Laseri

Cum fac laserele lumină?

Dacă acestea sunt toate detaliile pe care doriți să le aflați despre lasere, vă puteți opri din citit acum sau puteți sări mai departe în josul paginii la tipurile de lasere.Această secțiune trece în revistă aceleași puncte din caseta de mai sus, puțin mai detaliat și puțin mai „teoretic”.

Deseori veți citi în cărți că „laser” înseamnă amplificare a luminii prin emisie stimulată de radiații. Acesta este un cuvânt complex și confuz, dar, dacă îl descompuneți încet, este de fapt o explicație foarte clară a modului în care laserele produc fasciculele de lumină superputernice.

Emisie spontană

Să începem cu „R” din laser: radiație.Radiația pe care o produc laserele nu are nimic de-a face cu radioactivitatea periculoasă, cea care face ca contoarele Geiger să pocnească, pe care atomii o scuipă atunci când se ciocnesc sau se destramă. Laserele produc radiații electromagnetice, la fel ca lumina obișnuită, undele radio, razele X și infraroșii. Deși este produsă tot de atomi, aceștia o produc („emit”) într-un mod total diferit, atunci când electronii sar în sus și în jos în interiorul lor. Ne putem gândi la electronii din atomi ca fiind așezați pe niveluri de energie, care sunt un pic ca treptele unei scări. În mod normal, electronii se află la cel mai mic nivel posibil, care se numește starea fundamentală a atomului. Dacă trageți exact cantitatea potrivită de energie, puteți deplasa un electron pe un nivel superior, pe următoarea treaptă a „scării”. Acest lucru se numește absorbție și, în noua sa stare, spunem că atomul este excitat – dar este și instabil. Acesta revine foarte repede la starea fundamentală prin cedarea energiei absorbite sub forma unui foton (o particulă de lumină). Numim acest proces emisie spontană de radiație: atomul emite lumină (emite radiație) de unul singur (spontan).

Foto: De la lumânări la becuri și de la licurici la lanterne, toate formele convenționale de lumină funcționează prin procesul de emisie spontană. Într-o lumânare, combustia (reacția chimică dintre oxigen și combustibil, în acest caz, ceară) excită atomii și îi face instabili. Aceștia emit lumină atunci când revin la starea lor inițială (fundamentală). Fiecare foton produs prin emisie spontană în interiorul flăcării acestei lumânări este diferit de fiecare alt foton, motiv pentru care există un amestec de lungimi de undă (și culori) diferite, ceea ce face ca lumina să fie „albă”. Fotonii ies în direcții aleatorii, cu unde care sunt defazate unele față de altele („defazate”), motiv pentru care lumina lumânării este mult mai slabă decât lumina laser.

Emisie stimulată

În mod normal, un grup tipic de atomi ar avea mai mulți electroni în stările lor fundamentale decât în stările lor excitate, acesta fiind unul dintre motivele pentru care atomii nu emit lumină în mod spontan.Dar ce s-ar întâmpla dacă am excita acei atomi – i-am umple de energie – astfel încât electronii lor să fie în stări excitate. În acest caz, „populația” de electroni excitați ar fi mai mare decât „populația” din stările lor fundamentale, astfel încât ar exista o mulțime de electroni gata și dispuși să producă fotoni de lumină. Noi numim această situație o inversiune de populație, deoarece starea obișnuită de afacerile din atomi este schimbată (inversată). Să presupunem, de asemenea, că am putea menține atomii noștri în această stare pentru o perioadă de timp, astfel încât aceștia să nu sară automat înapoi la starea de bază (o stare de excitație temporară cunoscută sub numele de stare meta-stabilă). Atunci am descoperi ceva cu adevărat interesant. Dacă am trage un foton cu energia potrivită prin grămada noastră de atomi, am face ca unul dintre electronii excitați să sară înapoi la starea de bază, emițând atât fotonul pe care l-am tras, cât și fotonul produs de schimbarea de stare a electronului. Deoarece stimulăm atomii pentru a obține radiații din ei, acest proces se numește emisie stimulată. Obținem doi fotoni după ce am introdus un foton, dublând efectiv lumina noastră și amplificând-o (mărind-o). Acești doi fotoni pot stimula alți atomi să emită mai mulți fotoni, astfel încât, destul de curând, obținem o cascadă de fotoni – o reacție în lanț – care aruncă un fascicul strălucitor de lumină laser pură și coerentă. Ceea ce am făcut aici este să amplificăm lumina folosind emisia stimulată de radiații – și de aici provine numele laserului.

Artwork: Cum funcționează laserele în teorie: Stânga: Absorbția: Trageți energie (verde) într-un atom și puteți muta un electron (albastru) din starea fundamentală într-o stare excitată, ceea ce înseamnă, de obicei, împingerea lui mai departe de nucleu (gri). În mijloc: Emisie spontană: Un electron excitat va sări în mod natural înapoi în starea sa fundamentală, emițând un quantum (pachet de energie) sub formă de foton (fluturaș verde). Dreapta: Emisia stimulată: Trageți un foton în apropierea unui grup de atomi excitați și puteți declanșa o cascadă de fotoni identici. Un foton de lumină declanșează mai mulți, deci ceea ce avem aici este amplificarea luminii (producerea de mai multă lumină) prin emisie stimulată de radiație (electromagnetică) – LASER!.

Ce face ca lumina laserului să fie atât de diferită?

Dacă acesta este modul în care laserele produc lumină, de ce nu produc o singură culoare și un fascicul coerent? Se reduce la ideea că energia nu poate exista decât în pachete fixe, fiecare dintre acestea numindu-se cuante. Este un pic ca banii. Nu poți avea bani decât în multipli ai unității de bază a monedei tale, care poate fi un cent, un penny, o rupie sau orice altceva. Nu poți avea a zecea parte dintr-un cent sau a douăzecea parte dintr-o rupie, dar poți avea 10 cenți sau 20 de rupii. Același lucru este valabil și în cazul energiei și este deosebit de vizibil în interiorul atomilor.

Ca și treptele unei scări, nivelurile de energie din atomi se află în locuri fixe, cu goluri între ele. Nu poți pune piciorul oriunde pe o scară, ci doar pe trepte; și, exact în același mod, poți muta electronii din atomi doar între nivelurile de energie fixe. Pentru a face ca un electron să sară de la un nivel inferior la unul superior, trebuie să introduci o cantitate precisă (cuantică) de energie, egală cu diferența dintre cele două niveluri de energie. Atunci când electronii se întorc din starea excitată în starea fundamentală, ei emit aceeași cantitate precisă de energie, care ia forma unui foton de lumină de o anumită culoare. Emisia stimulată în lasere face ca electronii să producă o cascadă de fotoni identici – identici ca energie, frecvență, lungime de undă – și de aceea lumina laser este monocromatică. Fotonii produși sunt echivalenți cu undele de lumină ale căror creste și depresiuni se aliniază (cu alte cuvinte, sunt „în fază”) – și asta face ca lumina laser să fie coerentă.

Tipuri de lasere

Foto: Lasere – așa cum le cunoaștem cei mai mulți dintre noi: Acesta este laserul și lentila care scanează discurile din interiorul unui CD sau DVD player. Cercul mic din dreapta jos este o diodă laser semiconductoare, în timp ce cercul albastru mai mare este lentila care citește lumina de la laser după ce aceasta a ricoșat de pe suprafața lucioasă a discului.

Din moment ce putem excita multe tipuri diferite de atomiîn multe moduri diferite, putem (teoretic) să facem multe tipuri diferite de lasere.În practică, există doar o mână de tipuri obișnuite, dintre care cele mai cunoscute cinci sunt cele cu stare solidă, gaz, colorant lichid, semiconductor și fibră.

Solidele, lichidele și gazele sunt cele trei stări principale ale materiei și ne oferă trei tipuri diferite de lasere. Laserele cu stare solidă sunt ca cele pe care le-am ilustrat mai sus. Mediul este ceva de genul unei tije de rubin sau un alt material cristalin solid, iar un tub cu bliț înfășurat în jurul acestuia pompează atomii săi plini de energie. Pentru a funcționa eficient, solidul trebuie să fie dopat, un proces care înlocuiește o parte din atomii solidului cu ioni de impurități, dându-i exact nivelurile de energie potrivite pentru a produce lumină laser de o anumită frecvență precisă. Laserele cu stare solidă produc fascicule de mare putere, de obicei în impulsuri foarte scurte. În schimb, laserele cu gaz produc fascicule luminoase continue, folosind compuși de gaze nobile (în ceea ce se numesc lasere cu excimeri) sau dioxid de carbon (CO2) ca mediu, pompate de electricitate. Laserele cu CO2 sunt puternice, eficiente și sunt utilizate de obicei în industria de tăiere și sudură. Laserele cu coloranți lichizi folosesc ca mediu o soluție de molecule de coloranți organici, pompată de ceva asemănător cu o lampă cu arc electric, o lampă flash sau un alt laser. Marele lor avantaj este că pot fi folosite pentru a produce o bandă mai largă de frecvențe de zbor decât laserele cu solide și cu gaz și pot fi chiar „reglate” pentru a produce frecvențe diferite.

În timp ce laserele cu solide, lichide și cu gaz tind să fie mari, puternice și scumpe, laserele cu semiconductori sunt dispozitive ieftine, mici, asemănătoare unor cipuri, folosite în echipamente precum CD playere, imprimante cu laser și cititoare de coduri de bare. Acestea funcționează ca o combinație între o diodă emițătoare de lumină (LED) convențională și un laser tradițional. La fel ca un LED, ele produc lumină atunci când electronii și „găurile” (de fapt, „electronii lipsă”) sar și se unesc; la fel ca un laser, ele generează lumină coerentă, monocromatică. Acesta este motivul pentru care uneori sunt denumite diode laser (sau lasere cu diode). Puteți citi mai multe despre ele în articolul nostru separat despre diodele laser cu semiconductori.

În cele din urmă, laserele cu fibră își fac magiaîn interiorul fibrelor optice; de fapt, un cablu cu fibră optică dopată devine mediul de amplificare. Sunt puternici, eficienți, fiabili și fac mai ușoară dirijarea luminii laser acolo unde este nevoie de ea.

La ce se folosesc laserele?

Când Theodore Maiman a dezvoltat primul laser practic, puțini oameni au realizat cât de importante vor deveni în cele din urmă aceste aparate. Goldfinger, filmul lui James Bond din 1964,oferea o privire ispititoare asupra unui viitor în care laserele industriale puteau tăia ca prin minune tot ce le ieșea în cale – chiar și agenții secreți! Mai târziu, în același an, relatând despre decernarea Premiului Nobel pentru Fizică pionierului laserului Charles Townes, The New York Times sugera că „un fascicul laser ar putea, de exemplu, să transmită simultan toate programele de radio și televiziune din lume, plus câteva sute de mii de apeluri telefonice. Este folosit pe scară largă pentru determinarea distanței și urmărirea rachetelor”. Mai mult de o jumătate de secol mai târziu, aplicații ca aceasta – unelte de precizie, comunicații digitale și apărare – rămân printre cele mai importante utilizări ale laserelor.

Foto: De fiecare dată când tipărește un document, imprimanta laser de pe biroul dvs. stimulează în mod activ zilioane de atomi! Laserul din interiorul ei este folosit pentru a desena o imagine foarte precisă a paginii pe care doriți să o imprimați pe un tambur mare, care preia cerneala alimentată (toner) și o transferă pe hârtie.

Unelte

Uneltele de tăiere bazate pe lasere CO2 sunt utilizate pe scară largă în industrie: sunt precise, ușor de automatizat și, spre deosebire de cuțite,nu au nevoie niciodată de ascuțire. Dacă odinioară bucățile de pânză erau tăiate manual pentru a face lucruri precum blugii din denim, acum țesăturile sunt tăiate de lasere ghidate de roboți. Acestea sunt mai rapide și mai precise decât oamenii și pot tăia mai multe grosimi de țesătură în același timp, ceea ce îmbunătățește eficiența și productivitatea. Aceeași precizie este la fel de importantă și în medicină: medicii folosesc în mod obișnuit laserele pe corpurile pacienților lor.pentru orice, de la distrugerea tumorilor canceroase și cauterizarea vaselor de sânge până la corectarea problemelor de vedere ale oamenilor (chirurgia cu laser a ochilor, repararea retinei desprinse și tratamentele pentru cataractă implică toate laserele).

Comunicații

Laserele formează fundamentul tuturor tipurilor de tehnologie digitală din secolul XXI. De fiecare dată când vă treceți cumpărăturile prin scanerul de coduri de bare al unui magazin alimentar, folosiți un laser pentru a converti un cod de bare tipărit într-un număr pe care computerul de la casa de marcat îl poate înțelege. Când urmăriți un DVD sau ascultați un CD, un fascicul de laser cu semiconductori ricoșează de pe discul care se învârte pentru a converti modelul de date tipărite în numere; un cip de calculator convertește aceste numere în filme, muzică și sunet. Împreună cu cablurile de fibră optică, laserele sunt utilizate pe scară largă într-o tehnologie numită fotonică – utilizarea fotonilor de lumină pentru a comunica, de exemplu, pentru a trimite fluxuri vaste de date înainte și înapoi pe Internet.Facebook experimentează în prezent utilizarea laserelor (în loc de unde radio) pentru a realiza conexiuni mai bune cu sateliții spațiali, ceea ce ar putea duce la viteze de date mai mari și la un acces mult îmbunătățit la Internet în țările în curs de dezvoltare.

Foto: Sunt armele cu laser viitorul? Acesta este Sistemul de arme cu laser al Marinei SUA (LaWS),care a fost testat la bordul navei USS Ponce în 2014. Nu există gloanțe sau rachete scumpe cu o astfel de armă laser, ci doar o sursă nesfârșită de energie dirijată cu ferocitate. Fotografie realizată de John F. Williams, prin amabilitatea US Navy.

Defense

Armata a fost mult timp unul dintre cei mai mari utilizatori ai acestei tehnologii, în principal în armele și rachetele ghidate cu laser.În ciuda popularizării sale în filme și la televizor, ideea științifico-fantastică a armelor cu laser care pot tăia, ucide sau orbi un inamic a rămas fantezistă până la mijlocul anilor 1980. În 1981, The New York Times a mers atât de departe încât a citat un „expert militar în domeniul laserului” care spunea: „Este pur și simplu o prostie. Este nevoie de mai multă energie pentru a ucide un singur om cu un laser decât pentru a distruge o rachetă”. Doi ani mai târziu, armele laser cu rază lungă de acțiune au devenit în mod oficial piatra de temelie a controversatei Inițiative de apărare strategică (SDI) a președintelui american Ronald Reagan, cunoscută mai bine sub numele de „programul Războiul Stelelor”. Ideea inițială era de a folosi lasere cu raze X din spațiu (printre alte tehnologii) pentru a distruge rachetele inamice care se apropiau înainte ca acestea să aibă timp să facă pagube, deși planul a eșuat treptat în urma prăbușirii Uniunii Sovietice și a sfârșitului Războiului Rece.

Chiar și așa, oamenii de știință din domeniul apărării au continuat să transforme rachetele bazate pe lasere din science fiction în realitate. Marina americană a început să testeze pentru prima dată LaWS (Laser Weapon System)la bordul navei USS Ponce din Golful Persic în 2014. Folosind lasere în stare solidă pompate deLED-uri, a fost conceput pentru a deteriora sau distruge echipamentele inamice mai ieftin și mai precis decât rachetele convenționale. Testele s-au dovedit a fi de succes,iar Marina a anunțat contracte pentru a construi mai multe sisteme LaWS în 2018.Între timp, dezvoltarea de lasere spațiale continuă, deși niciunul nu a fost desfășurat până în prezent.

Foto: Oamenii de știință de la Laboratorul Național Lawrence Livermore din California au dezvoltat cel mai puternic laser din lume, National Ignition Facility (NIF), pentru cercetare nucleară. Găzduit într-o clădire cu 10 etaje care ocupă o suprafață cât trei terenuri de fotbal, acesta folosește 192 de fascicule laser separate pentru a furniza până la 500 de trilioane de wați de putere(de 100 de ori mai multă energie decât orice alt laser), generând temperaturi de până la 100 de milioane de grade. NIF a costat în total 3,5 miliarde de dolari și se preconizează că va alimenta cercetarea nucleară de ultimă oră pentru următorii 30 de ani. Stânga: Unul dintre cele două compartimente laser din cadrul National Ignition Facility. Dreapta: Cum funcționează: Fasciculele laserului sunt concentrate pe o mică pastilă de combustibil într-o cameră pentru a produce temperaturi intense (precum cele din interiorul stelelor). Ideea este de a produce fuziune nucleară (a face ca atomii să se unească) și de a elibera o cantitate masivă de energie. Credit foto: Lawrence Livermore National Laboratory.

.