Lasery

Lasery
Lasery
Úvod a história
Lasery sú prespektívnou zložkou, rýchlo sa rozvíjajúcou zložkou elektroniky, núkajúcou
stále nové možnosti využitia.
Prípravným casom na nastúpenie laserov bolo obdobie maserov. Maser je skratka
Microwave amplification by emision of radiation. Znamená to, že to je mikrovlné
zosilovanie simulovanou emisiou žiarenia. Teda nieje to zdroj svetla, ale iba
zosilnovacom na mikrovlných pásmach. Fyzikálny princíp je podobný ako pri laseroch.
Pre lasery sa používa názov kvantové zdroje kohertného svetla. Sú návrhy oznacovat
lasery ja masery spolocným názvom ESERY. Na rozdiel od iných zdrojov žiarenia
vyžarujú lasery svetlo s presne vymedzenou vlnovou dlžkou , ktoré sa šíri v úzkom
zväzku a všetky lúce majú rovnaký fázový stav, co spôsobuje vysokú intenzitu. Lasery
rozdelujeme na: a) plynové
b) kvapalinové
c) tuhé
pricom tuhé delíme na 1. kryštálové, 2. polovodicové.
Na výskum nových a silnejších laserov sa vynakladajú velké financné ciastky. Rýchly
rozvoj spôsobil, že lasery sa stali všeobecne dostupnou komoditou. Pre vývoj laserov
bolo dôležitý pokrok vo fyzike, za co sa pricinili najmä M. Planck, N. Bohr, A. Einsten.
Vo vývoji boli dôležité hlavne tieto roky. 1917-1952 Naznacil Einstein základné
koncepcie kvantových
generátorov.
1923 Toldman preskúmal možnosti využitia simul. emisie na úcely zosilovania vln.
1940 V. A. Fabrikant analyzoval negatívnej absorbcie.
1953 J. Weber uverejnil clánok o zosilnovacích dvojhladinových atómových
prostrediach.
1958 prvá práca o zosilovaní svetla pomocou simulovanej emisie
1961 Objav uvolnenia energie v rezonátore v podobe obrovitých pulzov. 1962-1965
Nástup polovodicových laserov.
1962 Prvé použitie laseru v kozmickom priestore
1964 Objav iontového lasera vydávajúceho viditelné svetlo.
1967 Zostrojenie mnohovlnný kvapalný laser s farbami, od cervenej po žltú.
1970 Skonštruovanie laseru pracujúceho pri izbových teplotách
Konštrukcné riešenie a výroba laserov
Pri konštrukcnom návrhu je dôležité: a) dat súciastke vhodnú geometriu, vychádzajúc z
jej funkcného urcenia.
b) v súvislosti s geometriou prihliadat na podmienky naladenia.
c) musíme pamätat na prívod elektrického prúdu.
d) postarat sa o odvod tepla.
Polovodicové lasery majú zväcša tvar štvorbokého a trojbokého hranola, alebo valcový
tvar. Pri štvorbokom hranoly vychádza svetlo z jednej strany, pri trojbokom z jednej,
dvoch, alebo troch stien. Valcová geometria sa používa na vyžarovanie všetkými
smermi.
Teleso kryštálu je tvorené stenami R1 a R2, ktoré majú funkciu zrkadiel, reflektorov.
Aby mohlo svetlo vychádzat do priestoru, musí byt aspon jedna z obrazných stien
polopriepustná. To znamená, že 30% až 60% svetla opúšta rezonátor. Pri
konštrukcnom riešení je dôležité dbat na rovinnost, planparalénnost, odrazivost
reflektorov a ich kolmost na rovinu priechodu. Základne hranola sú pokovené a slúžia
na kontaktovanie prívodov elektrického prúdu. jednou z nich sa odvádza vznikajúce
teplo z Joulových strát. Teplo sa odvádza pomocou medených, alebo diamantových
blokov. Pri výbere materiálu pre výrobu priechodových polovodicových laserov
zohladnujeme tri aspekty:
1. Vybrané polovodice musia byt schopné vysokej dotovatelnosti donórmi aj
akceptormi
2. Medzi vodivostnými oblastami sa vyžaduje vznik priechodu.
Týmto požiadavkám vyhovuje GaAs. Tieto lasery emitujú v infracervenej oblasti
spektra. Neviditelné spektrum má prednosti v dorozumievacej technike, telemetrii a
iných aplikáciách.
Vplyv fyzikálnych velicín na cinnost polovodicového lasera
Zistilo sa že pri zvyšovaní teploty polovodicových laserov sa prudko zvyšuje prúd, co je
spôsobené nárastom volných nosicov náboja. Prahová hodnota prúdu (ith) je funkciou
teploty. Všeobecne je závislá aj od aj od koncentrácie volných nosicov náboja, prípadne
iných faktorov.
Závislost ith od Q a ND pre GaAs je znázornená na obrázku. V intervale Q < 20K ith
takmer konštantné. K znatelnému nárastu prichádza v intervale Nad 100K platí
ith~Q3.
Pri nízkych teplotách je prúdová hustota a tím aj celkový prúd malý. Nadmernému
zohriatiu predchá- dzame skrátením nábehového casu a zostupného casu pulzu, ako aj
jeho trvania. Dlhšie casy nábehu vyvolajú zvýšenie teploty cipu až k bodu, v ktorom
vstrekovaný prúd nestací vynútit laserovania príp. vyniknutú emisiu zastaví. Hovoríme
o teplotnom zhášaní lasera. Cas trvania budiaceho impulzu je rádovo 20 až 50 ns.
Vlastnosti lasera sa menia mechanickým pnutím vyvolaným tlakom, tahom, ohybom, a
krutom. Napríklad jednoosové pnutie v GaAs v laserovej dióde znižuje ith a posúva
emisný vrchol ku kratším vlnovým dlžkam. Pri deformáciách sa naruší pôvodné
usporiadanie atómov sa naruší pôvodné usporiadanie atómov príp. molekúl v
kryštálových mriežkach. Vzdialenosti atómov v osovom smere zmenšia, pôsobením
tlaku sa zväcšia.
V oboch prípadoch príma sústava deformacnú energiu, co sa spôsobí zmenou
zakázaného pásma elektrónov.
Ochrana proti žiareniu lasera
Lasery majú nepriaznivé biologické úcinky, ktoré vyvolávajú:
a) Lokálne zvýšenie teploty, a tým poškodenie živého tkaniva.
b) Druhotným úcinkom teploty, vznikom tlakovej vlny, ktorej intenzita tlakovej vlny,
ktorej intenzita dostacuje na trhanie svalového tkaniva.
Konkrétnejšie, poškodzuje sa pigment epitelu a príp. neuroektodemálny povlak.
Bezpecnost pri práci si vyžaduje predovšetkým ochranu pokožky a ocí, ktoré sú najviac
ohrozované. K ohrozeniu dochádza nielen priamym stykom s laserovými zariadením,
ale aj sekundárnymi úcinkami, hlavne vzdušnou kontamináciou. Oci chránime
bezpecnostnými filtracnými okuliarami. V priemysle sa dá predíst škodlivým úcinkom
pomocou riadenia za kontroly televíznymi kamerami.
K základným preventívnym opatreniam patria: dôsledné oznacenie miest, kde sa
žiarenie vyskytuje, dodržiavanie predpisov na signalizáciu cinnosti laserového
zariadenia. Signalizácia musí byt optická, aj akustická.
Využitie laserov v priemysle
Pri fokusácií laserových lúcov na malú plochu sa tam koncentruje velké množstvo
energie. Teplota stúpne na vysokú hodnotu, cím dojde k lokálnemu topeniu, až
vyparovaniu látky. To sa využíva najmä pri obrábaní materiálov. V mikroelektronike sa
používajú pri výrobe súciastok a integrovaných obvodov.
Je otázne ako sa budú dalej pokracovat vývoj laserov, co je však dôležité, lasery majú
budúcnost hlavne v oblasti informacnej techniky.