási módtól függően. A kibocsátott frekvenciák egy szabályozó prizmával állíthatók be , ami nagyon pontosá teszi ezt a típusú készüléket. A festék megválasztása lényegében meghatározza a kibocsátandó szín színskáláját. A pontos szín (hullámhossz) optikai szűrőkkel állítható be.
A fotont generáló közeg egy üveg vagy kvarccsőben lévő gáz . A kibocsátott sugár különösen keskeny, és az emissziós frekvencia nagyon kicsi. A legismertebb példák a hélium-neon lézerek ( vörös 632,8 nm-nél ), amelyeket igazítási rendszerekben (közmunkák, laboratóriumok) használnak, és a lézerek a kiállításokhoz.
Szén-dioxid lézerek képesek előállítani nagyon nagy teljesítményű (impulzus üzem) a nagyságrendileg 10 6 W. Ez a legszélesebb körben használt lézeres jelölés a világon. A CO 2 lézert (10,6 µm infravörös ) például gravírozáshoz vagy anyagvágáshoz lehet használni.
Van egy alcsoportja a gázlézereknek is: az excimer lézerek, amelyek az ultraibolya sugárzást bocsátják ki. Az esetek többségében legalább egy nemesgázból és általában halogéngázból állnak.
Az "excimer" kifejezés az angol gerjesztett dimerből származik, amely két azonos atomból álló gerjesztett molekulát jelent (pl .: Xe 2 ). Azonban bizonyos úgynevezett excimer lézereket használni exciplexes amelyek molekulák, amelyek két különböző atomok (például, nemesgázok és halogén : ArF , XeCl ). Ezért ezeket exciplex lézereknek, nem pedig excimer lézereknek kell nevezni .
A keverék elektromos gerjesztése ezeket az exciplex molekulákat eredményezi, amelyek csak gerjesztett állapotban léteznek. A foton emissziója után az exciplex eltűnik, mert atomjai elválnak, így a fotont nem képes újrafelnyelni a nem gerjesztett excimer, ami jó lézeres hatékonyságot tesz lehetővé.
Példa: Lasik
Végül az úgynevezett „kémiai” lézerek sugárzásának forrása egy reakció, amely legtöbbször exoterm, elektromágneses sugárzást bocsát ki.
Példa: COIL, Laser Miracl
Lézerdiódában (vagy félvezető lézerben) a szivattyúzást olyan elektromos árammal végezzük, amely az áramló közeget lyukakban gazdagítja (a lyuk a kristály területe pozitív töltéssel, mert hiányzik belőle az elektron) az egyik oldalon, és további elektronok a másikon. A fény a kereszteződésben keletkezik lyukak és elektronok rekombinációjával. Gyakran az ilyen típusú lézerek nem rendelkeznek üregtükrökkel: a magas optikai indexű félvezető lehasításának egyszerű ténye lehetővé teszi a lézerhatás kiváltásához elegendő reflexiós együttható elérését.
Ez a típusú lézer képviseli az iparban használt lézerek túlnyomó részét (számában és forgalmában ). Előnyei számosak: először is lehetővé teszi az elektromos energia és a fény közvetlen összekapcsolását, így a telekommunikációban (az optikai szálas hálózatok bejáratánál ) történő alkalmazásokat. Ezenkívül ez az energiaátalakítás jó hatásfokkal (30–40% nagyságrendű) történik. Ezek a lézerek olcsóak, nagyon kompaktak (az aktív terület mikrometrikus vagy annál kisebb, és az egész eszköz nagysága nagyságrendileg milliméteres). Ma már ismert, hogy ilyen lézereket gyártanak, hogy szinte az egész látható tartományban fényt kapjanak, de a vörös vagy a közeli infravörös fényt kibocsátó lézerek továbbra is a legelterjedtebbek és a legolcsóbbak. Alkalmazási területük megszámlálhatatlan: optikai meghajtók (CD), telekommunikáció, nyomtatók, nagyobb lézerek (például szilárdtest lézerek) "pumpáló" eszközei, mutatók stb. Ne feledje, hogy a Franciaországban hatályos előírások tiltják az 1000 méter feletti világítás gyártását.
Van néhány hátrányuk, a kibocsátott fény általában kevésbé irányított és kevésbé spektrálisan "tiszta", mint más típusú lézereké (különösen a gáz); ez az alkalmazások többségében nem jelent problémát.
A működése során nagyon közeli, de nem lézeres eszköz a LED : a szivattyúberendezés ugyanaz, de a fénytermelést nem stimulálja , hanem spontán gerjesztéssel hozza létre, így a keletkező fény nem nem mutatják a lézerre jellemző koherencia tulajdonságokat.
Ez a típusú lézer nagyon különleges, mert elve egészen más, mint a fent kifejtett. A fényt ott nem korábban gerjesztett atomok, hanem a felgyorsult elektronok által előállított szinkrotron-sugárzás hozza létre. Az elektrongyorsítóból származó elektronnyalábot egy inverterbe küldik, amely periodikus mágneses teret hoz létre (az állandó mágnesek összeszerelésének köszönhetően). Ez az inverter két tükör között van elhelyezve, mint egy hagyományos lézer diagramja: a szinkrotron sugárzás felerősödik és koherenssé válik , vagyis megszerzi a lézerekben előállított fény jellemzőit.
Csak állítsa be az elektronok sebességét, hogy nagyon finomhangolt frekvenciafényt nyújtson nagyon széles tartományban, a távoli infravörös (terahertz) és a röntgensugárzás között, és a lézer teljesítményét az elektronáramlás is beállíthatja. Rövid és pontos intervallumú lézerimpulzusok is rendelkezésre állnak. Mindez miatt ez a típusú lézer nagyon sokoldalú és nagyon hasznos a kutatási alkalmazásokban. Előállítása azonban drágább, mert részecskegyorsítót kell építeni .
A teramobile lézer egy olyan mobil eszköz, amely ultragyors, ultrarövid lézerimpulzusokat szolgáltat. A teramobil lézer használható légszennyező anyagok detektálására és mérésére, vagy egyenes út villámlásához.
A lézer teljesítményétől és emissziós hullámhosszától függően valós veszélyt jelenthet a látásra és helyrehozhatatlan égési sérüléseket okozhat a retinában . Biztonsági okokból a francia törvény tiltja a 2-nél nagyobb osztályú lézerek használatát a meghatározott engedélyezett felhasználások listáján kívül.
Az új szabvány:
Az osztályokat a lézert kiváltó elváltozások alapján határoztuk meg, a lézer frekvenciája szerint változnak. Az infravörös (IR B és IR C) és az ultraibolya (UV) lézerek károsítják a szaruhártyát , a lencsét vagy a felületes bőrkárosodást, míg a látható és a közeli infravörös (IR A) lézerek elérhetik a retinát és a bőrt. ” Hipodermisz .
A látható tartományban egy folytonos lézer esetében az osztályok a következők:
A lézeres alkalmazások a lézer térbeli és időbeli koherencia tulajdonságait használják. Többé-kevésbé a lézer visszaverődése vagy abszorpciója alapján osztályozhatók. Így két nagy család jelenik meg, amelyek információ-átviteli alkalmazásokat tartalmaznak, és amelyek áramátadással foglalkoznak.
2 karakteres rövidítések |
3 karakteres rövidítések |
4 karakteres rövidítések |
► 5 karakteres betűszavak |
6 karakteres rövidítések |
7 karakteres rövidítések |
8 karakteres rövidítések |