Laserele sunt fascicule intense de lumină concentrată. Aceste fascicule sunt suficient de puternice pentru a tăia bucăți de metal și pentru a face zoom la kilometri întregi pe cer. Deși tehnologia laser pare nouă, ea este prezentă de aproape șase decenii: primul laser practic a fost dezvoltat în 1960. De atunci, laserele au continuat să crească și să înflorească.
Termenul LASER este un acronim pentru “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” (Amplificare a luminii prin emisie stimulată de radiații). Aceasta înseamnă că un dispozitiv laser emite lumină cu ajutorul unui amplificator optic bazat pe emisia stimulată de radiații electromagnetice.
Un laser este o sursă de lumină avansată, care este foarte diferită de un bec și de o lanternă. Mai jos, am explicat cum funcționează un laser și unde anume sunt utilizate diferitele tipuri de laser. Să începem cu o întrebare de bază.
Ce este un laser?
Definiție: Un laser este un dispozitiv mic, dar puternic, care produce un fascicul îngust de radiații. Această radiație se încadrează într-o gamă largă a spectrului electromagnetic, de la raze gamma la unde radio.
Fasciculele intense de lumină produse de lasere au trei caracteristici principale: sunt
- Monocromatice (lungimea de undă a luminii laser este extrem de pură)
- Coerente (toți fotonii care alcătuiesc un fascicul laser au o relație de fază fixă unul față de celălalt)
- Foarte colimate (razele de lumină sunt exact paralele).
Prin ce se deosebește de sursa de lumină convențională?
Lumina se deplasează ca o undă, iar distanța dintre două vârfuri succesive ale unei unde este cunoscută sub numele de lungime de undă. Culoarea luminii depinde de lungimea sa de undă. De exemplu, lumina roșie are o lungime de undă mai mare decât lumina verde.
Razele care vin de la Soare sunt formate din mai multe lungimi de undă diferite. Ochii umani percep acest amestec de lungimi de undă ca lumină albă. În mod similar, un bec emite lumină cu lungimi de undă diferite.
Cu toate acestea, un laser este un dispozitiv complet diferit. Acesta nu există în natură. În schimb, este creat în mod artificial pentru a produce un fascicul de lumină intensă în care toate undele au o singură culoare (o singură lungime de undă) și toate se deplasează împreună în aceeași fază (vârfurile undelor sunt aliniate).
Acesta este motivul pentru care razele laser sunt foarte luminoase și înguste. Spre deosebire de o lanternă, ele pot parcurge distanțe foarte mari și se pot concentra pe un punct minuscul.
Cum funcționează un laser?
Moleculele și atomii se deplasează de obicei cu o anumită energie specifică. Atunci când primesc energie de la o sursă externă, ele se deplasează cu o energie relativ mai mare. Aceasta este ceea ce se numește o stare excitată.
Moleculele și atomii pot să elibereze această energie suplimentară și să revină la starea lor energetică inițială. Deseori, ele eliberează această energie suplimentară sub formă de lumină, iar acest fenomen este cunoscut sub numele de emisie spontană.
Atunci când alte molecule sau atomi cu energie ridicată se ciocnesc cu această lumină, ei emit lumină cu aceleași caracteristici (lungime de undă și fază). Acest proces este cunoscut sub numele de emisie stimulată.
Atunci când numărul de molecule și atomi cu energie ridicată (într-un spațiu limitat) este redus, lumina emisă este destul de slabă. Pentru a menține un număr mare de molecule și atomi într-o stare de energie ridicată se utilizează un proces numit amplificare a luminii. Acest lucru are ca rezultat un efect de avalanșă de emisie stimulată și, astfel, este emisă lumină intensă.
Pentru a consolida și amplifica și mai mult lumina într-o anumită direcție, se plasează două oglinzi față în față. Să înțelegem acest principiu pas cu pas.
I. O lampă cu bliț de mare intensitate este pornită și oprită pentru a injecta energie (sub formă de fotoni) în cristalul de rubin.
II. Atomii din cristal absorb această energie externă, iar electronii lor sar la un nivel energetic superior.
III. După câteva milisecunde, electronii revin la starea lor fundamentală (nivelul energetic inițial), expulzând un foton. Acest lucru se numește emisie spontană.
IV. Fotonii ejectați se deplasează cu viteza luminii în interiorul cristalului de rubin. Aceștia excită alți electroni în stări mai înalte, determinând emiterea mai multor fotoni prin procesul de emisie stimulată.
Practic, în această etapă, lumina (fotonii) a fost amplificată prin emisie stimulată de radiație. De aici și denumirea de LASER.
V. Oglinzile de la ambele capete ale cristalului mențin fotonii ricoșând înainte și înapoi. Una dintre oglinzi este făcută puțin mai puțin reflectorizantă pentru a lăsa o parte din fotoni să scape.
VI. Fotonii care scapă își găsesc drumul în lume sub forma unui fascicul intens de lumină laser.
Diferite tipuri de laser
Deoarece diferiți atomi pot fi aduși în stări de excitație în mai multe moduri diferite, putem construi diferite tipuri de lasere. Deși se știe că există mii de tipuri de lasere, cele mai multe dintre ele sunt utilizate doar în cercetare și experimente. Am enumerat cele mai comune șapte tipuri de lasere dezvoltate în ultima jumătate de secol.
1. Laser cu gaz
Laser cu heliu-neon la Universitatea din Chemnitz, Germania
Într-un laser cu gaz, un curent electric este descărcat printr-un anumit gaz pentru a crea lumină coerentă. Dezvoltat în 1960, acesta a fost primul laser care a funcționat pe principiul transformării electricității în lumină laser.
Laserele cu gaz pot fi clasificate în continuare în lasere chimice, cu excimer, cu ioni și cu vapori de metal. Toate acestea se bazează pe diferite gaze și sunt utilizate în scopuri foarte diferite.
2. Lasere cu stare solidă
Laser Nd:YAG cu lumină verde de 532 nm cu frecvență dublată de 532 nm
Acest tip de laser utilizează un mediu solid pentru a produce lumina laser, în loc de gaz, ca în cazul laserelor cu gaz. De obicei, mediul conține un material “gazdă” cristalin sau de sticlă, care este dopat cu ioni pentru a furniza stările energetice necesare.
Poate că cel mai frecvent utilizat laser cu stare solidă este granatul de aluminiu și ytriu dopat cu neodim (Nd:YAG). Aceste lasere emit lumină cu o lungime de undă de 1064 nm (în infraroșu) și sunt utilizate pentru mai multe aplicații, inclusiv în medicină, producție și dinamica fluidelor.
3. Lasere cu electroni liberi
Un laser cu electroni liberi numit FELIX la Institutul FOM pentru Fizica Plasmei Rijnhuizen | Wikimedia
În cazul laserelor cu electroni liberi, mediul de lasere conține electroni de mare viteză care se deplasează liber printr-o structură magnetică. Lungimea sa de undă de funcționare poate fi modificată în mod controlat și are cea mai largă gamă de frecvențe dintre toate tipurile de lasere – poate funcționa în lungimi de undă de la microunde și infraroșu la ultraviolete și raze X.
Deoarece aceste lasere pot produce lumină cu o lungime de undă foarte scurtă (până la câteva zecimi de nanometru), ele vor deveni un instrument esențial pentru caracterizarea materialelor la nivel atomic.
4. Laser cu colorant
Vedere de sus a colorantului rodamina 6G, care emite la 580 nm (galben).
După cum sugerează și numele, un laser cu colorant utilizează un colorant organic (o soluție lichidă) ca mediu de lasere. Spre deosebire de majoritatea laserelor cu stare solidă și cu gaz, acesta poate fi utilizat pentru o gamă mult mai largă de lungimi de undă, care se extinde de la 50 nm la 100 nm.
De exemplu, colorantul rodamina 6G poate fi configurat de la 560 nm (galben-verzui) la 635 nm (roșu-portocaliu) și poate genera impulsuri de până la 16 femtosecunde. Laserele cu coloranți sunt foarte versatile. Ei sunt utilizați în mai multe aplicații, inclusiv în medicină, spectroscopie și separarea izotopilor cu laser cu vapori atomici (ALVIS).
5. Lasere cu semiconductori
Lasere cu semiconductori care emit diferite lungimi de undă
Laserele cu semiconductori sunt similare cu diodele emițătoare de lumină care convertesc direct energia electrică în lumină. Acestea funcționează prin recombinarea electronilor și a găurilor prin intermediul tensiunii. Lungimea de undă a fasciculului emis depinde de materialul semiconductor utilizat.
Diodele laser moderne pot emite lumină din spectrul ultraviolet până la cel infraroșu. Acestea sunt cel mai frecvent tip de lasere produse și sunt utilizate în diverse dispozitive, inclusiv cititoare de coduri de bare, imprimante cu laser și echipamente de comunicare prin fibră optică.
6. Lasere cu fibră optică
3 lasere cu disc cu fibră optică
Într-un laser cu fibră, mediul activ de lasere este o fibră optică dopată cu elemente de pământuri rare, cum ar fi disprosiu, itterbiu, thuliu și erbiu. Lumina este ghidată datorită unui fenomen numit reflexie internă totală.
În comparație cu alte tipuri de lasere, laserul cu fibră oferă o putere de ieșire mare și poate asigura un câștig optic ridicat pe o distanță de mai mulți kilometri. Datorită raportului mare dintre suprafața sa și volum (care permite o răcire eficientă), poate suporta niveluri de kilowați de putere de ieșire continuă. De asemenea, acestea sunt fiabile și prezintă stabilitate la vibrații și o durată de viață extinsă.
7. Lasere cu pompaj nuclear
Principiul de funcționare al laserelor cu pompaj nuclear se bazează pe energia fragmentelor de fisiune. Mediul de lasere (tubul) este format din uraniu-235, care este supus unui flux ridicat de neutroni în miezul unui reactor nuclear.
În viitorul apropiat, această tehnologie poate atinge rate de excitație ridicate cu volume laser mai mici. Până în prezent, au fost propuse trei utilizări ale laserului cu pompare nucleară: propulsie (lansarea obiectelor pe orbită), producție (sudare cu tăiere adâncă) și programe de armament.
Citește: Tehnologia laser existentă este suficient de puternică pentru a atrage extratereștrii aflați la 20.000 de ani lumină distanță
Aplicații
Laserele au o tonă de aplicații care ne afectează viața de zi cu zi, iar cele mai multe dintre ele se încadrează în trei mari categorii:
- Transmiterea și procesarea informațiilor
- Furnizarea precisă a energiei
- Aliniere, măsurare și formare de imagini
Aceste categorii acoperă diverse aplicații, de la alinierea banală a tavanelor suspendate și sudarea de mare putere până la livrarea de energie precisă pentru intervenții chirurgicale delicate și măsurători de laborator ale proprietăților atomice.
LaWS la bordul USS Ponce | Wikimedia
De asemenea, armatele investesc masiv în tehnologiile laser și le folosesc pentru armele și sistemele lor avansate de rachete. Marina Statelor Unite, de exemplu, a instalat sistemul de armament cu laser AN/SEQ-3 (LaWS) pe navele de luptă. Este vorba despre o matrice laser cu semiconductori care poate fi configurată la o putere mică pentru a avertiza/dezactiva senzorii unei ținte sau la o putere mare pentru a distruge ținta la o distanță impresionantă.
Potrivit raportului, se așteaptă ca piața tehnologiei laser să crească la 16,9 miliarde de dolari până în 2024. Principalii factori care se așteaptă să stimuleze piața sunt cererea în creștere din partea verticalei de sănătate, performanța sporită a laserului față de metodele convenționale de prelucrare a materialelor și orientarea către producția de micro și nanodispozitive.
Citește: Cel mai puternic accelerator laser-plasmă
Întrebări frecvente
Ce este o imprimantă laser?
Imprimanta laser utilizează un fascicul de lumină focalizat pentru a transfera text și imagini pe hârtie. Aceasta poate produce imprimări mai clare decât imprimantele cu jet de cerneală, cu o rezoluție tipică de 600 de puncte pe inch sau mai mare.
Viteza unei imprimante laser depinde de mai mulți factori. De exemplu, imprimările cu grafică intensivă necesită mai mult timp de procesare. Cea mai rapidă imprimantă laser alb-negru poate imprima aproximativ 200 de pagini alb-negru pe minut, în timp ce cel mai rapid model color poate imprima mai mult de 100 de pagini pe minut. Ambele sunt eficiente și silențioase.
Cum funcționează un termometru laser?
Termometrele cu laser utilizează raze infraroșii pentru a măsura temperatura de suprafață a unui obiect.
Toate obiectele emit o anumită cantitate de energie sub formă de căldură, iar această căldură poate fi măsurată de un termometru cu infraroșu. Acesta utilizează diferența dintre razele infraroșii care ricoșează de la obiect și mediul înconjurător pentru a măsura temperatura de suprafață a obiectului.
Termometrul cu laser focalizează lumina provenită de la obiect sub formă de raze infraroșii și canalizează această lumină într-un detector numit termopile. Termopila transformă energia termică în semnale electrice, care sunt apoi afișate sub forma unei temperaturi.
Cât de departe poate ajunge un laser?
Distanța pe care o poate parcurge un laser depinde de puterea acestuia. Un laser de 700 de miliwați va ajunge mai departe decât un laser de 5 miliwați, deoarece are o divergență mai mică.
Un pointer laser de 1000 de miliwați va fi vizibil pe o distanță de 16 km. Deoarece laserele verzi (care au lungimi de undă de 510-570 nanometri) sunt de 5 până la 7 ori mai luminoase decât orice altă culoare de laser, acestea vor fi mai vizibile.
Citește și: 15 cele mai mari centrale nucleare din lume
Cât de puternic poate fi un laser?
În 2019, sistemul Thales a reușit să genereze cu succes laserul de intensitate ultra-înaltă la un nivel maxim de putere de 10 petawați, ceea ce echivalează cu 10 cvadrilioane de wați – aproximativ 1/17 din energia care iese din Soare.
