Jak działa laser? Czym jest dioda laserowa?

Jak działa laser? Czym jest dioda laserowa?

Lasery są z nami od ponad 70 lat i można je znaleźć w niemal każdym domu. Ilu z Was jednak zastanawiało się nad tym, czym jest oraz jak działa laser?

Światło laserowe i jego właściwości fascynują ludzi (i koty) od dawna. Jak to się dzieje, że laser świeci inaczej niż żarówka?

Za stworzenie naukowych podstaw do budowy lasera odpowiada Albert Einstein. Właśnie jego odkrycie z 1917 roku - a nie, jak powszechnie się uważa, teoria względności - przyczyniło się do przyznania temu uczonemu Nagrody Nobla. Musiało upłynąć jednak jeszcze wiele lat, zanim powstał pierwszy laser - kto wynalazł to urządzenie? W 1950 roku Alfred Kastler - również nagrodzony Nagrodą Nobla - znalazł sposób na usunięcie technicznych ograniczeń i stworzył podwaliny dla pierwszego lasera. Dalsze udoskonalenia sprawiły, że cena technologii znacznie się obniżyła, a urządzenia korzystające z laserów wykorzystane zostały m.in. w popularnych napędach CD-ROM/DVD oraz drukarek laserowych.

Dioda laserowa z odtwarzacza płyt CD/DVD

Dioda laserowa z odtwarzacza płyt CD/DVD

Aktualnie napotkamy lasery w medycynie - bo są one  doskonałym narzędziem operacyjnym m.in. do przeprowadzania korekty wzroku - a także w wielu innych mniej lub bardziej sprofesjonalizowanych branżach, w tym w rozrywce, przemyśle oraz wojskowości. Można odnieść wrażenie, że rozwój technologii bazujących na laserach dopiero się rozpędza. I choć prawdopodobnie każdy miał kiedyś w ręku choćby zabawkę z takim elementem, to nie wszyscy potrafią wyjaśnić, jak działa laser.

Lasery: zasada działania

Najprościej mówiąc: laser jest przyrządem, który świeci. Działa jednak inaczej, niż tradycyjna żarówka, ponieważ po jego włączeniu w ciemnym pomieszczeniu nie zobaczymy rozproszonego światła, a jedynie bardzo intensywnie świecącą kropkę powierzchni, na którą pada wiązka laserowa. Taki efekt wynika z faktu, że promienie świetlne lasera zamiast rozpraszać się w różnych kierunkach (jak w lampie), biegną niemal równolegle względem siebie.

Fakt, że światło nie ulega rozproszeniu, znalazł zastosowanie w prostych urządzeniach, np. we wskaźnikach - np. do wskazania wybranego punktu na ekranie rzutnika, nawet gdy prelegent znajduje się w odległości kilku..kilkunastu metrów. Inne zastosowanie to dioda laserowa precyzyjnie oświetlająca mikroskopijne wgłębienia na płycie CD z odległości kilku milimetrów.

Zielony laser wykorzystywany w laboratorium

Zielony laser wykorzystywany w laboratorium

Fakt, że promienie świetlne lasera są równoległe względem siebie to nie wszystko: są one bowiem również swoimi idealnymi „kopiami”. Dzięki temu możliwe staje się przekazywanie za ich pomocą sporych porcji energii do niewielkiego obszaru. To zjawisko wyjaśnia, do czego służy laser np. w maszynach tnących - skoncentrowane światło padając na stal wręcz ją odparowuje. Inne zastosowanie napotkamy w gabinetach kosmetycznych. Lasery w kosmetologii pozwalają wykorzystać w praktyce możliwość przesyłania ściśle określonych porcji energii do miejsc o określonej barwie. To sprawia, że depilatory laserowe okazują się skuteczniejsze u osób z ciemnym owłosieniem, ponieważ ciemne włosy mocniej pochłaniają energię i szybciej się nagrzewają. Natomiast jasne włosy - a także jasna skóra - odbijają większość energii.

Jak działa laser? Najważniejsze informacje w skrócie

Laser do działania wykorzystuje zjawisko wielokrotnego odbicia fali świetlnej. Fotony, pędząc przez laser i odbijając się od jego brzegów pokrytych specjalnymi lustrami, zderzają się z atomami wzbudzonymi przez zewnętrzne źródło zasilania.

Podczas zderzenia uwalniają drobne porcje energii, które okazują się dokładnymi kopiami fotonów, które je uwolniły. Liczba tych fotonów rośnie lawinowo, a gdy przekroczy pewną krytyczną wartość, promieniowanie „przebija się” przez jedno z luster i wydostaje na zewnątrz w postaci wiązki światła o niezwykłych właściwościach.

Jaka jest definicja światła?

Jeśli los obdarzył nas zdrowymi oczami, to pojęcie światła jest dla nas instynktowne. Rozpatrując je jednak jako zjawisko fizyczne, jego natura – precyzyjnie przybliżona równaniami i teoriami – wciąż spędza sen z powiek wielu fizykom.

W 1861 roku pewien genialny fizyk, James Clerk Maxwell, jako pierwszy udowodnił, że elektryczność i magnetyzm to tak naprawdę jedno i to samo zjawisko – elektromagnetyzm. Zaproponowane przez niego „równania Maxwella” znajdziemy nadrukowane na koszulkach studentów fizyki na całym świecie.

Tzw. postać różniczkowa równań Maxwella

Tzw. postać różniczkowa równań Maxwella

To właśnie Maxwell odkrył także, że widzialne światło jest falą elektromagnetyczną – taką samą jak np. fale radiowe. Jeżeli częstotliwość fali jest odpowiednio wysoka, to możemy ją „odebrać” naszymi oczami, niczym radio nastawione na wybrane stacje muzyczne. Wtedy właśnie tego typu falę nazywamy potocznie światłem, a dokładniej – światłem widzialnym.

Czym są fotony?

Z pojęciem fali świetlnej wiąże się także pojęcie fotonu. Jest to elementarna (najmniejsza, niepodzielna), będąca odpowiednikiem najmniejszej porcji energii cząstka, która może zostać wypromieniowana. Porcja taka jest nazywana kwantem i od tej nazwy wywodzi się określenie „mechanika kwantowa”.

Fale spójne i niespójne

Światło, które nas otacza, pochodzi z różnych źródeł i niemal zawsze jest też wielokrotnie odbite – od luster, jasnych ścian, pary wodnej w chmurach, a nawet składowych elementów ludzkiego oka. Jeżeli fale pochodzą z różnych źródeł, to jest całkiem oczywiste, że każda z nich „żyje swoim życiem”. Na przykład do naszych oczu, które czytają ten tekst, dociera światło emitowane przez:

  • ekran,
  • lampkę w pokoju,
  • wyświetlacz elektronicznego zegara,
  • uliczną latarnię itd.

Każde z nich pochodzi z innego kierunku, a nawet z innego źródła. Światło z latarni może także odbijać się od ściany naprzeciw okna, a lampka może oświetlić taflę herbaty w kubku, by następnie oślepiać nas lekko refleksem odbitym od szkła okularów. Parametry tych fal świetlnych różnią się między sobą, niekiedy nawet znacząco. Mają inne natężenie, inną barwę, ogólnie – chaos. O takim świetle fizyk powie, że jest niespójne (lub niekoherentne).

Fale świetlne docierające do ludzkiego oka

Fale świetlne docierające do ludzkiego oka

Uprośćmy teraz sytuację: włączmy żarówkę w dużej, ciemnej i pustej piwnicy. Barwa emitowanego światła jest stała, ale światło „rozchodzi się” na wszystkie strony. Nawet jeśli umieścimy żarówkę w latarce z odbłyśnikiem, to i tak plama światła oświetli dużą część naszej piwnicy, a nie tylko punkt, na który zwrócimy latarkę. Fotony w żarówce generowane są chaotycznie i chaotycznie rozchodzą się po otoczeniu, każda fala świetlna jest nieco inna. Takie światło nadal nie jest spójne.

Przykład niekoherentnego źródła światła

Przykład niekoherentnego źródła światła

Jak już pewnie się domyślacie, aby światło było spójne (koherentne), wszystkie emitowane fale muszą być identyczne, czyli mieć te same parametry. Muszą drgać w tym samym tempie i rozchodzić się w tym samym kierunku. Gdyby nasza latarka generowała wiązkę spójnego światła, to na ścianie naprzeciw zobaczylibyśmy maleńki punkt. Mielibyśmy w dłoni źródło światła laserowego.

Koherentne fale świetlne

Koherentne fale świetlne

Parametry światła koherentnego

Przede wszystkim światło laserowe może przemierzać bardzo długi dystans bez charakterystycznego rozproszenia. Plamka zostawiana przez wskaźnik na ekranie ma zawsze tę samą średnicę, niezależnie od odległości. Dzięki temu możemy na coś wskazać, stojąc zarówno 0,5 m, jak i 5 m od ekranu.

Drugą istotną cechą jest skupienie całej energii generowanego światła w wiązce o bardzo małej średnicy. Aby to lepiej zobrazować, można wyobrazić sobie rozpalanie ogniska przy pomocy lupy. Stosuje się ją, by zogniskować odrobinę światła słonecznego na niewielkim punkcie łatwopalnego materiału. Podobnie źródło laserowe niemal całą wyemitowaną energię skupia w jednym punkcie – tyle że bez użycia lupy. Odpowiednia moc i częstotliwość fali świetlnej lasera rozgrzewa bardzo mały obszar materiału do bardzo wysokich temperatur, powodując jego topnienie lub nawet „odparowanie”. Z tego powodu laserów używa się często do grawerowania lub cięcia nawet grubych stalowych blach!

Ploter laserowy wykorzystywany do cięcia różnych materiałów

Ploter laserowy wykorzystywany do cięcia różnych materiałów

Czy laser szkodzi na oczy?

Powyższy przykład pozwala zrozumieć, dlaczego laser jest niebezpieczny dla ludzkiego organizmu - w tym przede wszystkim dla narządu wzroku. Mocno skoncentrowane światło może nieodwracalnie uszkodzić siatkówkę oka. Nie ma tu znaczenia, czy mamy do czynienia z mocnym laserem do zastosowań przemysłowych, czy wskaźnikiem kupionym w kiosku.

W każdym przypadku należy pamiętać, że absolutnie niedozwolone jest kierowanie promienia lasera w stronę oczu, natomiast podczas pracy z jakimikolwiek urządzeniami, w których promień lasera jest widoczny, należy zawsze stosować okulary ochronne. Warto o tym pamiętać zwłaszcza obecnie, gdy producenci chętnie stają do wyścigu o to, który laser jest najmocniejszy, a odbiorcy mogą nabyć komercyjnie dostępne lasery o mocy 1,5 W czy nawet 5 W.

Typ lasera a jego właściwości

Istnieje kilka metod uzyskiwania spójnej wiązki światła. Podstawą do klasyfikacji rodzajów laserów jest ośrodek, w którym powstaje promieniowanie świetlne. Generatory możemy zatem podzielić na 3 grupy:

  • półprzewodnikowe,
  • gazowe,
  • inne (na ciele stałym lub cieczy).

W różnych zastosowaniach najbardziej upowszechniły się lasery półprzewodnikowe - zarówno ze względu na poręczne, niewielkie rozmiary, jak i niską cenę. Najpopularniejsza dioda laserowa - ponieważ właśnie ona stanowi generator wiązki światła - ma niewielkie wymiany (kilka mm średnicy). Tego typu elementy stosowane są np. we wskaźnikach laserowych.

Dioda do lasera bazuje na podobnej zasadzie, co znacznie popularniejsze diody LED (świecące) - więcej informacji na ich temat znajdziesz w naszym bezpłatnym kursie elektroniki. W tym miejscu nadmienimy jedynie, że jeśli w danym projekcie pojawi się dioda laserowa, symbol oznaczający ją na schemacie ideowym będzie zwykle identyczny, jak symbol konwencjonalnej diody LED.

Przykładowa tania dioda laserowa (źródło zdjęcia: Jet Propulsion Laboratory z Wikipedii, autor nieznany)

Przykładowa tania dioda laserowa (źródło zdjęcia: Jet Propulsion Laboratory z Wikipedii, autor nieznany)

Dioda laserowa - budowa i zasada działania

Różnokolorowe diody LED, spotykane powszechnie w urządzeniach elektronicznych czy zabawkach, są konstrukcyjnie prostsze od laserowych. Aby wyjaśnić, jak działa dioda laserowa, odwołamy się do prostych eksperymentów ze zwykłymi lustrami. Jeśli osoba, która przegląda się w lustrze, będzie miała za plecami inną taflę, wówczas odbicie zwielokrotni się.

Wielokrotne odbicie to pierwsze z interesujących nas zjawisk. Drugie natomiast można porównać do lustra fenickiego (weneckiego), które z jednej strony jest przezroczyste jak szyba okienna, natomiast z drugiej strony odbija wszystko jak lustrzana tafla. Zbliżony efekt pojawia się również po włączeniu światła w pomieszczeniu nocą - gdy w oknie możemy zobaczyć jedynie własne odbicie, natomiast osoby znajdujące się na zewnątrz mogą zobaczyć wszystkie szczegóły oświetlonego wnętrza.

Budowa diody laserowej

Budowa diody laserowej

W diodzie laserowej obie strony obszaru półprzewodnikowego pokryte są warstwami, które odbijają światło - jedna całkowicie niczym lustro, druga (zwana zwierciadłem półprzepuszczalnym) częściowo. Układ obu tych zwierciadeł tworzy rezonator optyczny, którego zadaniem jest wielokrotne odbijanie fali świetlnej.

Lustro weneckie kojarzone jest często z pokojami do przesłuchań

Lustro weneckie kojarzone jest często z pokojami do przesłuchań

Znajomość budowy jest niezbędna do zrozumienia, jak działa dioda laserowa. Podłączenie jej w urządzeniu i włączenie zasilania sprawia, że światło wygenerowane w strukturze półprzewodnikowej, uwięzione w rezonatorze (między zwierciadlanymi powłokami) nie może go opuścić, jak miałoby to miejsce w przypadku zwykłych diod LED. Energia wiązki musi uzyskać odpowiedni poziom, aby przedostać się przez półprzepuszczalną warstwę.

Optyczna pompa z luster

Po podłączeniu źródła zasilania (np. baterii) do diody laserowej w jej strukturze zacznie płynąć prąd, co spowoduje powstawanie fotonów. Niektóre z tych fotonów będą odbijać się między lustrzanymi krańcami struktury, przelatując przez cienki obszar złącza półprzewodnikowego. Część z nich zderzy się też z tzw. atomami wzbudzonymi, czyli takimi, które zaabsorbowały trochę energii i chętnie się jej „pozbędą”. Skąd ta energia? Oczywiście ze źródła zasilania.

„Wybijanie” fotonów ze wzbudzonego atomu

„Wybijanie” fotonów ze wzbudzonego atomu

Czemu chcemy, aby takich zderzeń było jak najwięcej? Ponieważ wtedy atom wraca do swojego stanu podstawowego (traci nadmiarową energię), generując przy tym foton identyczny z tym, który w niego uderzył. Mamy w ten sposób dwa fotony, które zachowują się identycznie. Ten mechanizm nazywa się w fizyce emisją wymuszoną.

Jeżeli te bliźniaczo podobne fotony będą dalej przemieszczać się po obszarze półprzewodnika, liczba ich „kopii” drastycznie wzrośnie. Powstanie wówczas bardzo duża liczba identycznych fotonów, które odbijają się od zwierciadła do zwierciadła. Po osiągnięciu dostatecznie wysokiego natężenia światła taka wiązka może opuścić laser przez powłokę półprzepuszczalną. Uzyskaliśmy światło spójne!

Część fotonów musi ciągle krążyć w strukturze, powodując emisję wymuszoną. Inaczej mówiąc, stanowią one wzorce do skopiowania dla wzbudzonych atomów. Zapewnia to zwierciadło półprzepuszczalne, odbijając część fotonów.

Jaką jednak mamy pewność, że akcja laserowa – czyli „kopiowanie” fotonów przy użyciu atomów wzbudzonych – będzie przebiegała dokładnie między zwierciadłami, a nie w innej płaszczyźnie? O to musi zatroszczyć się producent lasera. Najczęściej pozostałe, nieużywane powierzchnie są pokrywane matową warstwą, która źle odbija światło, a w wielu przypadkach nawet je pochłania.

Budowa diody laserowej

Budowa diody laserowej

Zwykła dioda LED nie ma wbudowanego rezonatora optycznego, nie ma też odpowiednio ukształtowanej struktury. Dlatego jej świecenie odbywa się na drodze tzw. emisji spontanicznej – fotony są wytwarzane przypadkowo, w różnych kierunkach. O spójności takiego światła nie ma zatem mowy.

Wspomnieliśmy wcześniej, że tylko część fotonów weźmie udział w akcji laserowej. To prawda – te, których parametry nam nie odpowiadają, zostaną po prostu pochłonięte gdzieś w obrębie struktury półprzewodnikowej. Przekształcą się w ciepło, które trzeba odprowadzić. Obudowy diod laserowych są zwykle metalowe, przez co łatwiej jest je chłodzić.

Jak działa laser gazowy?

Innym typem lasera, również dobrze rozpowszechnionym, jest laser gazowy. Używa się go głównie w przemyśle (cięcie, spawanie, grawerowanie), medycynie, kosmetyce, badaniach naukowych itd. Jego zasada działania jest taka sama, natomiast od lasera półprzewodnikowego różni się wspomnianym ośrodkiem, w którym zachodzi powstawanie światła, a co za tym idzie – inna jest także jego budowa.

Gaz – najczęściej dwutlenek węgla, argon, azot lub specjalna mieszanka – jest zamknięty w rurce pod odpowiednim ciśnieniem. Na końcach tej rurki znajdują się znane nam już zwierciadła. Jedno z nich jest półprzepuszczalne, a drugie odbija światło całkowicie. Pompowanie takiego lasera odbywa się poprzez przyłożenie do elektrod w rurce (anody i katody) wysokiego napięcia stałego.

Budowa lasera gazowego

Budowa lasera gazowego

Po włączeniu zasilania znajdujący się w rurce gaz zaczyna świecić pod wpływem wyładowania elektrycznego – dokładnie tak samo jak neonówka w podświetlanym wyłączniku światła. Jednocześnie część atomów tego gazu przejmuje dostarczoną energię i przechodzi do stanu wzbudzonego. Fotony, które odbijają się między zwierciadłami, generują następne fotony, będące ich doskonałymi kopiami.

Inne rodzaje: laser rubinowy, laser barwnikowy

Promieniowanie laserowe można uzyskać również z innych materiałów – ciała stałego, np. kryształu (laser rubinowy), albo… z barwnika rozpuszczonego w odpowiedniej cieczy (tzw. laser barwnikowy). Podstawowa zasada działania jest taka sama: potrzebują one rezonatora optycznego i pompowania, czyli dostarczania energii do atomów ośrodka czynnego.

Laser - ile kosztuje?

Cena urządzeń generujących wiązkę światła laserowego jest oczywiście ogromnie zróżnicowana i zależy od tego, jakie jest przeznaczenie produktu, jego funkcjonalności czy też poziom zaawansowania technicznego. Samą laserową diodę można kupić już za kilka zł, podobnie jak "bazarowe" breloczki.

Mocniejsze wskaźniki laserowe - wykorzystywane np. w placówkach edukacyjnych - to wydatek rzędu kilkudziesięciu złotych (od ok. 25 zł do ok. 50 zł). Bardziej zaawansowane urządzenia, np. wycinarki laserowe kosztują od kilkunastu do kilkudziesięciu tysięcy złotych i więcej.

Dlaczego laser jest np. czerwony lub zielony?

Niezależnie od tego, z czego wykonany jest laser, jedna cecha pozostaje wspólna: emitowane światło jest zawsze monochromatyczne. Może mieć ono tylko jedną barwę. Tak naprawdę laser czerwony jest po prostu najpopularniejszy, bo jego cena przez długi czas była najniższa – chyba każdy z nas bawił się kiedyś takim wskaźnikiem; dopiero później na rynku pojawiło się więcej wskaźników zielonych. Przełomowe było uzyskanie lasera niebieskiego, co doprowadziło m.in. do powstania wciąż popularnej technologii płyt Blu-ray, które potrafią przechować więcej informacji niż np. 15 płyt DVD.

W praktyce światło lasera może być tylko monochromatyczne

W praktyce światło lasera może być tylko monochromatyczne

Światło lasera może być czerwone, zielone, niebieskie lub w ogóle niewidoczne dla ludzkich oczu (podczerwone bądź  UV). Warto jednak zapamiętać, że pojedynczy laser nie może świecić np. na biało, bo światło białe tak naprawdę jest mieszaniną wielu barw podstawowych. W praktyce oznaczałoby to konieczność mieszania wiązek z różnych laserów, a ich „zmieszane” światło nie będzie już miało charakterystyki typowej dla światła laserowego.

Czy wpis był pomocny? Oceń go:

Średnia ocena 4.8 / 5. Głosów łącznie: 135

Nikt jeszcze nie głosował, bądź pierwszy!

Artykuł nie był pomocny? Jak możemy go poprawić? Wpisz swoje sugestie poniżej. Jeśli masz pytanie to zadaj je w komentarzu - ten formularz jest anonimowy, nie będziemy mogli Ci odpowiedzieć!

Źródła: [1], [2]
Autorzy: Michał Kurzela, Damian Nowak

Jak działa drukarka laserowa? Czym jest bęben światłoczuły?
Jak działa drukarka laserowa? Czym jest bęben światłoczuły?

Drukarki laserowe na dobre zadomowiły się w naszych domach i firmach, mało kto zdaje jednak sobie sprawę, jak działa drukarka…... Czytaj dalej »

dioda, dioda laserowa, jtd, laser, wskaźnik

Trwa ładowanie komentarzy...