Lasere cu dioxid de carbon - aplicații

1. Introducere

Cuvântul LASER provine din limba engleză, el fiind ancronimul pentru "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation". Un laser este o sursă de lumină, dar total diferită faţă de un bec normal. Primul laser a fost făcut de Theodore H Maiman în 1960. El a montat o bucată de rubin tratată special într-un bliţ folosit pentru făcut fotografii. Când lampa bliţ-ului a fost aprinsă, o pulsaţie intensă de lumină roşie a ieşit de la capătul rubinului. Această pulsaţie a fost monocromatică şi coerentă. Diferenţa dintre lumina emisă de un bec normal şi un laser este ca şi aceea dintre zgomotul alb şi un ton curat.

La început, laserul a fost considerat o "soluţie" la multe "probleme". "Problemele" însă nu existau încă. Dar cu timpul, ele au început sa apară, în număr tot mai mare. Nu ne-am putea imagina lumea de astăzi fără lasere: folosite peste tot, de la CD playere la imprimante cu laser, fibre optice, comunicaţii, tăierea şi sudura industrială, tratamente şi operaţii medicale, holografie, spectacole luminoase (lasershows), cercetare în mai multe domenii, măsurare "fără atingere", chiar şi armament. Caracteristicile unice ale unui laser - monocromaticitatea, coerenţa şi paralelismul razei - îl fac potrivit pentru multe aplicaţii.

Cu toate că LASER sugerează faptul că laserul este un "amplificator" (dispozitiv pentru mărirea puterii unui semnal), majoritatea laserelor sunt de fapt nişte oscilatoare (surse de lumină). Cu toate acestea, lasere în adevăratul sens al cuvântului există. Puterea unui laser poate varia de la mai puţin de un mW la milioane de W. De asemenea, el poate lucra în impulsuri sau continuu.

2. Componente comune ale laserelor

1) Un mediu laser. Acesta poate fi solid, lichid, gaz sau un material semiconductor care poate fi excitat la un nivel mai mare de energie. Trebuie să fie posibilă excitarea majorităţii particulelor la un nivel mai ridicat de energie. Aceasta se numeşte inversie de populaţie. Trebuie ca emisia stimulată să declanşeze o tranziţie pe un nivel inferior de energie.

2) Un mod de a energiza mediul laser. Acesta poate fi optic, chimic, electric. Laserele cu gaz folosesc descărcările electrice, excitarea RF externă, bombardamentul cu electroni sau o reacţie chimică. Dar descărcarea electrică este cea mai des folosită la laserele de putere mică (He-Ne). Exista şi un laser chimic, numit Mid-Infra Red Advanced Chemical Laser (MIRACL), care foloseşte deuteriu şi fluorină ca şi reactanţi. Mai este descris ca şi un "motor de rachetă între oglinzi". De asemenea, mai există unul care este încă în stadiul de cercetare, montat pe un Boeing 747 modificat, numit AirForce's AirBorne Laser. Este un Chemical Oxygen Iodine Laser (COIL), care a fost construit pentru doborârea rachetelor de croazieră cu rază medie de acţiune, în faza de lansare. Laserele solide folosesc de obicei lămpi cu descărcare cu xenon (ca şi lămpile de bliţ) pentru amorsare sau o matrice de lasere semiconductoare (diode). Laserele semiconductoare de obicei sunt alimentate cu energie electrică, dar este posibilă si cu bombardare cu electroni sau optică. Laserii lichizi sunt de obicei amorsaţi optic, iar cei cu raze X cu mici dispozitive nucleare. Cu toate că s-au făcut teste (secrete) există controverse în privinţa funcţionării lor. Există si lasere cu electroni liberi (FEL - Free Electron Laser) care sunt alimentate folosind acceleratoare de particule (de sute de milioane de dolari).

3) Un rezonator. De cele mai multe ori acesta este sub forma unei cavităţi Fabry-Perot, o pereche de oglinzi, câte una la fiecare capăt al laserului. Acestea ajută fotonii să treacă de mai multe ori prin mediul rezonator, mărind şansele de a lovi şi alţi electroni. De obicei, una din oglinzi este total reflectorizantă, iar cealaltă este parţial transparentă pentru a da voie razei laser să treacă prin ea. Ele sunt ori perfect plane, ori puţin concave. Dar sunt posibile si alte configuraţii. Unele lasere au oglindă numai la un capăt (laserele cu azot) sau nici o oglindă (laserele cu raze X pentru ca este aproape imposibilă reflectarea radiaţiei la această lungime de undă). De asemenea, este posibilă şi prezenţa altor elemente în rezonator, cum sunt prisme, modulatoare etc.

Funcţionarea unui laser este bazată pe inversia de populaţie. De obicei, aproape toţi atomii, ionii, moleculele al mediului laser sunt în cel mai scăzut nivel de energie.

Pentru a produce emisia stimulată, energia care alimentează laserul trebuie sa fie destul de mare pentru a realiza o inversie de populaţie. Aceasta înseamnă că majoritatea particulelor din mediul laser trec pe un nivel energetic superior.