Laser

Laser bat

Laser argi-izpi «koherenteak» (maiztasun bereko uhinak eta beti fase berekoak direnak) sortzen dituen argiaren anplifikazio-sistema da. Izena Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation («erradiazioen igorpen kitzikatuaren bidezko argi-anplifikazioa») terminoaren akronimoa da. Argi-izpi hauek material gogorrenak eta beroaren kontrako erresistentzia handiena dutenak desegin ditzakete. Laserraren abantaila nagusia da, beste argi igorpenen ondoan, zuzentasuna edo puntu jakin batera zuzentzeko duen gaitasuna, baita koherentzia edo fase berean irautea ere. Argi-izpien maiztasuna oso zehatza da, eta ondorioz barne-interferentziak saihesten dira, eta igorpen garbia lortzen.

Kristal jakin batean edo gas-nahaste jakin batean dauden atomoak kitzikatuz lortzen da laser-igorpena, kristal horiek garbitasun handikoak baitira (errubia, itriozko granatea eta tungstatoak, eta gasak, berriz, karbono dioxidoa, helioa, argona eta neona). Kimika bidezko laser batean, berriz, kitzikadura-indarra erreakzio kimiko batek sortzen du, edota karbono monoxidoaren errekuntzak, karbono dioxido kitzikatua sortzeko.

Historia

1915. urtean, Albert Einsteinek, laserren garapena zabaldu zuen Max Planck-en erradiazioaren legearen arabera. Horretarako, emisio espontaneo eta induzitu erradiazioen kontzeptuak erabili zituen.

1928. urtean, Rudolf Ladenburg-ek lehenengo emisio estimulatuaren fenomenoaren informazioa jaso zuen. Hala ere, ez zuen eragin askorik izan; izan ere, bigarren munduko gudaren ostean Willis Eugene Lamb eta R. C. Rutherford-ek fenomeno honen garapena sustatu baitzuten.

1953. urtean, Charles H. Townes eta beste bi ikaslek (James P. Gordon y Herbert J. Zeiger) lehenengo maserra sustatu zuten. Maserra laserraren erabilera fisiko berdina duen gailu bat da, baina mikrouhin-hodi koherente bat sortzen duena. Honek ez zuen balio era jarrai batean lan egiteko. Horregatik, Nikolái Básov y Alexander Prójorov, Sobietar Batasuneko fisikoak, maserrak era jarraian eta argia denbora guztian emateko lan egin zuten. Horretarako, osziladore kuantiko batekin lan egin zuten, sisteman energia bi maila baino gehiagotan ezarriz. Hauek biek, Fisikako Nobel Saria jaso zuten 1964.urtean, elektronika kuantikoaren oinarriak sustatu zituztelako.

Lehenengo laserra 1960.urtean eratu zen, maiatzaren 16an. Laser hau errubizkoa izan zen eta Theodore Maiman-ek sortu zuen. Bere sorkuntzaren emaitzak nahiko berandu argitaratu zirenez “Nature” aldizkarian, Charles H. Townes eta Arthur Leonard Schawlow fisikariek denbora izan zuten haien lana garatzeko lehenengo laserra patentatuz 1960.an.

1962. urtean, Robert Hall-ek erdieroalea den laserra patentatu zuen, eta 1969.an, lehenengo aplikazioa eman zitzaion, hala nola, metalezko elementuen soldaduran erabili zen ibilgailuen fabrikazioan.

1980.urtean, Hull unibertsitateko fisikako talde batek laserraren emisioa X-izpien eremuan izatea lortu zuten. Hilabete batzuk barru, disko trinko bat komertzializatzen hasi zen, non potentzia txikiko laser batek kodetutako datuak zulo txikien moduan irakurtzen dituen aurpegi erreflektantea duen disko optiko batean; hala nola, puntuak eta marrak irakurtzen ditu. Ondoren, lortutako sekuentzia hori seinale analogiko batetan bihurtzen da, seinale hori entzutea ahalbidetzen duena.

1994.urtean, Erresuma Batuan, zinemometroetan laserrak erabiltzen hasi ziren errepidetan automobilek gehiegizko abiaduran doazenean detektatzeko, hau da, radar moduan. Bere erabileraren eraginkortasunagatik, mundu osoan zehar hedatu zen teknologia hau.

Jada XXI. mendean, laserrekin erabilera ugari sortu zituzten:

• St. Andrews unibertsitatean zenbait zientzialariek objektu txikiak manipulatzeko gai den laserra sortu zuten.
• Japoniarrek objektu nimiñoak eratzen dituzte, hala nola, globulu gorrien tamainakoak.
• Australiarrek laserren argia leku batetik bestera teletrasportatzeko gai izan dira.
• Britaniar museoan laser eskanerrak erabilita aurkezpen birtualak egitea lortu zuten.
• Intel-en lan egiten zuten zientifikoek silizioz eratutako chip laser batekin komunikazio sare hobeagoak sortu zituzten, are azkarrago eta efizienteagoak.

Diseinua

Laser tipiko baten osagaiak:

1. Irabazi optikoa duen ingurune aktiboa
2. Laserrerako ponpaketa-energia
3. Islapen handiko ispilua
4. Akoplamendu- edo irteera-ispilua
5. Laser-sortaren igorpena

Laser bat da: irabazteko bitarteko bat, dinamizatzeko mekanismo bat, eta atzeraeragin optikoa emateko zerbait. Irabazte-bitartekoa, igorpen estimulatu baten bidez argia anplifikatzea ahalbidetzen dioten propietateak dituen material bat da. Ingurune irabaztailetik igarotzen den uhin-luzera jakin bateko argia anplifikatu egiten da (potentzia handitzen da). Atzeraelikadurak igorpen estimulatua ahalbidetzen du, batez ere maiztasun optikoa anplifikatzeko gainfrekuentzia-kurbaren gailurrean. Emisio estimulatua hazi ahala, azkenean, frekuentzia bat nagusitzen da beste guztien gainetik, eta horrek esan nahi du sorta koherente bat eratu dela. Igorpen estimulatuaren prozesua atzeraelikadura positiboa duen audioosziladore baten antzekoa da, adibidez, helbide publiko bateko bozgorailua mikrofonotik gertu jartzen denean. Entzuten den oihua audioaren oszilazioa da, gainfrekuentziaren kurbaren puntan, anplifikadorearentzat.

Argia anplifikatzeko, energiaz hornitu behar da ponpaketa deritzon prozesu batean. Energia, normalean, korronte elektriko gisa edo beste uhin-luzera bateko argi gisa hornitzen da. Bonba-argia argi distira lanpara batek edo beste laser batek eman dezake.

Laser motarik arruntenak barrunbe optiko baten atzeraelikadura erabiltzen du: ispilu pare bat ingurune irabazlearen bi muturretan. Argiak atzera eta aurrera errebotatzen du ispiluen artean, ingurune irabaztailetik igaroz eta aldiro anplifikatuz. Normalean bi ispiluetako bat, irteerako akoplagailua, partzialki gardena da. Argi pixka batek ihes egiten du ispilu horretatik. Barrunbearen diseinuaren arabera (ispiluak lauak edo kurbatuak diren), laserretik irteten den argia zabaldu egin daiteke, edo habe estu bat eratu. Osziladore elektronikoen analogian, gailu horri laser osziladorea esaten zaio batzuetan.

Laser praktiko gehienek igortzen den argiaren propietateei eragiten dieten elementu gehigarriak dituzte, hala nola polarizazioa, uhin-luzera eta habearen forma.

Laser atalak

Ohiko laser batek hiru oinarrizko elementuz osatuta dago: hutsune optikoa, gune aktiboa eta ponpaketa.

Hutsune optikoa

Hutsune optikoak edo hutsune erresonanteak, gune aktibotik argia zirkulatzen jarraitzea baimentzen du ahalik eta luzeen. Bi ispilu dielektrikoz osatuta dago, zeintzuk kontrolatutako islapenak baimentzen dituzten uhin-luzera jakin batzuetarako.

Ispilu hauetako batek, jasotzen duen argiaren %100 inguru islatzen du, eta besteak, ispilu akoplagailua edo irteerakoa, ehuneko txikiago bat islatzen duena, erradiazioaren irteera baimentzen du. Ispilu hauek, lauak izan daitezke edo kurbadura zehatz bat izan dezakete zeinek hauen egonkortasuna aldatzen duen.

Laser motaren arabera, ispilu hauek beirazko oinarrietan era daitezke edota egoera solidoan dauden laserren kasuan, gune aktiboaren aurpegietan egin daitezke. Horrela, alineatzeko beharrak ekiditzen dira.

Gune aktiboa

Hutsune optikoaren barnean, gune aktiboa kokatzen da eta hau solido, likido edo gas izan daiteke.

Gune aktiboa, anplifikazio optikoa gertatzen den gunea da, hau da, kitzikatze prozesuak gertatzen direneko lekua. Material askotakoa izan daiteke eta laser argiaren propietateak gehien bat determinatzen dituena da (uhin-luzera, jarraikako emisioa, potentzia eta abar).

Etekin optikoak laserraren eraginkortasuna determinatzen du. Eta balio hau handitzen duten materialak bilatzen dira, galerak murrizteko. Horregatik, baldintza hauek modu eraginkorrean betetzen dituzten material gutxi aurkitzen dira.

Ponpaketa

Gune aktiboak erradiazioa anplifikatu dezan, honen maila elektronikoak anplifikatzea beharrezkoa da, honi ponpaketa deritzo. Ponpaketa hau, normalean argi-sorta bat (ponpaketa optikoa) edo korronte elektriko bat (ponpaketa elektrikoa) da. Hauek, gune aktiboa beharrezko energiarekin pizteko erabiltzen dira.

Ponpaketa optikoa, egoera solidoko laserretan eta laser likidotan erabili ohi da. Aldiz, ponpaketa elektrikoa, laser erdieroaletan eta gas laserretan erabiltzen da.

Laser mekanismoak

Nahiz eta laser emisioa duten mekanismo ugari egon, neodimioaren adibide sinplea azalduko da. Laser honek lau energi-maila ditu eta ponpaketa optiko jarraia.

Ponpaketa absortzioa eta trantsizio ez erradioaktiboak

Hasierako egoeran, elektroi gehienak oinarrizko egoeran aurkitzen dira. Hauek, argi ponpaketa baten bidez kitzikatzen dira. Kitzikatuta dauden elektroiak, deskitzika daitezke oinarrizko egoerara bueltatuz, ez erradioaktibo eran. Neodimioaren kasuan, ⁴F_3/2 –ra bueltatzen da non denbora luze batez hor mantentzen den azkenean oinarrizko egoerara bueltatuz ⁴I_11/2 mailara.

Baldintza guztiak betetzen badira materialean eta ponpaketa potentzialean, alderantzizko populazioa gerta daiteke, hau da, atomo gehiago existitzea ⁴F_3/2 mailan ⁴I_11/2 mailan baino, maila baxuagoa dena.

Emisio bizkortua

Fotoi batek elektroi baten jauzia suspertzen du maila baxuago batera. Hau gertatzeko, fotoiaren energia bi mailen arteko energia aldaketaren berdina izan behar da. Honen eraginez, aurrekoaren berdina den bigarren fotoi bat emitituko da. Momentu horretan, argi fotoi batek bi argi fotoi sortu ditu, beraz, argi hau anplifikatu egin da.

Laser motak

Laser motak sailkatu daitezke modu desberdinetan, irizpide ezberdinak erabil daitezke: uhin-luzera, tamaina, potentzia… Baina modurik egokiena eta baliagarriena ingurune aktiboaren arabera sailkatzea da, azken hau kitzikapen mekanismoari lotuta baitago. Horren arabera laserrak lau familia handitan banatu ahal ditugu: gasezkoak, likidozkoak, solidozkoak eta erdieroaleak.

Beraz, laserrak klasifikatu daitezke duten substantzia aktiboaren arabera: gaseosoak, likidoak, solidoak eta erdieroaleak.

Laser gaseosoak

Hauen substantzia aktiboa gas bat izaten da. Laser mota hau, sorta gas batetan edo gas nahasketa batetan eratzen da, esate baterako argona edo helio-neon, eta korronte elektriko baten bitartez kitzikatzen da.

Gas motaren arabera bereiztu egiten dira: gas atomikoa (helio-neon laserra), gas ionikoa (argonezko laserra) eta gas molekularra (CO₂ laserra).

• Helio-Neon laserra (edo laser HeNe): lehen aipatu den moduan bere eremu aktiboa helio eta neon osatutako nahasketa gaseosoa izaten da; hau egoten da 5:1 proportzioan. Bere ohizko bertsioan 632,8 nm-ko uhin luzeran argi gorria igortzen du. Potentzia baxua duen laser mota da eta asko erabiltzen dena. Deskarga elektriko baten bidez ponpaketarako energia lortzen da, 1000 V ingurukoa.
• Argonezko laserra: laser mota honek erdiko potentzia dauka. Baita, argi berde-urdina igortzen du; hainbat emisio lerro izaten ditu, nagusiak 514 nm eta 488 nm dira. Gehienbat medikuntzan erabiltzen da eta hainbat aplikazio zientifiko ditu.
• Karbono dioxido laserra: laser molekular arruntena da. Urruneko infragorrian igorri egiten du: 900-1100 nm-tan. Baita aipa daiteke CO laserra ere, nahiko antzeko dena baina toxikoa.

Laser likidoak

Laser hauen eremu aktiboa koloratzaile likido bat (normalean kromoforo organikoak) izaten da, hala nola, errodamina. Laser hauei laser koloratzaileak edo laser organikoak deitzen zaie. Normalean, argonezko laserra edo flash lanparak erabiliz kitzikatu egiten dira. Uhin luzera tarte zabala aurkezten dute: 400-1000 nm. Gainera, erabiltzen den koloratzailearen arabera ultramorean, ikusgaian edo infragorrian jardun dezakete; 150 mW-tik 346 mW-rainoko potentziarekin.

Laser solidoak

Laser hauen eremu aktiboa beira, kristal edo zuntz dopatuak izaten dira. Kristal solidoz eratuta daude, hala nola, neodimio, errubia, alejandrita edo titanio-zafiroz; eta argi intentsuarekin kitzikatu egiten dira.

Nahiz eta laser erdieroaleak egoera solidozkoak ere izaten dira, talde desberdin bat bezala hartzen dira.

Egoera solidozko laser mota hau industrian eta medikuntzan erabili egiten da, adibide batzuk hurrengoak dira: errubi laserra eta YAG laserrak, bereziki Nd-YAG laserra.

Egoera solidozko lehenengo laserra, sortu zen lehenengo laserra izan zena, errubizkoa izan zen. Halere, gaur egun Nd-YAG laserra erabiliena da.

• Errubi laserra: zafiro minerala (Al₂O₃) eta ioi aktiboa Cr³⁺ osatzen dute, hain zuzen, Cr³⁺ -ak kristalean ordezkatrzen du Al-a. Baita, 694.3 nm-tan argi igortzen du, ikusgai espektroaren alde gorrian.
• Nd-YAG laserra: neodimioz dopatutako itrio eta aluminiozko granatea da. Nd³⁺ ioiek ordezkatzen dute eremu aktiboaren matrize solidoaren ioiak, Nd:YAlO espeziea eratuz. Baita, argia infragorri hurbilean (NIR) emititzen dute.

Laser erdieroaleak

Laser oso txikiak dira eta sorta fin bat igortzen dute korronte elektriko baten bidez kitzikatzean.

Egoera solidozko laserretan ingurune aktibo bezala erdieroaleak (adibidez GaAs edo AlGaAs) erabil daitezke. Bertan bi erdieroaleak lotzen direnean (p motatakoa n motatako erdieroale batekin) diodo esaten zaie. Eta erdieroale guztietan dagoen salto energetikoak (gap zabalera) lan egiteko uhin-luzera zehazten du.

Laser erdieroale mota batzuk:

• GaAs laserra: Galio arseniuro laserrak infragorrian emititu egiten du. Bere uhin-luzera 800 nm ingurukoa da. Laser mota hauek gailu eta ekipo elektronikoetan erabiltzen dira, baita telekomunikazio sistemetan ere.
• Diodo laserra: osatzen duten materialen ondorioz erdieroale laser moten barnean aurkitzen da. Baita, bateratze-laserrak bezala ezagutzen dira, hain zuzen, lotura n-p dela eta. Azkenik, injekzio laserrak izena hartzen dute, boltai bat aplikatuz elektroiak loturan injektatu egiten direlako. Laser honen emisio-tartea 350-3000 cm^-1 tartean zentratuta dago.

Erabilerak

Laserrak erabilera asko ditu industrian eta ikerkuntzan. Medikuntzan, adibidez, sendabide bikaina da. Minbizi-tumoreetako zelula hilak suntsitzen ditu, eta gaixotasuna geldiaraz dezake. Kirurgian ere erabiltzen da, anestesia egiteko. Biologian, berriz, laserra mitosi eta zelula banaketaren prozesuan kromosometan aldaketak eragiteko erabiltzen da. Telekomunikazioetan eta satelite artifizialak jaurtitzeko, laser-izpiaren zuzentasunaz baliatzen dira. Holografia (hiru dimentsioko irudien erreprodukzioa) da laserraren erabilera ikusgarrienetako bat. Lehenik eredua erregistratzen da material fotosentikor batean, eta gero argitu egiten da irudia erliebean osatzeko, behar bezalako indar eta makurdurarekin. Bi prozesuotan laserra oinarri optiko gisa erabiltzen da. Bitxigintzan erabiltzen da diamanteak ebakitzeko, eta zeramikan, neurketa-tresna eta irakurle optiko gisa. Laser-erradiazioak kaltegarriak izan daitezke begientzat, eta horregatik funtsezkoa da behar bezalako neurriak hartzea.

Kanpo estekak

• Semiconductor laser - mota ezberdinek - erdieroalezko laser uhin eskura

• Datuak: Q38867
• Multimedia: Lasers / Q38867