Laser to urządzenie, które emituje skoncentrowaną wiązkę światła o wyjątkowych właściwościach. Nazwa „laser” pochodzi od akronimu „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” (wzmacnianie światła poprzez emisję wymuszoną promieniowania).
Laser generuje fotony – cząstki światła – o tej samej długości fali, fazie i kierunku propagacji, dzięki czemu wytwarzana wiązka jest spójna i wyjątkowo precyzyjna.
Podstawowe składniki lasera
Każdy laser, niezależnie od jego typu, składa się z trzech kluczowych elementów:
- zewnętrzny układ pompujący – dostarcza energię do systemu;
- wzbudzony ośrodek czynny – materiał, w którym zachodzi generacja światła;
- rezonator optyczny – układ zwierciadeł wzmacniających promieniowanie.
Rezonator optyczny składa się z dwóch luster ustawionych naprzeciw siebie, między którymi światło wielokrotnie się odbija. Jedno lustro jest półprzepuszczalne, dzięki czemu część zintensyfikowanego promieniowania opuszcza rezonator, tworząc wiązkę laserową.
Fizyka światła w laserze – procesy emisji
Aby zrozumieć działanie lasera, warto poznać trzy fundamentalne mechanizmy interakcji światła z materią:
1. Emisja spontaniczna
Atomy posiadają określone poziomy energetyczne (orbity). Gdy atom znajduje się w stanie wzbudzonym, może przejść do stanu podstawowego, emitując foton. Proces ten zachodzi przypadkowo – fotony powstają w różnych kierunkach, co daje światło niespójne.
2. Absorpcja
Foton może zostać pochłonięty przez atom i dostarczyć mu energii niezbędnej do przejścia do stanu wzbudzenia – to proces odwrotny do emisji.
3. Emisja wymuszona – klucz do działania lasera
Emisja wymuszona zachodzi, gdy foton zbliża się do wzbudzonego atomu i „uruchamia” emisję drugiego fotonu o identycznych parametrach (długości fali, fazie i kierunku), sam nie ulegając absorpcji. To właśnie emisja wymuszona umożliwia wzmacnianie światła w laserze.
Jak atom przechowuje i uwalnia energię
Atomy mogą być wzbudzane na trzy sposoby – optycznie, elektrycznie lub cieplnie.
Po wzbudzeniu energia nie jest magazynowana bez końca – atomy pozbywają się jej dwiema drogami: przejściem promienistym – poprzez emisję fotonu; oraz przejściem niepromienistym – przez oddanie energii w postaci ciepła.
W laserze kluczowe jest osiągnięcie inwersji obsadzeń – stanu, w którym więcej atomów znajduje się w poziomie wzbudzonym niż w podstawowym. To warunek konieczny do uzyskania wzmocnienia światła.
Proces amplifikacji światła w rezonatorze
Działanie lasera można wyobrazić sobie jako pudełko wyłożone lustrami, w którym krąży kilka fotonów. Oto przebieg procesu:
-
Pompowanie energii – układ pompujący wzbudza ośrodek czynny, tworząc inwersję obsadzeń;
-
Emisja spontaniczna – pierwsze fotony pojawiają się samorzutnie; te poruszające się wzdłuż osi rezonatora są najistotniejsze;
-
Odbicia i wzmacnianie – fotony odbijają się między lustrami i przechodzą przez ośrodek czynny, inicjując emisję wymuszoną kolejnych fotonów;
-
Lawina fotonów – z każdym przejściem liczba fotonów rośnie aż do przekroczenia progu pracy rezonatora;
-
Emisja wiązki – część promieniowania opuszcza półprzepuszczalne lustro, tworząc wąską, spójną wiązkę laserową.
Fotony emitowane w przypadkowych kierunkach nie wzmacniają wiązki – szybko opuszczają ośrodek aktywny.
Dioda laserowa – laser półprzewodnikowy
Dioda laserowa (laser półprzewodnikowy) to miniaturowy laser z ośrodkiem czynnym w obszarze złącza p–n. Efekty laserowe zachodzą tu w bardzo małej objętości, co sprzyja wysokiej sprawności i kompaktowym rozmiarom urządzenia.
Struktura diody laserowej
Dioda laserowa zawiera:
- warstwę aktywną – umieszczoną w rezonatorze optycznym, gdzie generowane jest światło;
- dwa lustra – tworzące rezonator i wielokrotnie odbijające promieniowanie;
- system pompowania – zasilanie prądem elektrycznym.
Działanie diody laserowej
Z elektrycznego punktu widzenia dioda laserowa pracuje jak regulowane źródło światła sterowane prądem. Przebieg działania wygląda następująco:
-
Zasilanie prądem – przez złącze p–n płynie prąd; elektrony i dziury rekombinują w obszarze złącza;
-
Emisja spontaniczna – przy niskim prądzie powstaje niespójne światło (dioda świeci jak LED);
-
Osiągnięcie progu laserowego – po przekroczeniu prądu progowego w małej objętości złącza pojawia się inwersja obsadzeń;
-
Amplifikacja promieniowania – powyżej progu dominuje emisja wymuszona; moc optyczna rośnie proporcjonalnie do gęstości prądu;
-
Generacja spójnego światła – fotony poruszające się wzdłuż osi rezonatora inicjują lawinę kolejnych fotonów o identycznych parametrach.
Prąd progowy zależy silnie od konstrukcji diody i jakości rezonatora. Diody laserowe są bardzo wydajne, bo bezpośrednio przekształcają prąd elektryczny w promieniowanie laserowe.
Właściwości światła laserowego
Światło emitowane przez laser ma trzy kluczowe cechy, które wynikają z emisji wymuszonej:
- koherentność – fotony mają tę samą fazę i długość fali, więc wiązkę można silnie skupić;
- kierunkowość – fotony biegną w tym samym kierunku, zamiast rozpraszać się na boki;
- monochromatyczność – długość fali jest ściśle określona przez ośrodek czynny i rezonator.
Dzięki tym właściwościom wiązka może być skupiona na bardzo małej powierzchni, osiągając wysoką gęstość energii.
Praktyczne zastosowania diod laserowych
Sensoryka i pomiary
Diody laserowe pracują w czujnikach optycznych: wiązka odbija się od obiektu i trafia na fotoelement, a sygnał przetwarzany jest przez kontroler. Dalmierze optyczne określają dystans na podstawie różnicy faz między światłem wysłanym a odebranym.
Epilacja laserowa
Laser diodowy w depilacji wykorzystuje kontrolowaną długość fali, którą pochłania melanina. Energia zamienia się w ciepło niszczące mieszki włosowe, co ogranicza odrastanie włosów.
Telekomunikacja
Diody laserowe są sercem łączy optycznych – modulowana wiązka przenosi dane na duże odległości przez włókna światłowodowe.
Elektronika konsumencka
Lasery diodowe odczytują dane z nośników optycznych (DVD, Blu‑ray) – precyzyjnie skanują powierzchnię dysku modulowaną wiązką.
Zasilanie diody laserowej
Ze względu na wrażliwość na wahania prądu diody laserowe wymagają dedykowanego sterowania. Układ zasilający powinien być sterowanym źródłem prądowym, które reguluje prąd diody na podstawie sygnału z fotodiody sprzężenia zwrotnego. Taki układ precyzyjnie kontroluje moc optyczną i chroni diodę przed uszkodzeniem.