Laserul cu rubin

Ce este laserul?Cititoarele de coduri de bare, imprimantele laser, transmiterea

informaţiei prin fibra optică, CD-urile şi DVD-urile audio sau video, holografia, neurochirurgia şi chirurgia oculară, -iată cateva dintre domeniile şi aplicaţiile care folosesc această invenţie extraordinară a secolului al XX-lea: laserul.

Rădăcinile tuturor acestor inovaţii tehnologice se găsesc într-o lucrare publicată în 1917 de Albert Einstein "On the quantum theory of radiation". “Laser” este un acronim pentru Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation.

Intr-un dispozitiv laser, atomii sau moleculele mediului activ – un cristal de rubin, un gaz sau chiar un lichid - sunt excitaţi asfel încât majoritatea să se găsească într-o stare de energie superioară celei de echilibru.Lumina este o formă de radiaţie electromagnetică emisă când unii dintre electronii care orbitează în jurul nucleului unui atom cedează o parte din energia lor sub forma fotonilor. Electronii se pot afla, conform modelelor atomice din mecanica cuantică, în anumite zone distincte localizate în jurul nucleului atomic şi emit energie (fotoni) atunci când părăsesc o zonă (orbită) exterioară, de energie mai mare, revenind astfel la starea naturală, de energie mai mică, pe o orbită inferioară. În prealabil atomii trebuiesc "excitaţi", adică trebuie să îşi modifice starea naturală de echilibru din punct de vedere energetic, fenomen care presupune saltul unor electroni pe orbite superioare şi care se întâmplă atunci când o substanţă este încălzită (primeşte energie sub formă de căldură), când este străbătută de un câmp electric intens sau

când este bombardată cu un curent de electroni liberi.

Cum functioneaza laserul cu rubin?În componenţa unui laser există în mod uzual 2 oglinzi, un mediu

activ şi un dispozitiv care realizează pompajul energetic al mediului activ. Mediul activ poate fi solid (de exemplu un cristal de rubin), gazos (amestec de heliu şi neon), dar şi din materiale semiconductoare. Ca exemplu, un laser cu cristal de rubin este alcătuit dintr-un cristal cilindric de rubin, două oglinzi paralele, argintate sau aurite, şi un tub de descărcare, în formă de spirală, umplut cu un gaz nobil şi conectat la un condensator de mare capacitate.

Dupa cum se stie, rubinul este un oxid de aluminiu care contine mici cantitati de ioni de crom. Cilindrul de rubin utilizat are lungimea de cativa centimetri si diametrul de cativa milimetri. Cele doua oglinzi plane si paralele, slefuite cu mare grija, sunt argintate sau aurite in asa fel incat una dintre ele este complet opaca, iar cealalta partial transparenta, ca sa poata permite razelor laser sa paraseasca instalatia. Ele sunt asezate la capetele cilindrului de rubin, uneori se metalizeaza chiar capetele cilindrului. Tubul de descarcare, in forma de spirala, umplut cu neon, xenon sau amestecuri de neon si cripton este conectat la un condensator si functioneaza asemenea blitz-urilor de la aparatele fotografice. Tubul de descarcare emite intr-un

timp foarte scurt, de ordinul miimilor de secunda, o lumina obisnuita, dar intensa, care provoaca inversiunea populatiilor in cristalul de rubin. In desfasurarea acestui proces o importanta deosebita il au impuritatile de crom inglobate in cristalul de rubin. Ionii de crom au trei nivele energetice. In stare normala, ionii de crom au energia E1 corespunzatoare nivelului inferior. Studiu nivelelor energetice ale cromului arata ca daca se iradiaza cristalul de rubin cu , produsa de tubul delumina verde cu lungimea de unda egala cu 0,560 descarcare, o parte din ionii de crom din starea normala isi vor mari energia datorita absorbtiei radiatiei verzi, trecand intr-o stare energetica superioara E3. In acest caz ionii de crom de pe nivelul E1 pot trece prin pompaj optic pe nivelul E3.Laserul cu rubin, laserul cu patru nivele si laserul cu sticla dopata cu neodim lucreză în general în impulsuri de ordinul milisecundelor eliberând energii cuprinse între 0,1 şi 100 J. Laserii cu mediu activ solid pot fi folosiţi pentru obţinerea impulsurilor optice ultrascurte, cu intensitate de milioane de waţi pe durate de ordinul nanosecundelor.

Lumina laseruluiLumina emisă de un aparat laser are câteva caracteristici diferite

semnificativ de cele ale luminii albe (cea emisă de surse precum stelele sau becul cu incandescenţă).

Lumina emisă de sursele naturale sau de becuri se împrăştie pe măsură ce se îndepărtează de sursă astfel încât, cu cât distanţa faţă de sursă creşte, din ce în ce mai puţină lumină atinge o anumită zonă a spaţiului. Lumina laserului nu se împrăştie, ci are proprietatea de direcţionalitate, adică se propagă pe distanţe mari cu o divergenţă foarte mică şi, ca urmare, poate fi focalizată într-un fascicul cu diametrul dorit.

Lumina laserului este monocromatică şi coerentă. Lumina albă este de fapt un amestec de unde electromagnetice cu diverse lungimi de undă

caracteristice culorilor fundamentale ce constituie spectrul vizibil. Fiecare culoare are o lungime de undă caracteristică aparţinând spectrului vizibil. Dacă am filtra toate lungimile de undă cu excepţia uneia singure, lumina rămasă ar fi monocromatică. Monocromaticitatea şi coerenţa luminii laserului sunt caracteristicile care fac un astfel de dispozitiv ideal pentru înregistrarea informaţiilor pe medii optice precum CD-urile, dar şi pentru a fi folosit ca sursă de lumină pentru comunicaţiile de date prin mediu de fibră optică.

Bibliografiehttp://science.howstuffworks.com/laser.htm/printablehttp://www.repairfaq.org/sam/laserfaq.htm#faqilp2http://www.aps.org/publications/apsnews/200508/history.cfmhttp://technology.niagarac.on.ca/courses/tech238g/Lasers.html