Typy laserów
advertisement
Typy laserów (Halina Abramczyk, Wstęp do spektroskopii Laserowej, PWN, 2000) Lasery można klasyfikować w zależności od rodzaju ośrodka czynnego lub długości fali emitowanego promieniowania. Najbardziej ogólny podział ze względu na pierwsze kryterium to lasery gazowe, ciekłe i na ciele stałym. Do najbardziej znanych laserów gazowych należą: a) laser CO2 (10,4 µm) (bliska podczerwień), b) laser CO (5 - 6,5 µm) (bliska podczerwień), c) laser N2O (10,6 µm), d) molekularne lasery gazowe (CH3OH, C2H2F2, CH3F) (40 µm - 1 mm) (daleka podczerwień), e) lasery chemiczne (w których jednym z produktów reakcji jest: I, HF, HCl, HBr, CO, CO2) emitujące w bliskiej podczerwieni (1,3 - 11 µm), f) jonowy laser argonowy (476,5 - 514,5 nm) (zakres widzialny), g) laser kryptonowy (503,9 - 752,5 nm) (zakres widzialny), h) laser helowo - neonowy (632,8 nm) (zakres widzialny), i) lasery ekscimerowe, takie jak: ArF, XeCl ,KrF, emitujące promieniowanie o długości fal 193, 248, 308 nm (UV), j) laser azotowy N2 (337 nm) (UV). Do najczęściej używanych laserów ciekłych należą lasery barwnikowe, emitujące w zakresie widzialnym. Najbardziej znane lasery, w których ośrodkiem czynnym jest ciało stałe, to: a) laser rubinowy (694,3 nm) (zakres widzialny), b) laser Nd:YAG, w którym matrycą jest granat itrowo-glinowy, a domieszką neodym, c) laser tytanowo-szafirowy (690 - 1080 nm) i inne lasery przestrajalne na ciele stałym, d) lasery na pierwiastkach ziem rzadkich (holmowy, erbowy, tulowy) emitujące promieniowanie o długości fal około 2 µm w zależności od rodzaju matrycy oraz od rodzaju domieszki, e) lasery półprzewodnikowe emitujące w szerokim zakresie widmowym, począwszy od zakresu widzialnego do podczerwieni. W nawiasach podano główne linie lub zakresy emisji. Podział oparty na długości fali emitowanego promieniowania związany jest z rodzajem przejść kwantowych, między którymi zachodzi akcja laserowa. Lasery 53 emitujące promieniowanie z zakresu dalekiej podczerwieni wykorzystują inwersję obsadzeń poziomów rotacyjnych. Należą do nich lasery gazowe, w których ośrodkiem czynnym są substancje takie jak: CH3OH, C2H2F2, CH3F. W laserach emitujących promieniowanie z zakresu podczerwieni akcja laserowa zachodzi między poziomami wibracyjnymi. Najbardziej znany laser tej grupy to laser CO2. W laserach emitujących światło w zakresie widzialnym i nadfiolecie akcja laserowa zachodzi między poziomami elektronowymi. Lasery, w których akcja laserowa zachodzi między poziomami elektronowymi stanowią szeroką grupę obejmującą między innymi laser argonowy, helowo-neonowy, kryptonowy, azotowy, lasery barwnikowe, lasery na ciele stałym i lasery ekscimerowe. Omówimy teraz niektóre lasery należące do wyżej wymienionych grup. Przegląd rozpoczniemy od najstarszego lasera - lasera rubinowego skonstruowanego 36 lat temu przez Theodore’a Maimana. 5.1. Laser rubinowy Impulsy lasera rubinowego o dużej energii i promieniowaniu z zakresu widzialnego światła czerwonego (694,3 nm) znajdują nadal zastosowanie w holografii i dermatologii. W dermatologii laser rubinowy wykorzystywany jest do usuwania tatuaży i pigmentacyjnych zabarwień skóry. Laser rubinowy jest laserem impulsowym o niskiej częstości repetycji. Częstość repetycji jest to liczba impulsów wysyłanych przez laser w ciągu 1 sekundy. Czas trwania pojedynczego impulsu jest rzędu milisekund, przy energii 1 J i średniej mocy impulsu rzędu kilowatów. Ośrodkiem czynnym lasera rubinowego jest pręt z syntetycznego szafiru (Al2O3) domieszkowany (0,01 - 0,5%) chromem, który ma tę samą wartościowość (+ 3) co glin i nadaje kryształowi czerwoną lub różową barwę. Przejścia elektronowe w laserze rubinowym są przedstawione na rysunku 5.1. 54 Rys. 5.1. Przejścia elektronowe w laserze rubinowym Laser rubinowy jest pompowany lampą błyskową. Widzialne światło o długości fali 400 nm lub 550 nm przenosi jony Cr+3 do stanów wzbudzonych E1 lub E2, gdzie żyją krótko (ok. 100 ns). W wyniku przejść bezpromienistych jony Cr+3 przechodzą do jednego z dwóch stanów metastabilnych: E lub 2A o czasie życia 3 ms w temperaturach pokojowych. Akcja laserowa dla przejścia E → E0 generuje światło o długości fali 694,3 nm. Laser rubinowy jest laserem trójpoziomowym, co oznacza, że poziom E0 jest poziomem, z którego rozpoczyna się pompowanie i gdzie kończy się akcja laserowa. Oznacza to, że więcej niż połowa atomów musi być przeniesiona do stanu wzbudzonego, aby wytworzyć inwersję obsadzeń. Wymaga to dużych energii pompowania. Nadmiarowa energia wytworzona w ośrodku czynnym w wyniku przejść bezpromienistych pozostaje w krysztale rubinowym, ogrzewając go i ograniczając częstość repetycji impulsów do kilku w czasie 1 sekundy. Te niedogodności układu trójpoziomowego są zrekompensowane w laserze rubinowym przez długi czas życia stanu metastabilnego. Długi czas życia pozwala zmagazynować w pręcie rubinowym energię wiele razy większą niż w pręcie neodynowym Nd:YAG o tych samych wymiarach i w konsekwencji generować impulsy o dużo większej energii. Lasery rubinowe znajdują szerokie zastosowania w holografii, diagnostyce plazmy i dermatologii. W dermatologicznych zastosowaniach wykorzystywane są lasery rubinowe ze zmianą dobroci Q produkujące impulsy o energii 2 - 3 J i częstości repetycji 0,5 - 1 Hz. Energia taka wystarcza, aby usuwać czarne, niebieskie i zielone pigmenty tatuaży skóry, jak również zabarwienia spowodowane nadmiarem melaniny. Laser rubinowy nie usuwa natomiast czerwonych pigmentów, nie absorbują one bowiem czerwonego światła o długości fali 694,3 nm 55 emitowanego przez laser. Wiązka laserowa niszczy komórki z pigmentem, podczas gdy otaczające je niezabarwione obszary skóry absorbują minimalną ilość światła i doznają tylko nieznacznego uszkodzenia. Następnie układ limfatyczny powoli usuwa martwe komórki w ciągu kilku miesięcy. Laser rubinowy może pracować również w reżimie synchronizacji modów, emitując impulsy o czasie trwania 20 30 pikosekund, energii 1 mJ i częstości repetycji 20 - 30 Hz. 5.2. Molekularne lasery gazowe z zakresu podczerwieni Do grupy molekularnych laserów gazowych z zakresu podczerwieni należą lasery emitujące promieniowanie wygenerowane w wyniku kwantowych przejść między stanami rotacyjnymi lub wibracyjnymi oraz lasery chemiczne. Omówimy kolejno: a) lasery emitujące promieniowanie w wyniku przejść rotacyjnych, b) lasery emitujące promieniowanie w wyniku przejść wibracyjnych (CO2, CO, N2O), c) lasery chemiczne. Najbardziej znanym laserem z zakresu podczerwieni jest laser CO2, który emituje promieniowanie o długość fali 10,4 µm. Laser CO dostarcza promieniowania o mniejszych długościach fal (5 - 6,5 µm ). Do generowania promieniowania o większych długościach fal (30 µm - 1 mm) służą lasery z zakresu dalekiej podczerwieni. Emisja w laserach typu CO2, CO, N2O generowana jest na przejściach wibracyjno-rotacyjnych, a w laserach emitujących promieniowanie o większych długościach fal - na przejściach rotacyjnych. Dla tej ostatniej grupy ośrodkiem czynnym są proste substancje organiczne, jak np. metanol. Lasery na przejściach rotacyjnych omówimy w następnym paragrafie. 5.2.1. Lasery emitujące promieniowanie w wyniku przejść rotacyjnych Lasery emitujące promieniowanie w wyniku przejść rotacyjnych generują promieniowanie z zakresu dalekiej podczerwieni. Moce tych laserów w typowych, komercyjnie dostępnych modelach mieszczą się w zakresie od miliwatów do 1 W. Lasery emitujące promieniowanie w wyniku przejść rotacyjnych są wzbudzane promieniowaniem o długości wynoszącej około 10 µm i dlatego często pompowane są światłem lasera CO2 lub N2O. Pompowanie optyczne powoduje przeniesienie cząsteczek ośrodka z określonego stanu rotacyjnego, opisanego rotacyjną liczba kwantową J0 w podstawowym stanie wibracyjnym (υ = 0), do stanu rotacyjnego J we wzbudzonym stanie wibracyjnym (υ > 0) określonego drgania wibracyjnego (rys. 5.2). Liczba υ oznacza oscylacyjną liczbę kwantową. Akcja laserowa zachodzi między dwoma poziomami rotacyjnymi J → J-1 we wzbudzonym stanie wibracyjnym. Laser pompujący powinien dostarczać promieniowania silnie 56 monochromatycznego w wąskim zakresie widmowym, aby uniknąć zapełnienia sąsiednich poziomów rotacyjnych, które leżą blisko siebie. Rys. 5.2. Schemat przejść kwantowych w laserach emitujących promieniowanie w wyniku przejść rotacyjnych Ośrodkiem czynnym w laserach emitujących promieniowanie w wyniku przejść rotacyjnych są substancje w stanie gazowym np. alkohole i węglowodory. W handlowych modelach laserów emitujących promieniowanie w wyniku przejść rotacyjnych rezonator optyczny zawiera zbiornik z gazem, który można wymieniać. Pozwala to otrzymywać promieniowanie o długościach fali z zakresu dalekiej podczerwieni od 40 µm do 2000 µm. Ponieważ energia poziomów rotacyjnych silnie zależy od masy cząsteczek, więc podstawienie izotopowe w cząsteczkach gazu może powodować uzyskanie nowych linii. I tak na przykład dla CD3OD uzyskujemy emisję promieniowania o długości fali 41,0 µm, dla CH3OD 46,7 µm, a dla CH3OH - 70,6 µm. Lasery emitujące promieniowanie w wyniku przejść rotacyjnych, choć dostępne komercyjnie, są mniej popularne niż lasery gazowe emitujące promieniowanie o krótszych długościach fal (CO2, CO, N2O) z zakresu bliskiej podczerwieni. Wynika to z problemów technicznych w tym zakresie widmowym związanych z koniecznością stosowania falowodów oraz warunkami, jakie muszą spełniać elementy optyczne. 57 Rys. 5.3. Rezonator optyczny laserów na przejściach rotacyjnych Rezonator optyczny laserów emitujących promieniowanie w wyniku przejść rotacyjnych, w przeciwieństwie do rezonatorów laserów z innych zakresów widmowych, składa się nie tylko z dwóch zwierciadeł Z1 oraz Z2 i ośrodka czynnego, ale również próżniowego falowodu, który prowadzi wyemitowane fale (rys. 5.3). Falowód jest niezbędny, gdyż absorpcja powietrza przy długości fali 30 i 500 µm skutecznie blokowałaby transmisję światła na większe odległości. Układ optyczny rezonatora składa się ze zwierciadła Z1 i Z2, między którymi zachodzi akcja laserowa, oraz okienek W1 i W2 izolujących próżniowo układ od otoczenia i przepuszczających wygenerowane światło lasera. Elementy optyczne rezonatora muszą spełniać kilka warunków, które niekiedy wykluczają się wzajemnie: 1) Zwierciadła Z1 i Z2 rezonatora muszą odbijać promieniowanie zarówno z zakresu 10 µm (promieniowanie pompujące), jak i z zakresu dalekiej podczerwieni (promieniowanie wygenerowane). Odbicie w zwierciadłach promieniowania pompującego wydłuża drogę optyczną, co przy małych energiach przejść rotacyjnych jest bardzo ważne. 2) Tylne okienko W1 izolujące próżniowo układ od otoczenia musi przepuszczać promieniowanie pompujące, które tą drogą dostaje się do rezonatora. Wykonane jest przeważnie z selenku cynku. W zwierciadle tylnym Z1 znajduje się otwór O o średnicy 1 - 2 mm, który przepuszcza promieniowanie o długości fali 10 µm, nie przepuszczając jednocześnie promieniowania z zakresu dalekiej podczerwieni. 3) Przednie okienko W2 musi przepuszczać promieniowanie z dalekiej podczerwieni, które zostało wygenerowane w laserze. Zbudowane jest przeważnie z czystego krzemu lub krystalicznego kwarcu. W zakresie promieniowania o długościach fali większych niż 50 µm większość materiałów jest nieprzezroczysta. Tylko niektóre materiały, jak krzem, german, krystaliczny kwarc, diament oraz polietylen, mogą być użyte jako materiał okienka W2, są bowiem przepuszczalne dla światła emitowanego przez omawiane w tym podrozdziale lasery. Lasery emitujące promieniowanie w wyniku przejść rotacyjnych stosowane są głównie w badaniach spektroskopowych. 58 5.2.2. Lasery emitujące promieniowanie w wyniku przejść wibracyjnych: CO2 i CO Lasery emitujące promieniowanie w wyniku przejść wibracyjnych generują promieniowanie w zakresie podczerwieni, zarówno w sposób ciągły, jak i impulsowy, a ich główne linie to: 10,6 µm i 9,6 µm (CO2) oraz 5 - 6 µm (CO). Lasery CO2 mogą osiągać moce w szerokim zakresie, od watów do kilowatów, w zależności od typu lasera. Lasery CO2 i CO emitują promieniowanie w wyniku przejść między poziomami wibracyjno-rotacyjnymi cząsteczek. Ośrodek czynny lasera CO2 składa się z cząsteczek dwutlenku węgla, azotu N2 i helu He. Mechanizm akcji laserowej jest przedstawiony na rys. 5.4. Lasery CO2 są najczęściej wzbudzane poprzez wyładowania elektryczne w gazie. Elektrony, które powstają na skutek jonizacji, wzbudzają drganie rozciągające cząsteczki N2 przenosząc ją z podstawowego stanu wibracyjnego (υ = 0) do pierwszego wzbudzonego stanu wibracyjnego (υ = 1). Energia cząsteczki N2 w tym stanie kwantowym jest praktycznie taka sama jak energia pierwszego wzbudzonego stanu wibracyjnego (0001) asymetrycznego drgania rozciągającego ν -1 3 cząsteczki CO2. Na skutek niewielkiej różnicy energii (∆E = 18 cm ) między poziomami wzbudzonymi, cząsteczki N2 oddają energię cząsteczkom CO2 i powracają do podstawowego stanu wibracyjnego (υ = 0), co powoduje wzbudzenie drgania ν3 do stanu wibracyjnego oznaczonego na rys 5.4 jako (0001). Główne przejścia laserowe w CO2 zachodzą między stanami wzbudzonymi drgania ν3 (0001) i symetrycznego drgania rozciągającego ν1 (1000) (emitując promieniowanie o długości fali 10,6 µm) oraz drgania zginającego ν2 (0110) (9,6 µm). Cząsteczki helu nie biorą bezpośrednio udziału we wzbudzeniu cząsteczek CO2, ale pełnią ważną rolę w przekazywaniu ciepła (dyssypacji energii), ułatwiają bowiem opróżnianie niższych poziomów wibracyjnych w CO2, przyczyniając się w ten sposób do utrzymania inwersji obsadzeń. 59 Rys. 5.4. Przejścia kwantowe w laserze CO 2 . Na rysunku 5.4 symbole (0000), (0110), itd., oznaczają zespół oscylacyjnych liczb kwantowych υ występujących w wyrażeniu na energię oscylatora harmonicznego 1 E = hν (ϑ + ) . 2 Pierwsza cyfra oznacza kwantową liczbę oscylacyjną drgania ν1, druga - ν2, trzecia – ν3, indeks górny przy liczbie oscylacyjnej określa stopień degeneracji poziomu. I tak na przykład symbol (0110) oznacza podstawowy stan wibracyjny dla drgania ν1, pierwszy wzbudzony stan wibracyjny dla drgania ν2, który jest dwukrotnie zdegenerowany i podstawowy stan wibracyjny dla drgania ν3. Moc lasera CO2 zależy od jego budowy. Wyróżnia się następujące typy laserów CO2 (rys. 5.5.): a) lasery z gazem czynnym znajdującym się w szczelnie zamkniętej w kolumnie wyładowawczej, b) lasery - falowody, c) lasery z osiowym przepływem gazów, d) lasery z poprzecznym przepływem gazów, e) lasery poprzecznie wzbudzane pod ciśnieniem zbliżonym do atmosferycznego TEA (ang. transversely excited atmospheric). 60 Lasery typu (a) składają się z kolumny wyładowawczej wypełnionej gazem czynnym i wyposażonej w elektrody, do których podłączono źródło prądu. Aby regenerować CO2 rozkładany na CO i O2 w wyniku wyładowania, do gazu czynnego dodaje się zazwyczaj wodór lub wodę. Rolę tę może także pełnić niklowa katoda, która katalizuje reakcję rekombinacji. Kolumna wyładowawcza może pracować tysiące godzin, zanim degradacja CO2 spowoduje konieczność wymiany. Typowe moce laserów typu (a) wahają się w granicach 25 - 100 W. Lasery typu (b) mają formę falowodu. Zamknięta próżniowo kolumna wyładowawcza jest uformowana w postaci falowodu o wymiarach wewnętrznych rzędu kilku milimetrów. Pozostałe elementy, tzn. obwód zasilający (RF) i elektrody, są takie same jak w laserach typu (a). Typowa moc lasera falowodowego wynosi do 50 W. Wiązka laserowa jest dobrej jakości, co przy stosunkowo niewielkich rozmiarach lasera, podobnych do rozmiarów lasera helowoneonowego, ale dużo większych mocach, czyni z niego model konkurencyjny w stosunku do innych typów laserów. W laserach typu (c) przepływ odbywa się osiowo. Materiał czynny jest wymieniany w sposób ciągły, co zwiększa znacznie moc wyjściową lasera do wartości 800 W na metr rury wyładowawczej przy szybkim przepływie gazu. Ponieważ moc wyjściowa lasera CO2 zależy od długości rury wyładowawczej, można ją zwiększyć znacznie przez równoległe ustawienie kilku rur wyładowczych (rys. 5.6). Całkowita moc laserów szybko przepływowych wynosi od 500 W do 5 kW. Lasery typu (d) przedstawione na rys. 5.5d z przepływem poprzecznym osiągają jeszcze większą moc (do 50 kW). W laserach typu (e) - TEA panują ciśnienia zbliżone do ciśnienia atmosferycznego i dlatego nazywają się one laserami atmosferycznymi. Lasery TEA emitują impulsy o czasie trwania od nanosekund do mikrosekund i mocach z zakresu 1 - 100 W. Materiały optyczne używane w laserach emitujących promieniowanie z zakresu podczerwieni są inne niż w laserach emitujących światło z zakresu widzialnego. Materiały takie, jak czysty german (Ge) czy arsenek galu (GaAs), są zupełnie nieprzezroczyste w zakresie widzialnym (VIS), zaś przezroczyste w zakresie podczerwieni (IR). Niekiedy potrzebne są materiały przezroczyste zarówno w zakresie widmowym IR oraz VIS. Należy do nich selenek cynku (ZnSe). Typowymi materiałami przezroczystmi w zakresie IR są: NaCl, CsI lub toksyczne związki talu (KRS – 5). W laserach z zakresu podczerwieni stosuje się zwierciadła metalowe (miedź, molibden) ze względu na mały współczynnik absorpcji (czyli duży współczynnik odbicia) oraz dużą pojemność cieplną umożliwiającą odprowadzanie ciepła z lasera. Zastosowania laserów CO2 są bardzo szerokie. Należą one do najlepiej sprzedających się laserów i zajmują pierwsze miejsce w rankingu sum uzyskanych ze sprzedaży. Wojsko dostrzegło duże moce laserów CO2 jako potencjalnej broni rażenia, choć w ostatnich latach zainteresowanie tymi laserami zmalało nieco ze 61 względu na duże, nieporęczne źródło pompowania. Ponadto lasery CO2 znalazły zastosowanie jako lidary (radary laserowe). Innym obszarem zastosowań laserów CO2 jest obróbka materiałowa. Lasery CO2 o mocy około 50 W pracy ciągłej służą do cięcia plastiku, gumy, ceramiki. Laser CO2 jest wykorzystywany również do cięcia metali. Dla cięcia metali potrzebna jest moc większa niż 50 W, większość metali bowiem wykazuje niewielką absorpcję promieniowania o długości fali 10 µ m. Laser CO2 jest szczególnie użyteczny do cięcia tytanu, ponieważ w przeciwieństwie do większości metali silnie absorbuje promieniowanie o długości fali 10 µm. Laser CO2 jest wykorzystywany do wytrawiania termicznego w celu uzyskania krystalicznej struktury powierzchni metalu, która zwiększa znacznie trwałość materiału. Medyczna użyteczność laserów CO2 to głównie zastosowania chirurgiczne. Służą one do zamykania naczyń krwionośnych, co jest niezwykle istotne w operacjach na silnie ukrwionej tkance. Lasery CO2 (TEA i lasery typu (a)), a szczególnie generowana przez nie linia o długości fali 10 µm, są używane w badaniach spektroskopowych indukowanych laserowo reakcji fotochemicznych oraz do optycznego pompowania laserów emitujących promieniowanie w wyniku przejść rotacyjnych. Laser CO został skonstruowany wkrótce po laserze CO2. Podobnie jak laser CO2 jest on pompowany przez wyładowanie elektryczne, a jego moc wyjściowa jest duża. Laser CO emituje promieniowanie o długości fali z zakresu 5 - 6,5 µm. Produkowany jest zarówno w wersji z zatopioną próżniowo rurą wyładowczą i jako laser przepływowy. Należy zwrócić uwagę, że laser przepływowy jest niebezpieczny, bo CO jest bezzapachowy, a 50 ppm jego zawartości w atmosferze jest już niebezpieczne dla zdrowia, natomiast wyższe dawki są śmiertelne. Wersja z zatopioną rurą wyładowczą nie jest niebezpieczna, zawartość CO bowiem jest w tym typie konstrukcji lasera niewielka i nawet gdy rura zostaje uszkodzona, przeciek do atmosfery nie powoduje zagrożeń dla zdrowia. 62 Rys. 5.5. Typy laserów CO 2 63 Rys. 5.6. Lasery CO2 z przepływem osiowym Duża moc powoduje, że lasery CO znajdują zastosowanie w stomatologii i ginekologii. Ponadto rozwój technologii giętkich światłowodów, które charakteryzują się wysoką transmisją światła generowanego przez laser CO, stał się stymulatorem dalszego zainteresowania medycyny i przemysłu. W latach sześćdziesiątych wojsko było zainteresowane laserami CO ze względu na ich dużą moc, ale duża absorpcja światła w zakresie 5 - 6,5 µm przez atmosferę spowodowała, że zaniechano tych badań. 5.3. Lasery chemiczne Lasery chemiczne emitują promieniowanie o długości fali z zakresu dalekiej podczerwieni i podczerwieni (1,3 - 11 µm). Lasery chemiczne dostępne na rynku to przede wszystkim lasery HF i DF, które dostarczają promieniowania o mocy do kilkuset watów. Istnieje wiele innych laserów chemicznych, emitujących promieniowanie również z zakresu widzialnego, ale jak dotąd, były one demonstrowane tylko przez laboratoria badawcze. Dotychczas poznaliśmy lasery pompowane optycznie (lasery emitujące promieniowanie w wyniku przejść rotacyjnych oraz omówiony wcześniej laser rubinowy) i elektrycznie (lasery emitujące promieniowanie w wyniku przejść wibracyjnych). Lasery chemiczne wykorzystują jeszcze inny typ pompowania - energię, która wyzwala się w czasie reakcji chemicznej. W tabeli 5.1 podaliśmy najbardziej typowe reakcje chemiczne wykorzystane w laserach chemicznych. Lasery chemiczne znacznie redukują zapotrzebowanie na pompowanie energią elektryczną. To właśnie jest przyczyną, obok ogromnych mocy, dużego zainteresowania wojska bronią wykorzystującą tego rodzaju lasery. W laserach chemicznych najczęściej wykorzystuje się reakcje, które prowadzą do powstania wzbudzonych cząsteczek HF* i DF* (tab. 5.1). Akcja laserowa zachodzi pomiędzy poziomami wibracyjnymi cząsteczek HF lub DF. Stosuje się również mieszaniny izotopowe, aby zmienić długość fali 64 promieniowania laserów HF, które emitują promieniowanie w zakresie 2,6 - 3,3 µ m, a więc w obszarze silnej absorpcji w atmosferze. Podstawienie izotopowe wodoru prowadzi do emisji promieniowania o długościach fali przesuniętych do obszaru 3,5 - 4,2 µm, dla którego atmosfera jest bardziej przezroczysta. Jest to bardzo istotne w laserach militarnych stosowanych jako broń dalekiego rażenia, w których wiązka laserowa pokonuje dużą odległość. W dostępnych na rynku laserach HF/DF fluorowodór produkowany jest w elektrycznej kolumnie wyładowawczej w reakcji dysocjacji sześciofluorku siarki SF6. Kolumna wypełniona jest dodatkowo tlenem, który reaguje z siarką. Do kolumny wstrzykiwany jest wodór, który reaguje z fluorem, wytwarzając wzbudzone wibracyjnie cząsteczki fluorowodoru HF*. Tabela 5.1 Typowe lasery chemiczne Laser Reakcja Długość fali promieniowania [µm] CO2 DF* + CO 2 → CO 2 + DF 10,0 - 11,0 CO CS + O → CO* + S 4,9 - 5,8 HBr H + Br2 → HBr * + Br 4,0 - 4,7 DF F + D 2 → DF* + D 3,5 - 4,2 HCl H + Cl 2 → HCl* + Cl 3,5 - 4,1 HF F + H 2 → HF* + H 2,6 - 3,3 I O*2 + I 2 → O 2 + 2I* 1,3 Wzbudzone cząsteczki fluorowodoru przepływają szybko przez wnękę rezonatora prostopadle do jego osi (rys. 5.7). 65 Rys. 5.7. Schemat lasera chemicznego W laserach militarnych przepływ gazu odbywa się z prędkością ponaddźwiękową, w laserach dostępnych na rynku z prędkością mniejszą od prędkości dźwięku. Zużyty gaz jest usuwany za pomocą pompy. Sposób zaprojektowania dyszy regulującej przepływ gazu jest bardzo ważny dla laserów pracujących w reżimie ciągłym, ale mniej ważny dla laserów impulsowych. Innym znanym laserem chemicznym jest laser wykorzystujący reakcję O*2 + I 2 → O 2 + 2I* . Emituje on najkrótsze wśród laserów chemicznych promieniowanie o długości fali 1,3 µm i znany jest pod nazwą COIL. Chemiczne lasery emitujące promieniowanie z obszaru widzialnego, choć z oczywistych względów będące w sferze zainteresowania technologii wojskowych, pozostają jeszcze na etapie prób laboratoryjnych. Nie ma chyba innej grupy laserów, którymi zainteresowanie zdominowane byłoby prawie całkowicie przez zastosowania militarne. W latach siedemdziesiątych marynarka wojenna Stanów Zjednoczonych zaangażowała się w program badania laserów chemicznych do obrony statków przed atakiem pocisków taktycznych. Program został ukoronowany budową ogromnego 2 MW lasera MIRACL. W latach osiemdziesiątych program wojen gwiezdnych przeniósł strategiczną obronę do przestrzeni kosmicznej i zainwestowano duże środki finansowe w rozwój laserów HF. W latach dziewięćdziesiątych uwaga sił powietrznych Stanów Zjednoczonych skoncentrowała się na laserach typu COIL. 5.4. Lasery na ciele stałym Omówimy teraz grupę laserów, w których ośrodkiem czynnym jest ciało stałe. Należy wyróżnić dwie grupy laserów na ciele stałym: nieprzestrajalne i przestrajalne. Lasery należące do obu grup są laserami czteropoziomowymi. 5.4.1. Laser neodymowy i inne lasery ziem rzadkich 66 W tym podrozdziale omówimy grupę nieprzestrajalnych laserów na ciele stałym. Ośrodkiem czynnym wielu laserów na ciele stałym są pierwiastki ziem rzadkich, należące do grupy lantanowców. Najczęściej wykorzystywane pierwiastki ziem rzadkich to neodym, holm, erb i tul. Szkło optyczne i większość kryształów nie wykazują absorpcji w zakresie widzialnym bądź dalekiej podczerwieni. Kiedy jednak zostaną domieszkowane pierwiastkami ziem rzadkich, zaczynają wykazywać silną absorpcję i fluorescencję. Poziomy energetyczne jonów pierwiastków ziem rzadkich tworzą czteropoziomowy układ kwantowy, który jest bardzo korzystny z punktu widzenia utrzymania inwersji obsadzeń (rys. 5.8). Struktura elektronowa neodymu jest następująca: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 4f4 5s2 5p6 5d0 5f0 6s2, a jonu Nd+3: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 4f3 5s2 5p6. Poziomem podstawowym E0 (rys. 5.8) jonu Nd+3 jest stan 4f, 3 który zawiera 3 elektrony (całkowity spin S = , całkowity moment orbitalny L = 2 6). Powłoka 4f jest ekranowana przez zewnętrzne powłoki 5s oraz 5p i dlatego struktura poziomów energetycznych powłoki 4f zależy nieznacznie od rodzaju matrycy. Rzeczywiście, jon neodymu można umieszczać w kryształach, szkle, cieczach. Najczęściej stosowaną matrycą, w którą zostaje wbudowany jon neodymu Nd+3 jest granat itrowo - glinowy [Y3Al2(AlO4)3] lub szkło krzemowe. Lasery wykorzystujące pierwszą z wymienionych matryc określa się mianem Nd:YAG (skrót od ang. yttrium aluminium garnet), drugą zaś - Nd:szkło. Wszystkie przejścia elektronowe w laserze neodymowym (rys. 5.8) (i wielu innych laserach ziem rzadkich) zachodzą w obrębie powłoki 4f. Dla powłoki 4f sprzężenie spin orbital jest bardzo silne, co powoduje, że kwantowaniu ulega całkowity moment pędu J = L + S, a nie jego składowe L i S. Oddziaływanie z polem krystalicznym otaczającym jon Nd+3 (choć ograniczone przez ekranowanie) usuwa degenerację poziomów, rozszczepiając je na 2J+1 poziomów. Laser neodymowy pompowany jest optycznie za pomocą lampy błyskowej lub diody luminescencyjnej ze stanu podstawowego E0 do stanu wzbudzonego E4, na którym czas życia cząsteczek jest krótki. W wyniku przejść bezpromienistych następuje przejście do stanu metastabilnego E3, gdzie cząsteczki przebywają około 100 µs. Inwersja obsadzeń dokonuje się między stanami E3 i E2. Między tymi stanami zachodzi akcja laserowa, powodując emisję promieniowania z zakresu bliskiej podczerwieni o długości fali 1,064 µm. Laser neodymowy może pracować w reżimie pracy ciągłej i impulsowej. Należy do grupy laserów nieprzestrajalnych. Schemat głowicy lasera przedstawiono na rys. 5.9. 67 Rys. 5.8. Przejścia kwantowe w laserze neodymowym Zastosowania lasera neodymowego są bardzo szerokie. Jest powszechnie stosowany w badaniach spektroskopowych. Jego duża moc powoduje, że jest doskonałym źródłem światła ciągłego i impulsowego. Najkrótsze impulsy lasera neodymowego, które można otrzymać w reżimie synchronizacji modów trwają dziesiątki pikosekund. Laser neodymowy stosowany jest do pompowania innych laserów (np. laserów barwnikowych). Laser neodymowy jest wykorzystywany w wojsku i medycynie. Zakres jego stosowalności w medycynie jest ograniczony przez niewielką absorpcję wody w tym zakresie widmowym, główny składnik tkanki ludzkiej. Rys. 5.9. Schematyczny przekrój typowej głowicy lasera Nd: YAG Schematyczny wykres zależności absorpcji w wodzie od długości fali promieniowania przedstawia rys. 5.10, przy czym absorpcja w wodzie jest tu określona za pomocą długości drogi optycznej, jaką przechodzi promieniowanie o określonej długości fali, zanim zostanie całkowicie zaabsorbowane. Im mniejsza długość drogi optycznej, tym większy współczynnik absorpcji. 68 Rys. 5.10. Schematyczny wykres długości drogi absorpcji w wodzie w zależności od długości fali promieniowania Pochłanianie promieniowania o długości fali 1 µm (a więc dla lasera Nd:YAG) przez wodę jest niewielkie, co powoduje, że wiązka lasera wnika głębiej do tkanki niż np. promieniowanie o długości fali 2 - 3 µm lub 10 µm. Z tych powodów laser Nd:YAG jest wybierany do takich medycznych zastosowań, które wymagają głębokiej penetracji. Służy np. do przecinania stosunkowo twardej tkanki w operacjach na tkance naczyniowej lub usuwania owłosienia. Zaletą laserów Nd:YAG jest fakt, że wiązka laserowa może być prowadzona przez światłowody. Ze względu na głęboką penetrację światła o długości fali 1 µm w tkance, promieniowanie tych laserów jest szkodliwe dla oczu. Ogranicza to ich zastosowanie w lidarach, choć słaba absorpcja w atmosferze, ułatwiałaby transmisję światła na duże odległości. Ze względu na te ograniczenia praktyczne dla promieniowania o długości fali 1 µm, poszukiwano ośrodków czynnych generujących promieniowanie o długości fali z zakresu 2 - 3 µm, któremu odpowiada duża absorpcja wody. Promieniowanie takie nie jest szkodliwe dla oczu, a silna absorpcja uniemożliwiająca głęboką penetrację często rozszerza gamę medycznych zastosowań. Lasery emitujące promieniowanie o długości fali z zakresu 2 – 3 mm wykorzystywane są do pomiarów atmosfery. Najczęściej stosowanymi laserami wysyłającymi promieniowanie o długości fali 2 - 3 µm są lasery holmowe (Ho:YAG), tulowe (Tm:YAG) i erbowe (Er:YAG, Er:szkło). Wszystkie pierwiastki wykorzystane w tych laserach, podobnie jak neodym, należą do grupy ziem rzadkich, a ich stopień jonizacji wynosi +3. Mechanizm akcji laserowej w laserach ziem rzadkich jest taki sam jak opisany wcześniej dla lasera neodymowego (rys. 5.8). Lasery te pompowane są optycznie lampami błyskowymi lub diodami laserowymi. Lasery holmowe wykorzystywane są w endoskopii, w operacjach stawów, kręgosłupa, usuwania hemoroidów i polipów odbytu. Promieniowanie emitowane przez lasery erbowe penetruje jeszcze słabiej niż 69 promieniowanie emitowane przez lasery holmowe, ale ze względu na większy współczynnik absorpcji wykorzystywane jest do przecinania kości i wiercenia w zabiegach stomatologicznych. Radary laserowe (lidary) emitujące promieniowanie o długości fali 2 µm używane są do obserwacji rozpraszania na aerozolach zawieszonych w atmosferze oraz w lotnictwie, do rejestracji wirów i prądów powietrznych w okolicach wieży kontrolnej. Mogą również stanowić wyposażenie samolotów, aby informować pilota o zmianie kierunku wiatru. 5.4.2. Lasery przestrajalne na ciele stałym (lasery wibronowe) Lasery na ciele stałym omówione w poprzednim podrozdziale należą do grupy laserów nieprzestrajalnych, tzn. emitują promieniowanie tylko o określonej długości fali. Istnieje jednak grupa laserów przestrajalnych, które mogą emitować promieniowanie w szerokim zakresie widmowym i przestrajanie lasera z jednej długości fali na inną jest prostą operacją. Lasery te noszą nazwę laserów wibronowych. Nazwa pochodzi stąd, że znaczne poszerzenie linii fluorescencyjnej powodujące przestrajalność lasera jest wynika silnego sprzężenia między elektronami i drganiami wibronowymi sieci krystalicznej, która otacza domieszkowany jon. Na rysunku 5.11 przedstawiono różnice między przejściami kwantowymi dla laserów nieprzestrajalnych i przestrajalnych. W laserach nieprzestrajalnych przejście laserowe zachodzi między poziomami oznaczonymi symbolicznie E1 i E2. Poziom E2 nie jest poziomem wibronowym. W laserach przestrajalnych przejścia laserowe zachodzą między szerokim pasmem wibronowym (T) i stanami energetycznymi poziomu E1, który jest również szerokim pasmem wibronowym. Szerokie linie emisji spontanicznej, będące rezultatem sprzężenia wibronowego, powodują nie tylko szeroką przestrajalność widmową, ale umożliwiają również generowanie bardzo krótkich impulsów (nawet rzędu femtosekund) dla laserów pracujących w reżimie synchronizacji modów. Mechanizm poszerzenia linii emisji spontanicznej w laserach wibronowych jest podobny do tego, który powoduje poszerzenie linii widmowej w laserach barwnikowych. Lasery barwnikowe są przestrajalne w zakresie widzialnym, typowym zaś zakresem widmowym dla laserów przestrajalnych na ciele stałym jest zakres bliskiej podczerwieni (700 - 800 nm). Najpopularniejszym obecnie laserem przestrajalnym na ciele stałym jest laser tytanowo-szfirowy (Ti+3:Al2O3), którego obszar widmowy strojenia rozciąga się w zakresie 690 - 1080 nm. 70 Rys. 5.11. Schemat poziomów elektronowych w laserach nieprzestrajalnych i przestrajalnych Aby osiągnąć przestrajalność lasera tytanowo-szafirowego w tak szerokim zakresie, należy dodatkowo wymieniać niektóre elementy optyczne ze względu na odmienną optykę w różnych zakresach widmowych, podobnie jak w laserach barwnikowych trzeba zmieniać barwnik. Wszystkie lasery przestrajalne na ciele stałym są czteropoziomowe (rys. 5.12), podobnie jak lasery nieprzestrajalne omówione w poprzednim podrozdziale 5.4.1. Rys. 5.12. Schemat przejść kwantowych w laserach przestrajalnych na ciele stałym 71 Światło wiązki pompującej (1) przenosi układ ze stanu elektronowego E1 i podstawowego poziomu wibracyjnego υ = 0 do wzbudzonego stanu elektronowego T i wzbudzonych poziomów wibracyjnych. Wzbudzony układ oddaje po pewnym czasie energię w sposób bezpromienisty (2) przenosząc się do podstawowego stanu wibracyjnego υ = 0, pozostając nadal we wzbudzonym stanie elektronowym T. W trzecim etapie następuje promienista emisja (akcja laserowa) (3) między stanem (T; υ = 0) i stanem (E1; υ > 0). Stan (E1; υ > 0) zostaje szybko opróżniony, a cząsteczki przenoszą się do stanu podstawowego (E1; υ = 0) w wyniku przejść bezpromienistych (4). Pompowanie optyczne laserów przestrajalnych na ciele stałym odbywa się za pomocą: a) laserów impulsowych ze zmianą dobroci Q, b) laserów o pracy ciągłej (ang. cw - continuous wave), c) impulsowych lamp błyskowych. Wiadomo, że dla przypadku gdy poziomy elektronowe są silnie sprzężone z wibracjami, maksimum pasma fluorescencji nie pokrywa się z maksimum absorpcji. I tak na przykład w laserze tytanowo-szafirowym maksimum fluorescencji występuje dla 780 nm, a maksimum absorpcji - dla około 500 nm. Oznacza to, że laser tytanowo-szafirowy może być pompowany laserem argonowym (514 nm) lub laserem Nd:YAG za pomocą drugiej harmonicznej promieniowania (1/2 . 1064 nm = 532 nm). Ponieważ szerokość pasma fluorescencyjnego jest wyjątkowo duża, lasery tytanowo-szafirowe pracujące w reżimie synchronizacji modów mogą generować bardzo krótkie impulsy femtosekundowe. Dostępne na rynku lasery generują impulsy o długości około 40 80 fs, choć w laboratoriach osiągnięto już impulsy dużo krótsze, rzędu kilku femtosekund. Najkrótszy impuls wygenerowany w laboratoriach wynosi 5 fs (do roku 1997). Inne lasery przestrajalne na ciele stałym przedstawiono w tabeli 5.2. Tabela 5.2. Lasery przestrajalne na ciele stałym Ośrodek czynny Sposób emisji Zakres widmowy [nm] Aleksandryt ciągły 730 - 810 Ce:YLF impulsowy 309 - 325 Co:MgF2 impulsowy 1750 - 2500 Cr:LiSrAlF6 ciągły, impulsowy 760 - 920 Ti:szafir ciągły, impulsowy 660 - 1180 72 Lasery przestrajalne na ciele stałym znajdują zastosowanie głównie w podstawowych badaniach spektroskopowych i fizyce ultraszybkich procesów. Od niedawna lasery te mają jednak coraz więcej zastosowań praktycznych. Przydatność laserów tytanowo-szafirowych jest obecnie testowana w radarach laserowych i badaniu atmosfery. Możliwość dostrojenia lasera do ściśle określonej długości fali ułatwi identyfikację gazów w atmosferze. Niektóre lasery przestrajalne na ciele stałym (na aleksandrycie) mają zastosowanie w medycynie do rozbijania kamieni nerkowych i są testowane w dermatologii. 5.5. Lasery gazowe z zakresu widzialnego 5.5.1. Laser helowo-neonowy Laser helowo-neonowy może emitować wiele linii z zakresu widzialnego i podczerwieni, ale w laserach dostępnych na rynku najczęściej wykorzystywana jest linia czerwona 632,8 nm o mocy kilku miliwatów. Diody laserowe, o których powiemy później, emitują linie 650 i 680 nm o mocy kilku mW przy dużo mniejszych rozmiarach lasera. Stały się więc poważnymi konkurentami dla laserów helowo-neonowych. W dalszym ciągu używa się jednak laserów helowoneonowych w diagnostyce medycznej, holografii, w supermarketach do sprawdzania kodów na stanowiskach stałych, ze względu na lepszą niż w laserach diodowych spójność i jakość wiązki. Jednak diody laserowe, ze względu na małe rozmiary, wyparły lasery helowo-neonowe służąc jako przenośne skanery kodów kreskowych w sklepach. Ośrodkiem czynnym lasera helowo-neonowego jest mieszanina gazowa helu i neonu. Pompowanie lasera odbywa się przez wyładowanie elektryczne pod napięciem około 10 kV w rurze wyładowczej o rozmiarach od 10 cm do 2 m zawierającej gaz pod ciśnieniem kilku torów. Atomy helu pochłaniają więcej energii niż atomy neonu i w pierwszym etapie to one zostają wzbudzone do wyższych poziomów elektronowych. W drugim etapie atomu helu przekazują energię atomom neonu, których stany wzbudzone mają energię zbliżoną do atomów helu. Następnie, atomy neonu przenoszą się ze stanów wzbudzonych do stanów metastabilnych, skąd następuje emisja odpowiadająca przejściu laserowemu. Najczęściej wykorzystywane przejścia lasera helowoneonowego odpowiadają zakresowi widzialnemu, w szczególności linii czerwonej o długości fali 632,8 nm. Przejścia w podczerwieni dla długości fali 1523,5 nm i 3392 nm są rzadziej wykorzystywane w masowej produkcji ze względu na wyższe ceny spowodowane specjalną optyką dla podczerwieni. Mają one jednak kilka specyficznych zastosowań. Na przykład linia 1523,5 nm jest z powodzeniem wykorzystywana do testowania światłowodów krzemowo-szklanych ze względu na minimalne straty w tym obszarze widmowym. Wymieniliśmy już niektóre zastosowania laserów helowo-neonowych. Inne ich zastosowania to budownictwo, w którym służą do wyznaczania linii prostych wiązką lasera przy ustawianiu konstrukcji, budowie tuneli, montażu rur kanalizacyjnych itd. Wykorzystywane są 73 również do wyznaczania promieniowaniem X itd. pozycji pacjenta poddanego naświetlaniu 5.5.2. Jonowe lasery gazowe. Laser argonowy i kryptonowy Akcja laserowa w jonowych laserach gazowych pracujących w zakresie widzialnym (i częściowo UV) zachodzi między poziomami elektronowymi, podobnie jak w laserach gazowych. Różnica między tymi dwoma grupami laserów polega na tym, że w pierwszym przypadku wyładowania elektryczne w rurze wyładowczej lasera powodują najpierw jonizację gazu, a następnie pompowanie zjonizowanych atomów do wzbudzonych stanów elektronowych. Najczęściej używanym laserem jonowym jest laser argonowy, który emituje promieniowanie ciągłe o mocach z zakresu od kilku miliwatów do kilkudziesięciu watów w zakresie widzialnym i kilku watów w zakresie UV. Głównymi liniami emisji lasera argonowego jest linia zielona odpowiadająca długości fali 514 nm i linia niebieska odpowiadająca długości fali 488 nm. Najsilniejszą linią lasera kryptonowego jest linia 647,1 nm. Ośrodkiem czynnym lasera argonowego jest gazowy argon, w którym zachodzi wyładowanie elektryczne. Elektrony, które powstają w wyniku wyładowania, jonizują atomy, a następnie pompują je do wyższych stanów wzbudzonych. Schematycznie proces ten został przedstawiony na rys. 1.9. Na rysunku tym zaznaczyliśmy schematycznie przejścia 4p → 4s pojedynczą linią, choć w rzeczywistości jest ich 9. Przedstawiono je na rysunku 5.13. Rura wyładowcza lasera argonowego poddana jest w czasie pracy ekstremalnym warunkom. Duże gęstości przepływającego prądu powodują degradację materiałów, z których zbudowana jest wnęka rezonansowa oraz powierzchnia rury. Silny przepływ elektronów powoduje jonizację i pompowanie do poziomów wzbudzonych. Proces ten jest jednak nieefektywny i generuje duże ilości ciepła, które musi być usunięte z układu. Promieniowanie UV, które powstaje w wyniku przejść laserowych dla dwukrotnie zjonizowanych atomów powoduje degradację elementów optycznych układu, tzn. zwierciadeł i pryzmatu. Potrzebne są więc rozwiązania techniczne, które zagwarantują nie tylko dobre parametry wyjściowe emitowanego promieniowania, ale również łatwość i bezpieczeństwo obsługi, stabilność pracy lasera i trwałość zarówno rury wyładowczej jak i elementów optycznych. Rura wyładowawcza ma najczęściej konstrukcję metalowo-ceramiczną. Okrężny przepływ wody wokół rury zapewnia odpowiednie odprowadzanie ciepła, zapobiegając powstawaniu zbyt dużych gradientów temperatury, które mają wpływ na trwałość rury wyładowawczej. Osłonę rury wyładowawczej oraz zewnętrzny płaszcz układu chłodzącego stanowi mosiężny cylinder zapewniający dobre przewodnictwo przy odprowadzaniu ciepła z lasera oraz sztywność konstrukcji. Rura wyładowawcza jest zabezpieczona przed niepożądanymi wstrząsami i wibracjami. Akcja laserowa ograniczona jest do objętości wyznaczonej przez średnice wolframowych dysków umieszczonych wewnątrz rury wyładowawczej. Wolfram, ze względu na wysoką temperaturę topnienia, jest niezwykle odporny na erozję wywołaną wysokim natężeniem prądu. 74 Utrzymanie właściwego kształtu pierścieni wolframowych gwarantuje odpowiednią jakość i moc wiązki laserowej. Pierścienie wolframowe zawierające szereg otworków ułatwiających przepływ gazu oraz wyrównywanie ciśnienia w całej rurze są połączone z zewnętrznym płaszczem ceramicznym za pomocą miedzianych prętów, które odprowadzają ciepło do ceramicznego płaszcza. Rura wyładowawcza umieszczona jest w polu magnetycznym prostopadłym do osi rezonatora. Powoduje to powstanie siły Lorentza F = e v × H , skierowanej w kierunku osi rezonatora, działającej na elektrony poruszające się wzdłuż osi. W konsekwencji liczba elektronów w obszarze akcji laserowej się zwiększa, powodując większą efektywność pracy lasera. Rys. 5.13. Schemat poziomów energetycznych i przejść kwantowych w laserze argonowym Zwierciadła wyjściowe i całkowicie odbijające wykonane są ze stopionego krzemu lub krystalicznego kwarcu, który jest bardziej odporny na promieniowanie UV. Sposób zamocowania zwierciadeł bezpośrednio na rurze wyładowawczej i specjalny materiał łączący je rurą wyeliminował zanieczyszczenia w czasie pracy nowoczesnych laserów argonowych, przedłużając znacznie ich trwałość w porównaniu z wcześniejszymi modelami. Średni czas pracy rury laserowej wynosi około 2000–10 000 godzin. Wnętrze rezonatora optycznego wypełnione jest argonem, którego ciśnienie jest kontrolowane. Ewentualny ubytek gazu jest uzupełniany ze specjalnego rezerwuaru argonu umieszczonego obok rury wyładowczej. Lasery argonowe są powszechnie używane w laboratoriach naukowych jako źródła światła w 75 spektrometrach Ramana oraz do pompowania laserów barwnikowych i tytanowoszafirowych. Lasery argonowe znajdują szerokie zastosowanie w zapisywaniu danych na dyskach-matkach przeznaczonych do replikacji dysków wideo i dysków kompaktowych CD-ROM. Są również stosowane w chemicznej analizie sądowniczej, promieniowanie lasera argonowego bowiem wywołuje fluorescencję tłuszczów znalezionych w odciskach ludzkich palców. Wywoływanie fluorescencji za pomocą lasera argonowego znajduje zastosowanie w biomedycynie do badania struktury komórki i DNA. Wstrzyknięcie barwników fluorescencyjnych powoduje ich akumulację na antyciałach, a oświetlenie ich laserem argonowym powoduje fluorescencję. Pozwala to obserwować fluoryzujące struktury na tle ciemnego tła pozostałej części komórki. Lasery jonowe używane są również w mikroskopach konfokalnych, co powoduje lepszą rozdzielczość optyczną w porównaniu z konwencjonalnymi mikroskopami. 5.6. Lasery barwnikowe Lasery barwnikowe należą do laserów cieczowych, gdyż ośrodkiem, w którym zachodzi akcja laserowa, są cząsteczki barwników organicznych rozpuszczonych w ciekłych roztworach. Ponieważ barwniki charakteryzują się silnymi szerokopasmowymi widmami fluorescencji, więc w rezonatorze optycznym generowanych jest wiele modów podłużnych. Oznacza to, że lasery barwnikowe mogą być przestrajalne w szerokim zakresie widmowym. Ponadto, jak pokazaliśmy to w rozdziale poświęconym synchronizacji modów i generowaniu krótkich impulsów, oznacza to również, że w laserach barwnikowych można generować bardzo krótkie impulsy (pikosekundowe i femtosekundowe). Laser barwnikowy jest laserem czteropoziomowym (rys. 5.14), a przejścia zachodzą między poziomami elektronowymi, na których elektrony są sprzężone z wibracjami. To właśnie sprzężenie wibronowe (podobnie jak w laserach przestrajalnych na ciele stałym) powoduje, że linie absorpcji i fluorescencji są bardzo szerokie. Sprzężenie wibronowe powoduje często jednorodne poszerzenie pasma fluorescencji, co pozwala wszystkim wzbudzonym cząsteczkom uczestniczyć we wzmacnianiu światła o jednej częstości. Jednorodne poszerzenie powoduje, że moc wyjściowa lasera barwnikowego w pracy jednomodowej jest podobna do mocy laserów w pracy wielomodowej. Na całkowite straty lasera barwnikowego, oprócz strat w rezonatorze optycznym (transmisja zwierciadeł, absorpcja elementów optycznych), wpływają straty absorpcyjne w ośrodku czynnym barwnika. Straty w barwniku wynikają z przejść interkombinacyjnych S1 → T1 do stanów trypletowych. Prowadzą one do zmniejszenia liczby obsadzeń poziomu S1 oraz absorpcji T1 → Tm, gdyż widmo absorpcji stanów trypletowych pokrywa się z widmem fluorescencji S1 → S0. Aby uniknąć strat spowodowanych obsadzaniem stanów trypletowych, należy przyspieszyć relaksację stanów trypletowych bądź usunąć cząsteczki w stanach trypletowych z obszaru czynnego lasera. W pierwszym przypadku 76 możemy dodać do roztworu barwnika substancje wygaszające stany trypletowe (ang. quencher). W drugim przypadku należy stosować swobodne strumienie o szybkim przepływie barwnika, w którym cząsteczki przebiegają obszar czynny wokół ogniska lasera pompującego w czasie około 10-6 s. Czasy tego rzędu są znacznie krótsze niż czasy życia stanu trypletowego i pozwalają eliminować straty spowodowane obsadzaniem stanów trypletowych. Rys. 5.14. Schemat poziomów energetycznych w laserze barwnikowym W zależności od rodzaju barwnika zakres emisji może zmieniać się od nadfioletu do bliskiej podczerwieni (300 nm - 1,2 µm). Cząsteczki barwnika to duże organiczne cząsteczki, wśród których najczęściej wykorzystywane to: polifenyl, stilben 1, 2, 420, kumaryna 102, 30, 48, rodamina 110, 560, 6G, 590, dwucyjanometylen, styryl 9. Cząsteczki barwnika są wzbudzane optycznie za pomocą lamp błyskowych, lamp łukowych lub laserów impulsowych i ciągłych: neodymowego Nd:YAG (druga harmoniczna), argonowego, ekscimerowego, azotowego. W laserach barwnikowych wyróżnia się dwa sposoby pompowania: poprzeczne (rys. 5.15a) i podłużne (rys. 5.15b). Rys. 5.15. Różne geometrie pompowania laserów barwnikowych 77 Omawiane dotychczas lasery składały się z rezonatora optycznego, w którym generowana była fala stojąca. Poważną wadą tego typu rezonatorów zastosowanych w laserach barwnikowych jest występowanie w nich zjawiska przestrzennego „wypalania dziur”. Zjawisko to utrudnia uzyskanie pracy jednomodowej oraz uniemożliwia wzmocnienie pojedynczego modu poprzez udziały pochodzące od wszystkich wzbudzonych cząsteczek. Aby uniknąć tych niepożądanych efektów, zastosowano tzw. pierścieniową geometrię rezonatora, w którym generowana jest jednokierunkowa fala bieżąca zamiast fali stojącej (rys. 5.16). Pierścieniowa geometria powstaje dzięki wewnętrznym odbiciom w pryzmatach Abbego (A). Wiązka laserowa pada i opuszcza pryzmaty pod kątem Brewstera. Wiązka wyjściowa jest wyprowadzana albo za pomocą płytki światłodzielącej M, albo metodami całkowitego wewnętrznego odbicia. Rys. 5.16. Laser pierścieniowy, IF-P1 i IF-P2 - interferometry Fabry’ego-Perota W celu wyselekcjonowania określonej długość fali przestrajalnego lasera barwnikowego, stosuje się siatki dyfrakcyjne, pryzmaty, filtry interferencyjne, filtry Lyota i interferometry (np. Fabry’ego - Perota). Informację o tych urządzeniach znajdzie czytelnik w książce W. Demtrödera, Spektroskopia laserowa, PWN, Warszawa 1993. Duża wydajność, przestrajalność i wysoka spójność powodowały, że lasery barwnikowe były stosowane powszechnie w badaniach naukowych i medycznych. Obecnie, coraz częściej lasery barwnikowe są zastępowane laserami przestrajalnymi na ciele stałym. 5.7. Lasery gazowe z zakresu nadfioletu 5.7.1. Lasery ekscimerowe 78 Lasery ekscimerowe, obok lasera azotowego, są najpopularniejszymi laserami gazowymi generującymi promieniowanie z zakresu nadfioletu. Lasery ekscimerowe emitują promieniowanie o impulsach trwających od kilku nanosekund do setek nanosekund. Ośrodkiem czynnym jest mieszanina gazów szlachetnych i halogenów, które tworzą krótkożyjące, niestabilne w stanie podstawowym halogenki gazów szlachetnych, np.: ArF, KrF, XeF, XeCl. Ekscimer jest skrótem od angielskiego wyrażenia excited dimer i oznacza dimer RH* w stanie wzbudzonym o energii E1, który nie istnieje w stanie podstawowym o energii E0 (rys. 5.17). Przejścia laserowe zachodzące między stanem wzbudzonym ekscimeru E1 i stanem podstawowym E0, w którym cząsteczka przestaje istnieć, powodują jednocześnie zmniejszanie liczby obsadzeń niższego poziomu, czyli zwiększają inwersję obsadzeń między stanami E1 i E0. Rys. 5.17. Energia podstawowego i wzbudzonego stanu elektronowego ekscimeru Ośrodek czynny składa się w 90 - 99% z gazu obojętnego (hel, neon), który służy do przenoszenia energii. Stężenie gazów szlachetnych, które wchodzą w reakcję z halogenem, wynosi 1 - 9%. Stężenie halogenu jest niewielkie i wynosi 0,1 - 0,2%. Pompowanie lasera, które powoduje powstanie ekscimeru w stanie wzbudzonym, może być realizowane na wiele sposobów: 1) wyładowanie elektryczne w gazie, 2) wzbudzanie wiązką elektronową lub 3) wzbudzenie mikrofalowe. Często dokonuje się wstępnej jonizacji w kolumnie wyładowawczej, aby wygenerować atomowy halogen. Gaz laserów ekscimerowych ulega degradacji w czasie akcji laserowej nawet wtedy, gdy laser nie pracuje. W laserach dostępnych na rynku halogen należy więc uzupełniać okresowo, zazwyczaj po 103 106 impulsach. Należy pamiętać, że lasery ekscimerowe, choć często używane w laboratoriach, przemyśle i medycynie, są niebezpieczne ze względu na toksyczny ośrodek czynny. Należy więc zachować szczególne środki bezpieczeństwa. W 79 początkowej fazie rozwoju laserów ekscimerowych, poważnym problemem była korozja kolumny wyładowczej spowodowana obecnością halogenów. W obecnie produkowanych laserach usunięto ten problem przez stosowanie elektrod z niklu lub bromu oraz odpowiednich warstw ochronnych kolumny z teflonu. Układ optyczny laserów ekscimerowych nie jest zbyt wymagający. Zazwyczaj w większości laserów zwierciadło tylne musi mieć duży współczynnik odbicia światła. W przypadku laserów ekscimerowych wzmocnienie jest tak duże, iż wystarczające jest odbicie 4 - 10% od normalnych powierzchni optycznych bez stosowania dodatkowych pokryć. Stosowanymi zazwyczaj elementami optycznymi dla laserów XeCl są kwarc lub stopiony krzem. W laserach z fluorem stosuje się elementy optyczne wykonane z MgF2, fluor bowiem trawi zarówno kwarc jak i krzem, niszcząc je. Najczęściej stosowane linie emisyjne laserów ekscimerowych to: 193 nm (ArF), 248 nm (KrF), 308 nm (XeCl) i 350 nm (XeF). Moc laserów ekscimerowych wynosi od 1 W do 100 W (dla KrF i XeCl nawet więcej). Największym z opisanych w literaturze laserów ekscimerowych jest Aurora w Los Alamos National Laboratory (5 ns, 5 kJ, KrF), użyty do kontrolowanych laserowo eksperymentów syntezy jądrowej. Lasery ekscimerowe używane są w laboratoriach naukowych do pompowania laserów barwnikowych oraz do generowania wyższych harmonicznych z zakresu ultrafioletu próżniowego. Są ważnym instrumentem do badania stężenia ozonu w górnych warstwach atmosfery i do monitorowania zanieczyszczeń. Lasery ekscimerowe używane są w produkcji półprzewodników, pozwalając miniaturyzować obwody scalone. Służą do rysowania wzorów, kodów handlowych na ceramice, szkle, plastiku i metalu. Większość zastosowań medycznych laserów ekscimerowych znajduje się obecnie na etapie klinicznego testowania lub jest we wczesnych etapach badań. 5.7.2. Laser azotowy Laser azotowy emituje promieniowanie o długości fali 337 nm. Przez wiele lat był wykorzystywany do pompowania laserów barwnikowych oraz miał wiele innych zastosowań. Potem został jednak częściowo wyparty przez lasery ekscimerowe i lasery neodymowe, których trzecia i czwarta harmoniczna pokrywały podobny zakres widmowy. Lasery azotowe są używane w dalszym ciągu w laboratoriach dydaktycznych i w wielu praktycznych zastosowaniach ze względu na niską cenę. Ośrodkiem czynnym w laserach azotowych jest gazowy azot o ciśnieniu w kolumnie wyładowawczej między 2700 Pa i 101 Pa. Laser azotowy generuje impulsy o czasie trwania od 300 ps (dla ciśnienia atmosferycznego) do 10 ns (dla ciśnienia 2700 Pa). Częstość repetycji zmienia się od 1 do 100 Hz. Dla laserów o niskiej częstości repetycji stosuje się izolowane od otoczenia kolumny wyładowawcze, a dla laserów o wysokiej częstości repetycji stosuje się wersję przepływową. Energia impulsu zmienia się od mikrodżuli do 10 milidżuli. 5.8. Lasery diodowe 80 W laserach, które omawialiśmy do tej pory, emisja laserowa była wynikiem promienistego przejścia kwantowego między poziomami elektronowymi, wibracyjnymi bądź rotacyjnymi. Lasery diodowe opierają się na trochę innej zasadzie działania, choć podstawowa idea inwersji obsadzeń poziomów energetycznych jest zachowana. Lasery diodowe wykorzystują zjawiska zachodzące w półprzewodnikach. Zanim omówimy więc lasery diodowe, przypomnijmy kilka podstawowych informacji dotyczących półprzewodników. 5.8.1. Półprzewodniki samoistne. Półprzewodniki domieszkowane. Złącza n-p Każdy materiał ma charakterystyczne dla siebie własności przewodzenia prądu elektrycznego. Biorąc za podstawę sposób przewodzenia prądu, możemy dokonać następującej klasyfikacji materiałów: a) metale, b) półprzewodniki, c) izolatory. Gdy atomy upakowane są gęsto, tak jak w ciele stałym, zamiast dyskretnych poziomów energetycznych obserwujemy poszerzone pasma. Jest jednak zasadnicza różnica w schemacie poziomów energetycznych występujących w metalach, półprzewodnikach i izolatorach (rys. 5.18). Weźmy dla przykładu metal, np. sód (11Na). Jego struktura elektronowa jest następująca: (1s)2 (2s)2 (2p)6 (3s)1. Poziom 3s jest znacznie poszerzony, podobnie jak inne zajęte i nie zajęte poziomy elektronowe. W metalach sąsiednie poziomy nakładają się (rys. 5.18a). Oznacza to, że ostatni zapełniony elektronami poziom energetyczny 3s i pierwszy niezapełniony poziom 3p nakładają się i elektron może znaleźć się bądź na poziomie 3s, bądź 3p. Ten obszar nakładania się poziomów nosi nazwę pasma przewodnictwa, gdyż elektrony 3s i 3p są uwspólnione dla wszystkich atomów i mogą swobodnie wędrować przez ciało stałe. W półprzewodnikach (np. w krzemie 14Si: (1s)2 (2s)2 (2p)6 (3s)4) orbitale zewnętrzne też są poszerzone, ale się nie nakładają (rys. 5.18b). Między pasmem 3s i 3p występuje przerwa energetyczna ∆E. Elektrony 3s znajdują się w paśmie walencyjnym, podczas gdy poziom 3p (pasmo przewodnictwa) pozostaje pusty. Gdy przerwa energetyczna ∆E staje się bardzo duża mamy do czynienia z izolatorem. W izolatorach przerwa ∆E jest rzędu 3 eV, co oznacza, że energia zderzeń oraz inne formy energii termicznej cząsteczek są niewystarczające do przeniesienia elektronu na wyższy poziom. W półprzewodnikach przerwa energetyczna jest dużo mniejsza (1 - 1,5 eV) i w pokojowej temperaturze część cząsteczek ma energię wystarczającą do przeniesienia elektronu do pasma przewodnictwa. Tak więc, aby wydostać się z metalu, elektron musi otrzymać energię równą pracy wyjścia. W półprzewodniku elektron musi najpierw wydostać się z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa, aby następnie po otrzymaniu energii równej pracy wyjścia wydostać się z półprzewodnika. Elektrony w półprzewodnikach nie muszą być jednak uwolnione z półprzewodnika, aby stał się on fotodetektorem. Rzeczywiście, gdy na półprzewodnik pada foton, elektron może otrzymać energię wystarczającą do przeniesienia go z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa (rys. 5.19). 81 Rys. 5.18. Schemat poziomów energetycznych w metalach i półprzewodnikach Rys. 5.19. Schemat fotodetektora 82 Światło przenosi elektrony z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa, zostawiając dziurę (czyli ładunek dodatni) w paśmie walencyjnym. W ten sposób zostają wykreowane dwa typy ładunków: elektrony w paśmie przewodnictwa i dziury w paśmie walencyjnym. Gdy przyłożymy napięcie V0, elektrony zaczną poruszać się w jednym kierunku (przeciwnym do przyłożonego pola), dziury zaś w przeciwnym kierunku (zgodnym z przyłożonym polem). Ruch elektronów wytwarza prąd I, którego natężenie jest proporcjonalne do natężenia fotonów padających na półprzewodnik. Jeżeli w obwodzie umieścimy opór R, prąd ten wygeneruje spadek napięcia U = IR. Tak więc fotony padające na półprzewodnik mogą wywołać przepływ prądu i spowodować fotodetekcję dla znacznie niższych energii fotonów promieniowania, niż możemy uzyskać w fotopowielaczach, gdzie energia padającego fotonu musi być równa co najmniej pracy wyjścia elektronu z katody. Zjawiska zachodzące w półprzewodnikach pozwalają konstruować fotodetektory czułe w zakresie dalekiej podczerwieni i podczerwieni. Na przykład przerwa energetyczna ∆E między pasmem walencyjnym i pasmem przewodnictwa w krzemie wynosi 1,11 eV, co odpowiada długości fali 1,13 µm lub liczbie falowej 1000 cm-1, w germanie - 0,66 eV (∼6000 cm-1), a w GaAs - 1,42 eV. Rekordowo mała przerwa ∆E = 0,17 eV (7,3 µm) dla InSb (antymonek indu) pozwala stosować go jako detektor podczerwieni. Fotodetektor przedstawiony na rys. 5.19 nosi nazwę fotoopornika, wykorzystuje bowiem wzrost przewodności (zmniejszenie oporu ) w półprzewodniku wywołany absorpcją światła. Jeżeli opór półprzewodnika na rys. 5.19 oznaczymy R1, to rysunek ten można zastąpić schematem połączeń detektora fotooporowego przedstawionym na rys. 5.20. Rys. 5.20. Schemat detektora fotooporowego Omówione wyżej półprzewodniki nazywane są samoistnymi, w odróżnieniu od półprzewodników niesamoistnych, które omówimy teraz. Gdy do krzemu 14Si ((1s)2(2s)2(2p)6(3s)4) dodamy fosfor 15P ((1s)2(2s)2(2p)6(3s)5), w którym energia 83 elektronów w stanie 3s (Ed) jest zbliżona do energii elektronów w paśmie przewodnictwa 3p krzemu, wówczas elektron fosforu (donora) łatwo przeskoczy do pasma przewodnictwa krzemu (akceptora) (rys. 5.21b). Półprzewodniki domieszkowane w ten sposób dostarczają więc dodatkowych elektronów i noszą nazwę półprzewodników typu n. Jeżeli, odwrotnie, dodamy atomów glinu 13Al ((1s)2(2s)2(2p)6(3s)3) o energii elektronu na poziomie 3s (Ea) zbliżonej do energii pasma walencyjnego 3s krzemu, to elektron z krzemu przeskoczy na poziom Ea glinu i w paśmie walencyjnym krzemu wykreuje się dziura (rys. 5.21c). Półprzewodniki domieszkowane w ten sposób noszą nazwę półprzewodników typu p. Rys. 5.21. Schemat półprzewodników samoistnych i niesamoistnych: a) półprzewodnik samoistny, b) półprzewodnik niesamoistny typu n, c) półprzewodnik niesamoistny typu p Jeżeli dwa różne półprzewodniki doprowadzimy do bezpośredniego kontaktu, tworząc złącze p - n, to nadmiar dziur z regionu p migruje do regionu n, a nadmiar elektronów porusza się w przeciwnym kierunku. W wyniku tych migracji obszar w bezpośrednim sąsiedztwie złącza zostaje pozbawiony ładunku (rys. 5.22), a po stronie półprzewodnika p powstanie nadmiar ładunku ujemnego oraz nadmiar ładunku dodatniego po stronie półprzewodnika n. Na skutek takiego rozkładu ładunku powstanie różnica potencjałów V0 między obszarem p i obszarem n wywołująca pole elektryczne o natężeniu E skierowane w kierunku półprzewodnika p. Pole to zapobiega dalszemu przemieszczaniu się ładunków między obszarami n i p. Złącze n - p, na które pada światło, nosi nazwę fotodiody. Jeżeli na złącze p - n pada promieniowanie generowane są nowe pary elektron - dziura, które są przemieszczane przez wewnętrzne pole E, dziury poruszają się w kierunku obszaru p, elektrony - w kierunku obszaru n, powodując zmniejszenie bariery potencjału V0. Gdy do złącza p - n dołączymy woltomierz, wskaże on napięcie proporcjonalne do natężenia promieniowania padającego na złącze (rys. 5.23a). Taka fotodioda nosi nazwę detektora fotowoltaicznego. Inną sytuację przedstawia rysunek 5.23b, gdzie obszary p i n zostały połączone zewnętrznym przewodem, w którym popłynie prąd proporcjonalny do natężenia 84 promieniowania padającego na złącze p - n. Taka fotodioda nazywa się detektorem fotoprzewodzącym. Rys. 5.22. Złącze p-n Rys. 5.23. Typy fotodiod: a) detektor fotowoltaiczny, b) detektor fotoprzewodzący Wyżej opisane zjawiska zachodzące na złączu można wzmocnić lub osłabić stosując zewnętrzne źródło prądu elektrycznego. Jeżeli biegun ujemny źródła zostanie dołączony do obszaru n, a dodatni do obszaru p, to mówimy, że złącze p n jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia (ang. forward bias). Oznacza to, że nośniki ładunku, zarówno dziury z obszaru p, jak i elektrony z obszaru n, płyną w kierunku złącza pod wpływem pola zewnętrznego Ezew (rys. 5.24). Pole Ezew jest skierowane przeciwnie do pola wewnętrznego E, które powstało na skutek polaryzacji złącza p - n. Lasery półprzewodnikowe, które omówimy w następnym paragrafie, wykorzystują zjawisko polaryzacji złącza p - n w kierunku 85 przewodzenia. Z kolei, gdy biegun ujemny źródła zostanie dołączony do obszaru p, a dodatni do obszaru n, wówczas mówimy, że złącze p - n jest spolaryzowane zaporowo (ang. rewersed bias). (rys. 5.25). Rys. 5.24. Złącze p-n spolaryzowane w kierunku przewodzenia Rys. 5.25. Złącze p-n spolaryzowane w kierunku zaporowym Na polaryzacji zaporowej złącza opiera się działanie fotodiod woltaicznych i fotoprzewodzących oraz fotodiod lawinowych. 5.8.2. Diody laserowe Najprostsza dioda laserowa jest fotodiodą z polaryzacją złącza p - n w kierunku przewodzenia, omawianą w poprzednim rozdziale. Przykładając do 86 złącza p - n napięcie, które wywoła silny prąd w kierunku przewodzenia, powodujemy przepływ dziur i elektronów w kierunku złącza. Na złączu swobodne elektrony z obszaru n są pułapkowane przez dziury z obszaru p, co prowadzi do rekombinacji i uwolnienia energii. Energia ta może być uwolniona w postaci nieselektywnego ciepła (tak jak w półprzewodnikach krzemowych i germanowych) lub w postaci fotonów o energii równej różnicy ∆E między pasmem walencyjnym i pasmem przewodnictwa. Promienisty sposób oddawania energii obserwuje się w materiałach należących do grupy III - V oraz niektórych materiałach grup II - VI. Należy zdawać sobie sprawę z tego, że omawiana w poprzednim paragrafie fotodioda, choć ilustruje zjawisko, jest tylko uproszonym modelem diody laserowej. Dostępne na rynku diody laserowe wymagają stosowania zaawansowanych technologii, wykorzystujących wyrafinowane metody nakładania kolejnych, często bardzo cienkich (rzędu kilku nanometrów) warstw półprzewodnikowych. Jednak idea pozostaje taka sama jak dla fotodiody z polaryzacją złącza p - n w kierunku przewodzenia. Jeżeli spowodujemy, że światło wyemitowane na złączu p - n zostanie odbite na krawędzi diody i powtórnie zawrócone do półprzewodnika, zostaną wybite dodatkowe elektrony z pasma walencyjnego i przeniesione do pasma przewodnictwa. Wybite elektrony ponownie rokombinują z dziurami w paśmie przewodnictwa pod wpływem przyłożonego prądu (czyli wracają do pasma walencyjnego), wysyłając promieniowanie o energii równej różnicy energii między pasmem walencyjnym i pasmem przewodnictwa ∆E. Schemat diody laserowej przedstawiono na rys. 5.26. + złącze elektroda p n emisja _ elektroda Rys. 5.26. Schemat diody laserowej Rolę zwierciadeł rezonatora optycznego w diodach laserowych pełnią wypolerowane powierzchnie na końcach kryształu. Inwersja obsadzeń zachodzi między pasmem walencyjnym a pasmem przewodnictwa. W warunkach równowagi liczba przejść elektronowych z poziomu walencyjnego na poziom przewodnictwa jest równy liczbie przejść odwrotnych, czyli liczbie aktów rekombinacji elektron - dziura. W warunkach inwersji obsadzeń liczba aktów rekombinacji znacznie przewyższa liczbę aktów generowania par elektron - dziura. W praktyce oznacza to, że dla małych wartości przyłożonego prądu w kierunku przewodzenia układ pracuje jako fotodioda luminescencyjna (LED), a dopiero po przekroczeniu pewnej granicznej wartości prądu, dla której emisja wymuszona 87 przewyższa wewnętrzne straty, urządzenie zaczyna pracować jak laser diodowy (rys. 5.27). Trzeba pamiętać, że choć pierwsze lasery diodowe powstały 30 lat temu, to lasery diodowe emitujące światło widzialne zostały zaprezentowane dopiero w 1987 roku. Pierwsze lasery diodowe emitowały promieniowanie o długości fali 670 nm o mocy kilku miliwatów. Malejąca cena, małe rozmiary i stosunkowo wysoka moc spowodowały, że lasery diodowe zaczęły wypierać gazowe lasery helowo-neonowe. Supermarkety coraz częściej używają laserów diodowych jako skanerów kodów kreskowych. W diagnostyce medycznej coraz częściej zastępuje się linię 630 nm lasera HeNe linią 670 nm lasera diodowego. Zastosowania lasera helowoneonowego zaczynają ograniczać się do holografii i niektórych badań naukowych – tam, gdzie wymagania dotyczące spójności i jakości wiązki są istotne. Lata dziewięćdziesiąte poświęcone były intensywnym badaniom w celu zbudowania i udoskonalenia laserów diodowych emitujących światło niebieskie. Diody laserowe służą do odczytywania informacji zawartej na dyskach CD-ROM, jak również do zapisywania informacji na dyskach magnetooptycznych. Zastosowanie do tych celów diody laserowej emitującej światło niebieskie zwiększy znacznie pojemność dysków ze względu na większą rozdzielczość przestrzenną światła niebieskiego (mniejsza długość fali oznacza mniejszy rozmiar plamki świetlnej padającej na dysk). Powiedzieliśmy wcześniej, że idea działania lasera diodowego to emisja wymuszona na złączu półprzewodnikowym p-n. W rzeczywistości techniki budowania złącza, technologie nakładania warstw mających niekiedy grubość zaledwie kilku nanometrów, są bardzo skomplikowane. Rys. 5.27. Schemat ilustrujący różnicę między diodą luminescencyjną LED a laserem diodowym 88 Tabela 5.3 Materiały półprzewodnikowe wykorzystywane w diodach laserowych Materiał Długość fali emitowanego promieniowania [nm] GaInAlP 630 - 680 Ga0,5In0,5P 670 ZnSe 525 Ga1-xAlxAs 620 - 895 GaAs 904 In0,58Ga0,42As0,9P0,1 1550 PbEuSeTe 3300 - 5800 PbSSe 4200 - 8000 PbSnTe 6300 - 29000 temp. kriogeniczna Pierwszymi materiałami półprzewodnikowymi, które wykorzystano do budowy laserów diodowych, były związki arsenu, glinu i galu (Ga, Al., As). Zmieniając stężenie glinu x (Ga1-xAlxAs) od 0 do 0,45 powodujemy, że laser emituje promieniowanie o długości fali zmieniającej się w zakresie 870 - 620 nm. Jednak dla długości fali mniejszych niż 780 nm laser ten jest mało wydajny. Zaczęto poszukiwać materiałów półprzewodnikowych o większej przerwie energetycznej ∆E, które pozwalałyby emitować światło o mniejszej długości fali. Pierwszy spektakularny sukces odniosły materiały z grupy III - V - GaInP / GaInAlP. Warstwa aktywna Ga0,52In0,48P jest dopasowana rozmiarami sieci krystalicznej do podłoża GaAs. Ważnym parametrem charakteryzującym kolejne, stykające się warstwy, obok przerwy energetycznej ∆E, jest współczynnik załamania światła. Jeżeli współczynnik załamania podłoża jest mniejszy niż współczynnik załamania warstwy aktywnej, to może wystąpić całkowite wewnętrzne odbicie i zjawisko to sprzyja utrzymaniu światła w warstwie aktywnej, wzmacniając emisję wymuszoną. Lasery tego typu należą do grupy laserów diodowych kontrolowanych przez współczynnik załamania światła (ang. index - guided semiconductor laser). 89 Rodzina półprzewodników należących do grup II - VI (Ze, Se) ma większą przerwę ∆E niż GaAs i GaInP. Użycie tych materiałów umożliwia zbudowanie laserów emitujących światło niebieskie i zielone. Niestety, lasery te mogą na razie pracować tylko w niskich temperaturach (77 K). Innym kandydatem w wyścigu o uzyskanie światła niebieskiego są półprzewodniki z grupy III -V (Ga, N). Istnieje ogromna różnorodność laserów diodowych, a różnice wynikają z odmiennej technologii budowania złącza p - n. Niektóre typy laserów diodowych przedstawiono na rys. 5.28. Oprócz podziału zaproponowanego na tym rysunku można stosować klasyfikację związaną z efektami kwantowymi zachodzącymi w warstwie aktywnej złącza i związanymi z jej grubością: a) konwencjonalne lasery półprzewodnikowe; b) studnie kwantowe. Ponadto można wyróżnić lasery, w których odległości międzyatomowe kolejnych warstw naniesionych na podłoże są idealnie dopasowane do sieci krystalicznej podłoża lub odwrotnie – są zbudowane na zasadzie dużych odstępstw (około 1%) od rozmiarów sieci krystalicznej podłoża i materiału naniesionego (ang. strained layers). lasery diodowe emitery brzegowe emitery powierzchniowe podwójne złącze pojedyncze złącze jednorodnezłącze jednorodne jednorodne złącze o geometrii paskowej złącze kontrolowane przez współczynnik załamania światła Rys. 5.28. Lasery diodowe 90 + a) p - type active layer P N metal + b) SiO2 p - type active layer P N metal + c) N P SiO2 p - type active layer N N n metal - a) podstawowy typ lasera diodowego b) laser diodowy kontrolowany przez wzmocnienie, geometria paskowa; c) laser diodowy kontrolowany przez współczynnik załamania, geometria paskowa 91 light a) light laser diode substrate deflection facets b) light substrate metal active region HR - stack mirror lasery diodowe powierzchniowe a) planar-cavity surface-emitting diode laser (PCSEL); b) vertical-cavity surface-emitting diode laser (VCSEL) 92 a) collimating optics AR coating active region rear “mirror” (grating) front mirror b) grating active region c) rear “mirror” (grating) active region front mirror Selektywne wąskopasmowe lasery diodowe a) external cavity; b) distributed-feedback (DFB); c) distributed-Bragg-reflection (DBR) 93
