Spis treści:
Znane od wielu dekad lasery stosowane są w różnorodnych urządzeniach i technologiach, z których korzystamy każdego dnia. Dowiedz się, czym dokładnie są i jak działają.
Co to jest dioda laserowa?
„Laser” to akronim wyrażenia „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”, oznaczającego wzmocnienie światła przez wymuszoną emisję promieniowania. Mówiąc inaczej, to cząsteczki światła (fotony), które są pobudzane, dzięki czemu emitują energię w postaci światła skupionego w wiązce.
Najpopularniejszym znanym rozwiązaniem są diody laserowe półprzewodnikowe, wykonane z materiałów półprzewodnikowych, które zawierają w swoich strukturach złącza „p-n”. Charakteryzują się one następującymi cechami.
- Koherentność – diody laserowe emitują spójne fale świetlne o takich samych parametrach (tj. faza, polaryzacja, długość fal). W efekcie różnią się one m.in. od zwykłej żarówki, która rozprasza światło. W tym przypadku wiązka porusza się w jednym kierunku i skupia się na małym obszarze.
- Monochromatyczność – emitowane przez diody laserowe światło zawsze ma jedną barwę. Najczęściej występuje w wersji czerwonej lub zielonej. Przełomowym odkryciem było powstanie lasera niebieskiego. Dzięki niemu powstała technologia płyt Blu-ray.
- Kierunkowa natura emitowanego światła – diody laserowe emitują wiązkę o małej rozbieżności. Promienie świetlne nie rozpraszają się, przez co biegną w jednym kierunku, niemal równolegle względem siebie.
- Długotrwałość – diody półprzewodnikowe cechują się niezawodnością i długą żywotnością. Dzięki temu mają szerokie zastosowanie.
Jak działa dioda laserowa?
Aby wyjaśnić działanie diody laserowej, warto najpierw przybliżyć, jak wygląda przekazywanie energii pomiędzy cząsteczkami. Weźmy na tapet atom, który ma poziomy energetyczne (orbity). Mogą one przyjąć konkretne wartości energii, co przekłada się na ich wzbudzenie. Cząsteczki nie mogą jednak magazynować energii w nieskończoność, więc pozbywają się jej na kilka sposobów, np. poprzez przejście promieniste i niepromieniste.
Atomy mogą być wzbudzane optycznie, elektrycznie czy cieplnie. Dzięki temu aktywowane cząsteczki emitują fotony w sposób wymuszony lub spontaniczny. Kluczowe dla działania diody laserowej jest pobudzenie wymuszone, w którym foton, działający jako katalizator, przemieszcza się obok wzbudzonej cząsteczki i „uruchamia” jej emisję. Nie jest jednak przez nią absorbowany.
Najważniejsze elementy diody laserowej
Laser składa się z trzech elementów:
- ośrodka czynnego,
- układu pompującego,
- rezonatora optycznego.
Ośrodek czynny jest materiałem, w którym emitowane jest światło. Może być rubinowy, azotowy, argonowy, argonowo-fluorowy czy wykonany z azotku galu lub fosforku indyku. Warstwa aktywna umieszczona jest w rezonatorze optycznym. Są to dwa lustra skierowane do siebie w taki sposób, że światło odbija się od nich nieustannie. Warto jednak zauważyć, że jedno z luster jest półprzepuszczalne, dzięki czemu światło (jego część) może być emitowane poza rezonator. Całość uzupełnia system pompowania, którego zadaniem jest dostarczanie energii do ośrodka czynnego.
Działanie diody laserowej najlepiej zobrazować przykładem pierwszego skonstruowanego lasera rubinowego. Jego ośrodek czynny stanowi pręt z rubinu, czyli tlenku glinu z domieszką chromu. Doładowuje się go optycznie, za pomocą światła, które pochodzi z impulsowej lampy wyładowczej w kształcie spirali okalającej pręt. Układ pompowania dostarcza energię do warstwy aktywnej, wzbudzając w niej cząsteczki. Gdy zostają aktywowane, samorzutnie emitują światło. W pewnym momencie intensywność emisji zwiększa się i powstaje stan tzw. inwersji obsadzeń (większa liczba cząsteczek jest w stanie pobudzonym niż w podstawowym).
Aktywowane cząsteczki w sposób spontaniczny emitowane są we wszystkich kierunkach. Nie przebiegają wedle osi rezonatora, przez co nie mają większego znaczenia dla działania lasera. Z kolei fotony będące w osi rezonatora odbijają się pomiędzy lustrami i przemieszczają się kilkukrotnie przez warstwę aktywną, powodując tym samym emisję kolejnych fotonów, mających tę samą długość fal, kierunek rozchodzenia i pozostałe parametry. Pozostałe rodzaje laserów działają na takiej samej zasadzie, chociaż wyposażone są w inne warstwy aktywne, mają zróżnicowany sposób pompowania i inną geometrię rezonatora.
Zastosowanie diod laserowych
Diody laserowe znajdują szerokie zastosowanie. Większość osób z pewnością spotkała się wielokrotnie z laserami typu dot lub pointer, które wykorzystywane są m.in. w firmach, szkołach i uczelniach. Za ich pomocą osoba prowadząca zajęcia czy spotkania biznesowe może wskazywać omawiane zagadnienia na tablicy.
Takie urządzenia emitują najczęściej światło w kształcie kropki, choć dostępne są również modele pokazujące krzyż bądź linię. Diody laserowe występują ponadto w przyrządach celowniczych, ułatwiających naprowadzanie lufy broni w wybranym kierunku czy w urządzeniach mierniczych, takich jak poziomica laserowa.
Diody laserowe są ponadto kluczowym elementem odtwarzaczy CD, DVD i Blu-ray. Emitowane przez nie światło służy do odczytywania danych z nośników. Z technologią diod można spotkać się ponadto w skanerach kodów kreskowych i drukarkach. Dużą popularnością cieszą również w nauce, w takich dziedzinach jak biologia, chemia czy fizyka, gdzie służą do przeprowadzania badań, np. manipulowania atomami.
Diody laserowe o dużej mocy do grawerowania i cięcia
Diody laserowe charakteryzują się zróżnicowaną mocą. O ile te najczęściej spotykane, np. we wskaźnikach są bezpieczne dla ludzi (jeśli nie są używane do świecenia w oczy, które mogą uszkodzić), tak specjalistyczne lasery, mające przykładowo 2000 mW do 6000 mW, mogą być wykorzystywane do cięcia i grawerowania. Za ich pomocą można wprowadzać wzory i oznaczenia na stali nierdzewnej czy tytanie. Diody laserowe znakomicie radzą sobie również z cięciem tworzyw sztucznych (takich jak plastik czy guma), drewna, tekstyliów czy skóry sztucznej bądź naturalnej.
Lasery wskaźnikowe emitują zwykle fale w paśmie widzialnym, natomiast lasery tnące wysyłają wiązki o różnych długościach fal. W zależności od tego, do jakiego celu są wykorzystywane, mogą przechodzić także w zakres fal niewidzialnych, np., podczerwieni.
