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?

Podstawy teoretyczne niezbędne do zbudowania lasera stworzył Albert Einstein w 1917 roku i to właśnie z tym zagadnieniem, a nie z teorią względności, związana jest otrzymana przez niego Nagroda Nobla. Od teorii do praktyki droga była daleka, bo dopiero w 1950 roku Alfred Kastler, również laureat Nagrody Nobla, rozwiązał najważniejszy problem techniczny, umożliwiając konstrukcję pierwszego urządzenia. Dzięki licznym usprawnieniom technologia ta stała się tania i szybko trafiła pod strzechy, głównie za sprawą popularyzacji napędów CD-ROM/DVD oraz drukarek laserowych.

Dioda laserowa z odtwarzacza płyt CD/DVD

Dioda laserowa z odtwarzacza płyt CD/DVD

Dzisiaj laserowa korekta wzroku nie brzmi już jak cytat z powieści popularnonaukowej, a sama technologia stała się niezastąpiona w większości dziedzin naszego życia – od wojska, przez przemysł, aż po szeroko rozumianą rozrywkę – i zdaje się wciąż nabierać rozpędu. I choć prawdopodobnie każdy miał kiedyś w ręku laser, to mało kto w pełni rozumie, czym jest i jak działa laser.

Czym jest laser?

Laser to przyrząd, który świeci. Różni się on od tradycyjnej żarówki tym, że uruchomiony w ciemnym pokoju nie rozświetli go w całości – zamiast tego zobaczymy na jednej ze ścian maleńką „kropkę” bardzo intensywnego światła. Wynika to z tego, że jego promienie świetlne poruszają się równolegle względem siebie, nie rozpraszają się tak jak w przypadku światła latarki lub lampy. Nierozproszone światło ma wiele zalet. Pozwala wskazać wybrany punkt na ekranie rzutnika z drugiego końca sali, a także precyzyjnie oświetlić mikroskopijne wgłębienia na płycie CD z odległości milimetra.

Zielony laser wykorzystywany w laboratorium

Zielony laser wykorzystywany w laboratorium

Laserowe promienie świetlne nie tylko są względem siebie równoległe, ale w zasadzie są swoimi doskonałymi kopiami, dzięki czemu możliwe jest też przesyłanie znacznych porcji energii do bardzo małego obszaru. Stosuje się to np. przy cięciu blachy, kiedy to światło lasera dosłownie odparowuje stal, na którą pada. Laser może również przesyłać precyzyjnie dawkowaną energię do miejsc o określonej barwie, co wykorzystują np. depilatory laserowe – nie bez powodu osoby z ciemnym owłosieniem osiągają lepsze rezultaty przy takich zabiegach; ciemny włos „przechwytuje” więcej energii i szybciej ulega podgrzaniu, podczas gdy jasna skóra i jasny włos większość tej energii odbijają.

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

Mając powyższe na uwadze, warto sobie uświadomić, jak światło lasera może wpłynąć na ludzki organizm. Pamiętajmy, że obcowanie z laserami niesie ze sobą duże ryzyko zwłaszcza dla naszych oczu, które są bardzo wrażliwym organem – nawet światło „bazarowego” wskaźnika laserowego skierowane wprost na siatkówkę oka może je nieodwracalnie uszkodzić!

Rodzaje laserów

Spójną, „laserową” wiązkę światła możemy uzyskać na kilka sposobów. Generatory takich wiązek mogą korzystać z różnych ośrodków, w których powstaje promieniowanie świetlne, dlatego dzielimy je na:

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

Najpowszechniejsze stały się lasery półprzewodnikowe, ponieważ są tanie i mają małe rozmiary. Typowa dioda laserowa – bo tak nazywa się półprzewodnikowy przyrząd pełniący tę funkcję – ma średnicę kilku milimetrów i można ją znaleźć np. w popularnych wskaźnikach laserowych. Diody laserowe co do zasady działają podobnie jak popularne diody świecące (LED), które zostały omówione w naszym darmowym kursie elektroniki.

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)

Jak działa dioda laserowa (laser półprzewodnikowy)?

Diody laserowe i LED różnią się nieco budową. Najważniejszą różnicą jest pokrycie w diodzie laserowej dwóch stron obszaru półprzewodnikowego warstwami odbijającymi światło. Jedna z nich odbija je całkowicie (działa jak lustro), a druga niecałkowicie. Układ tych dwóch zwierciadeł to tzw. rezonator optyczny, ponieważ fala świetlna może się między nimi wielokrotnie odbijać.

Budowa diody laserowej

Budowa diody laserowej

Przeglądając się w lustrze i mając za plecami inne lustro, można doświadczyć wielokrotnego odbicia na własne oczy. Można też poznać w praktyce zasadę działania lustra weneckiego (zwanego też fenickim), które z jednej strony zachowuje się jak zwykłe lustro, a z drugiej jak przeźroczyste szkło. Podobny efekt uzyskamy, zapalając w nocy silne światło w pokoju – w oknie zobaczymy jedynie własne odbicie, ale ludzie na zewnątrz będą widzieli nasz pokój ze wszystkimi szczegółami. Podobnie działa w diodzie laserowej ta druga warstwa, nazywana zwierciadłem półprzepuszczalnym.

Lustro weneckie kojarzone jest często z pokojami do przesłuchań

Lustro weneckie kojarzone jest często z pokojami do przesłuchań

Zastanawiacie się, co to oznacza dla lasera? Światło wygenerowane w strukturze półprzewodnikowej nie będzie mogło jej tak łatwo opuścić, jak to się dzieje w przypadku zwykłych diod LED. Barierą są zwierciadlane powłoki. Dopiero kiedy energia tej wiązki będzie dostatecznie duża, uda jej się przedostać przez warstwę półprzepuszczalną.

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.

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 lub  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: 117

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...