Laserul. Actiunea radiatiei laser

Laserul. Actiunea radiatiei laser

Principiul de functionare al laserului

Dupa cum se stie, atomii si moleculele corpurilor se afla intr-o necontenita miscare dezordonata, energiile lor cinetice medii depinzand numai de temperatura. Aceste energii au numai anumite valori (valori discrete) numite stari energetice sau nivele energetice. Absorbtia sau cedarea energiei de catre aceste particule are loc numai in cuante corespunzatoare tranzitiei intre doua stari energetice stationare.

Distributia particulelor pe aceste stari energetice este de asemenea functie de temperatura; la o temperatura data, numarul atomilor aflati in stari energetice joase este mult mai mare decat al celor excitati pe nivele energetice superioare. Daca temperatura corpului creste, distributia se modifica, aparand mai multi atomi pe nivele energetice superioare (atomi excitati). Pentru trei nivele energetice , numarul de atomi care, la o temperatura data, au energia corespunzatoare acestor trei nivele sunt in relatia: , adica nivelul cel mai inalt, E₃, este cel mai putin populat cu atomi excitati, iar nivelul cel mai de jos, este populat cu numarul cel mai mare de atomi, figura 1 a).   

Aceasta este repartitia obisnuita a atomilor unui corp aflat in echilibru termodinamic, la o temperatura data. Ea este descrisa matematic printr-o relatie care reprezinta legea de distributie a lui Boltzmann. Astfel, pentru o temperatura T, intre numarul N₂ de atomi de pe nivelul de energie E₂ si numarul N₁ al celor aflati pe nivelul inferior E₁ ()exista relatia:

(1)

unde k este constanta lui Boltzmann. Evident, daca , atunci , deoarece temperatura absoluta T este totdeauna o marime pozitiva. Marind temperatura corpului, numarul N₂ de atomi excitati pe nivelul superior E₂ creste, dar nu va putea niciodata deveni mai mare decat N₁. Chiar in cazul in care , N₂ tinde sa devina egal cu N₁ (deoarece ), dar nu mai mare. Asadar, in conditii obisnuite, de echilibru termodinamic, nu se poate obtine pe cale termica . Daca insa, pe o alta cale, s-ar putea popula mai mult nivelul 2 decat nivelul 1, adica s-ar realiza o inversiune de populatie intre nivelele E₂ si E₁, figura 1 b), atunci din relatia (1) se obtine formal o temperatura absoluta negativa. Intr-adevar, logaritmand aceasta relatie, se obtine:

    (2)

Insa notiunea de temperatura absoluta negativa nu are sens in termodinamica, unde sunt studiate numai starile de echilibru. Starile cu temperatura negativa sunt stari de neechilibru termodinamic, legate, dupa cum se vede, de schimbarea fortata a populatiilor pe nivele de energie. Aceasta situatie este interpretata de fizica statistica in care sunt studiate si starile de neechilibru. Fenomenul de inversiune a populatiilor intre doua nivele energetice ale unui sistem fizic, sta la baza fenomenului de emisie stimulata a luminii.

Un atom aflat in starea de energie superioara E₂ poate reveni pe un nivel inferior E₁ fie spontan, emitand o cuanta luminoasa de energie:

fie ca urmare a interactiunii cu un foton de frecventa egala cu cea corespunzatoare cuantei emisa spontan;

Primul fenomen se numeste emisie spontana, iar cel de-al doilea - emisie stimulata sau indusa, uneori fiind numit si emisie fortata.

Emisiile spontana si stimulata au fost studiate prima data de A. Einstein in 1917. Evident, in cazul emisiei stimulate, pe langa fotonul incident, mai apare inca unul, de aceeasi energie si in faza cu primul. Acesta, la randul sau, ar putea provoca aparitia unui alt foton, cand intalneste un nou atom in starea E₂ si asa mai departe, incat se poate obtine astfel o amplificare a radiatiei incidente, daca in proba iradiata se gasesc destul de multi atomi in starea superioara E₂.

In realitate, fenomenul de amplificare, practic, nu exista deoarece nivelul superior E₂ fiind mai putin populat decat E₁ la iradierea unei substante fotonii incidenti vor interactiona cu numerosii atomi aflati in starea energetica E₁. Aceasta interactiune duce la excitarea atomilor in starea energetica E₂. In starea excitata un atom sta un timp limitat, numit viata medie a starii excitate, dupa care revine in starea de energie inferioara E₁ fie prin cedarea energiei atomilor vecini sub forma de caldura (tranzitie neradiativa), fie prin emisia unui foton (tranzitie radiativa). Acest nou foton poate iesi din corpul iradiat sau poate fi la randul sau absorbit in urma altor procese de excitare. Deci, in conditii normale, din corpul iradiat va iesi in unitatea de timp un numar de fotoni mai mic decat cel incident si astfel radiatia incidenta va fi totdeauna slabita in urma trecerii ei prin corpul respectiv.

Pentru obtinerea unei emisii stimulate intense trebuie ca N₂ sa fie cat mai mare fata de N₁. In acest scop s-au dezvoltat o serie de metode de inversiune de populatie intre aceste doua nivele, care au dus la obtinerea de dispozitive numite generatoare cuantice. Ele mai poarta si alte denumiri ca:

Maser, de la initialele cuvintelor in limba engleza: "Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation", care lucreaza in domeniul microundelor electromagnetice;

Iraser, de la "Infrared Amplification by Stimulated Emission of Radiation", pentru radiatiile infrarosii;

Laser, de la " Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation", in domeniul spectrului vizibil;

S-a propus denumirea generala de Maser, de la "Molecular Amplification by Stimulated Emission of Radiation" pentru toate domeniile de unde: maseri hertzieni, maseri in infrarosu, maseri optici. Pentru contributiile aduse la dezvoltarea acestui domeniu, fizicienilor C.H. Towens, N.G. Basov si A.M. Prokhorov li s-au decernat premiul Nobel in 1964.

In laseri s-a obtinut inversiunea de populatie prin utilizarea nivelelor metastabile existente in substanta, figura 2. Prin absorbtia unui foton de energie (proces numit de Kastler in 1950 pompaj optic sau fotonic) atomul trece de pe nivelul energetic E₁ pe nivelul energetic superior E₄. De pe acest nivel atomul trece prin tranzitie spontana pe nivelul apropiat E₃, care este un nivel metastabil. Deoarece de pe un nivel metastabil un atom nu poate trece in mod spontan pe un nivel energetic inferior, atomul ramane pe acest nivel pana cand o unda electromagnetica de frecventa patrunde in substanta respectiva. Prin inductie atomul trece pe nivelul E₂, emitand un foton cu aceeasi frecventa . Aceasta este radiatia stimulata, produsa in faza cu radiatia incidenta si amplificata in substanta respectiva.

Pe langa emisia stimulata se produc si alte emisii prin trecerile spontane intre alte nivele. Aceste emisii constituie fondul de "zgomot" care trebuie sa fie cat mai mic fata de emisia stimulata.

Pentru a obtine amplificarea radiatiei laser se foloseste metoda rezonatorului. Cel mai utilizat rezonator este etalonul Fabry-Perot. Substanta in care se obtine efectul laser, numit mediu activ sau cavitate rezonanta, M, solid sau gazos, este delimitat de doua suprafete plane paralele S₁ si S₂, figura 3, cu straturi cu coeficient de reflexie mare. Acestea permit reflexia multipla a razelor intre ele obtinandu-se un fascicul paralel de mare intensitate, monocromatic si in faza si care, apoi, poate fi concentrat in focarul unei lentile.

2 Proprietatile radiatiei laser

Folosirea radiatiei laser este facilitata de proprietatile specifice acestea: coerenta, monocromaticitatea, directionalitatea, intensitatea.

a) coerenta; acest concept este strans legat de fluctuatiile valorilor amplitudinii campului electromagnetic generat in procesul de emisie stimulata. Explicarea coerentei se poate face luandu-se in considerare fenomenul de interferenta. Astfel, considerand doua unde, provenite din doua puncte diferite din spatiu, daca, in urma fenomenului de interferenta, apar franje de interferenta, atunci cele doua unde sunt coerente.

Folosind doua fante plasate in cale unui fascicul laser se obtin franje de interferenta. Acestea pot indica marimea coerentei intre fasciculele de lumina a difractate de cele doua fante prin marimea numita vizibilitate, V

unde I_max, I_min reprezinta intensitatea maximelor, respectiv a minimelor vecine din regiunea de interferenta. Pentru , adica , coerenta este perfecta (totala), iar pentru , adica , undele sunt necoerente.

b) monocromaticitatea; este una din proprietatile importante ale radiatiei laser, fiind determinata de procesul de emisie stimulata, largimea spectrala a radiatiei emise fiind: , unde: , iar . Se observa monocromaticitatea extraordinar de pronuntata pe care o poate realiza efectul laser, fata de largimea foarte mare obtinuta cu sursele obisnuite.

c) directionalitatea; divergenta surselor obisnuite de lumina este mare datorita dimensiunilor lor finite. Punctele sursei emit raze sub diferite unghiuri fata de axa optica a unui sistem optic. Divergenta fasciculelor determinate de aceste raze este determinata atat de dimensiunile sursei de lumina, cat si de distanta focala a obiectivului de focalizare.

In cazul laserului, datorita specificului producerii radiatiei laser, aceasta are o buna directionalitate. Datorita formei speciale a cavitatii de rezonanta, de tip Fabry-Perot, undele se reflecta de un foarte mare numar de ori pe suprafetele reflectatoare de la capetele cavitatii si deci sunt amplificate numai acele unde care se propaga de-a lungul axei optice a cavitatii; undele care se formeaza sub un unghi oarecare cu axa optica se vor reflecta de un numar mic de ori, dupa care vor iesi din cavitate prin peretii laterali, fara sa participe la efectul de amplificare.

Semnalul laser este deci constituit numai din undele care se propaga paralel cu axa optica a cavitatii. Din aceasta cauza, el va fi extrem de directional. Unghiul de divergenta masurat pana in prezent este cuprins intre 3` si 1^o pentru laserii cu mediu activ solid si sub un minut pentru laserii cu mediu activ gazos.

Coerenta si directionalitatea semnalului emis de laser fac ca acest dispozitiv sa fie echivalent cu o sursa de lumina punctuala, desi suprafata de emisie a acestuia are o intindere apreciabila, cuprinsa intre 0,2 cm² pentru laserul cu rubin si aproximativ 1 cm² pentru laserii cu gaz. Drept urmare, folosind interferometrul Michelson se pot obtine figuri de interferenta, cu un bun contrast al franjelor, la distante de sute de metri, in timp ce in cazul utilizarii surselor monocromatice clasice, franje de interferenta se obtin cu greu la distante mai mari de un metru.

d) intensitatea; sursele obisnuite, avand o stralucire limitata, se folosesc la un numar restrans de aplicatii. Ori cat de mare ar fi temperatura lor, acestea nu pot emite mai multa energie decat radiatorul perfect: corpul negru.

In procesul emisiei stimulate care sta la baza efectului laser, sistemele atomice excitate emit rapid si sincron, nu cum se petrece in mod normal, ceea ce - impreuna cu proprietatea de directionalitate - conduce, pentru radiatia generata de dispozitivele laser, la densitati de radiatie neobisnuite.

Pentru a aprecia valoarea intensitatii radiatiei laser, aceasta se poate compara cu stralucirea suprafetei Soarelui, care se comporta asemanator unui corp negru la temperatura de 6000 K. Radiatia totala a suprafetei solare de-a lungul intregului spectru emis are o densitate a puterii de 7 kW/cm². Aparent ea pare o valoare mare, dar tinand cont de largimea uriasa a spectrului solar, maximul puterii emise este extrem de mic in comparatie cu puterea emisa de un laser.

Intr-adevar, un laser cu rubin lucrand in impulsuri da o putere de ordinul a 1 kW pentru un interval de timp de 10^-3s, iar aceasta este distribuita in interiorul unei largimi de banda de si provine de la o arie de 0,2 cm². Pe de alta parte, puterea emisa de un corp negru aflat la temperatura de 6000 K, pentru aceeasi arie si interval de lungimi de unda, este de numai 0,01 W. In plus, radiatia emisa de suprafata corpului negru este distribuita in interiorul unei sfere, adica in interiorul unui unghi solid de sterradiani, in timp ce largimea unghiulara a fasciculului laser este mai mica decat o jumatate de grad, adica ~10^-2 radiani sau sub un unghi sold de 10^-4 sterradiani. In interiorul acestui con si in acelasi interval de lungimi de unda corpul negru (soarele) emite o putere de numai .

Prin urmare, rezulta ca emisia laserului cu rubin cu functionare in impuls este de aproximativ ori mai stralucitoare decat o arie echivalenta a suprafetei solare. Acest raport devine cu atat mai remarcabil cu cat fasciculele laser sunt mai directionale si monocromatice, ceea ce, este cazul laserului cu gaz.

3 Holografia

Fizicianul englez de origine maghiara, Denis Gabor, in 1947, a descris o metoda prin care se poate obtine imaginea unui obiect din figura de difractie, produsa de acel obiect. Aceasta metoda a fost denumita holografie (holos = intreg, grafien = scriere, in limba greaca).

Procedeul prezinta doua etape:

Peste figura de difractie produsa de un obiect iluminat cu un fond luminos coerent, se suprapune fondul luminos coerent; figura de interferenta rezultata este inregistrata pe o placa fotografica, care, dupa developare, devine holograma. Aceasta contine toate informatiile cu privire la amplitudinea si faza luminii difractate de catre obiect;

Holograma se ilumineaza cu fondul luminos coerent; datorita variatiilor in densitate optica prezente pe holograma apar fenomene de difractie cu care reconstituie imaginea obiectului.   

In fotografia obisnuita se inregistreaza numai intensitati luminoase emise de obiect, fara a se putea inregistra informatii privitoare la distantele dintre placa fotografica si diferitele puncte ale obiectului fotografiat. De aceea placa fotografica, inregistrand detalii ale obiectului doar in doua dimensiuni, nu poate forma, dupa developare, imaginea "spatiala" (tridimensionala) a obiectului. Imaginea plana (fotografia) a unui obiect apare totusi clara observatorului numai datorita puterii separatoare limitate a ochiului care a impus cerinta ca aparatul fotografic sa foloseasca doar fascicule paraxiale la obiectivul aparatului fotografic.

Pentru a avea in imagine informatii cu privire si la volumul obiectului (imagine tridimensionala), trebuie folosit un mod de a inregistra si fazele undelor luminoase, pe langa amplitudinile (intensitatile) lor.

In principiu, acest lucru se realizeaza in felul urmator, figura 4: lumina de la o sursa (laser) este divizata in doua fascicule coerente. Unul dintre ele, fasciculul de referinta, cade direct pe placa fotografica, celalalt, fasciculul obiect, pe obiect. O parte din lumina reflectata (difuz) de obiect ajunge pe placa fotografica, unde intalneste fasciculul de referinta. Acestea vor interfera, formand in emulsia fotografica maxime si minime de interferenta stationara care vor ramane inregistrate dupa developarea placii. O astfel de placa fotografica, denumita, dupa developare, holograma, nu contine imaginea geometrica a obiectului, ci un sistem de franje de interferenta.

Iluminand apoi holograma cu un fascicul, numit fascicul de reconstructie, figura 5, plasat pe directia fasciculului de referinta, undele difractate care se propaga pe directia obiectului vor forma imaginea virtuala a acestuia. Aceasta imagine se poate observa privind prin holograma, in directia in care s-a aflat obiectul la inregistrare.

De cealalta parte a hologramei si simetric fata de directia de propagare a fasciculului de reconstructie se va forma imaginea reala a obiectului.

Pe directia fasciculului de reconstructie se va propaga prin holograma o parte din acest fascicul care nu va contribui la formarea imaginilor.

Fotografii ale unor imagini holografice sunt prezentate in figura 6.

Daca fascicul de reconstructie are aceeasi lungime de unda ca si fasciculul de referinta, imaginile sunt identice cu obiectul. In caz contrar, dimensiunile imaginilor se vor modifica direct proportional cu modificarea lungimii de unda.

Fig. 6

Hologramele obtinute cu fascicul laser sunt cu mult superioare celor care s-ar realiza cu lumina produsa de surse obisnuite, necoerente, deoarece radiatia laser poseda o mare coerenta spatiala si temporala. Din aceasta cauza, abia dupa realizarea laserului, in 1962, Leith si Upatnieks au reusit sa obtina o inregistrare si o reconstituire holografica buna. Drept urmare, Denis Gabor a primit premiul Nobel in 1971 pentru holografie.

4 Actiuni distructive ale radiatiei laser

4.1 Actiunea radiatiei laser asupra materialelor si aparaturii. Laserii de inalta energie sau cu putere de radiatie mare reprezinta o noua clasa de arme periculoase. Chiar si laserii de putere mica pot fi folositi ca arma, intrucat radiatia lor poate fi suficienta pentru a provoca distrugerea sau inrautatirea functionarii unor dispozitive optice.

Actiunea radiatiei laser asupra materialelor si aparaturii depinde atat de caracteristicile proprii laserului utilizat, cat si de cele ale substantelor din care este alcatuit obiectul spre care este dirijata aceasta radiatie.

In general, sub actiunea radiatiei laser cu o intensitate suficient de mare pentru a provoca distrugere, materialele trec prin trei stadii:

absorbtia energiei radiatiei laser, insotita de incalzirea materialului;

conversia fazei solide in faza lichida;

difuzia fazei lichide si evaporarea.

Prima faza duce la distrugerea materialului prin modificarea proprietatilor, crearea de fisuri, distrugerea stratului superficial si a calitatilor suprafetei exterioare.

Cea de-a doua faza, de trecere a substantei solide intr-o faza lichida, este insotita de o evaporare intensa, insotita de formarea de cavitati. Totodata, drept rezultat al actiunii radiatiei laser asupra materialului, se vor forma produse de dezagregare, lichide si gazoase, care absorb cu usurinta fasciculul laser, creandu-se astfel un ecran specific care impiedica continuarea procesului distructiv. Distrugerea cu radiatie laser a unor obiecte in miscare ca mare viteza este mai eficace decat in cazul obiectelor nemiscate, deoarece la obiectele aflate in miscare produsele de dezagregare sunt indepartate de curentii de aer creati de miscarea obiectelor.

4.2 Actiunea biologica a radiatiei laser. Radiatia laser are o influenta nefavorabila asupra materiei vii, modificand sau distrugand functiile acesteia. Cele mai sensibile organe ale corpului uman la actiunea radiatiei laser sunt, in ordine, organele vizuale, tesuturile musculare si sistemul nervos central.

Efectul radiatiei laser asupra tesuturilor vii consta in cresterea temperaturii portiunii iradiate prin absorbtia si conversia energiei luminoase de catre celule si tesut si dintr-o actiune dinamica asemanatoare celei data de o explozie interna, prin cresterea instantanee a temperaturii zonei iradiate de laser, ceea ce provoaca trecerea substantelor solide si lichide intr-o stare gazoasa.

Spre deosebire de arsurile obisnuite, efectul radiatiei laser asupra tesutului viu are un caracter bine delimitat: granita dintre portiunea afectata si cea neafectata este destul de neta intrucat excesul de caldura nu are timp sa se transmita si portiunilor invecinate.

Iradierea cu lumina laser de mai lunga durata provoaca stari de oboseala crescanda, modificari functionale ale sistemului cardio-vascular si scaderea tensiunii arteriale.

Cel mai mare pericol il reprezinta radiatia laser pentru organele vizuale, deoarece sensibilitatea ochiului la excitatii luminoase este destul de ridicata. Radiatia laser focalizata de cristalin pe retina este absorbita de pigmentul acesteia, temperatura in locul de patrundere al fasciculului creste brusc, producandu-se arsuri sau pierderea temporala a vederii, precum si distrugeri explozive ale tesutului.

Asupra pielei efectul radiatiei laser are efect termic, care depinde si de pigmentatia acesteia. La iradierea pielei se produc fenomene de cojire, desfoliere in straturi, carbonizare si chiar formarea de rani.