1. Laseri atomici si ionici

Atomii si moleculele de gaz ne fiind in retele cristaline, interactiunea dintre ele este mult mai slaba, ca rezultat largimea lor spectrala este mult mai mica. Din acest motiv monocromacitatea respectiv coerenta radiatiei la aceste tipuri de laseri este superioara celor cu mediu activ solid.

Deosebim doua mari categorii de laseri gazosi: atomici si moleculari. Primul laser atomic cu He-Ne avand ca mediul activ Ne a fost construit de grupul Javan in anul 1961 SUA.

In nul 1962 a fost construit primul laser romanesc cu He-Ne la IFA de catre colectivul condus de prof. Ion Agarbiceanu. De remarcat ca, in tara noastra cercetarile in acest domeniu a mers paralel cu cercetarile din marele laboratoare din strainatate.

Metoda de inversare a populatiilor la laserii cu gaz, in principiu se bazeaza pe ciocniri electronice si transfer de excitatie intr-o descarcare electrica. Principala cauza a largirii liniei spectrale la gaze rarifiate este efectul doppler. Considerand ca forma liniei doppler este gaussiana, se poate gasi amplificarea relativa a luminii intr-o descarcare electrica sub forma: , unde semilargimea liniei este ; in aceasta relatie M - masa atomului, - frecventa centrala a liniei. Coeficientul de amplificare pentru centrul liniei se poate exprima prin coeficientul Einstein A₂₁; , unde N₂ si N₁ sunt populatiile nivelelor 2 si 1, iar g₁ si g₂ ponderele statistice ale tranzitiei respective. Conditia de amplificare este data , .

Experimental a fost stabilit ca amplificarea in tubul de descarcare descreste inversproportinal cu raza tubului, G ~ G₀/r , unde G este amplificarea pentru un drum dus-intors a razei de lumina in rezonator, r raza tubului de descarcare.

Primele tuburi aveau un diametru de 6 - 10 mm, cea ce a inrautatit foarte mult conditia de excitare a emisiei laser. In momentul de fata majoritatea tuburilor de descarcare laser au un diametru de 1 - 2 mm.

Coeficientul de transmisie al oglinzii de extractie este 0,005 pentru tuburi laser scurte si 0,05 pentru laseri cu He-Ne lungi de cativa metri.

La neon s-a observat aproximativ 140 de tranzitii laser cuprinse in domeniul spectral 0,58 - 133 mm. Medii laser foarte bune sunt; Xe, He, Cs, Kr, Hg, N, O, C si altele.

Laserul He-Ne

In figura alaturata este redata schema nivelelor

Tranzitia 2P - 1P este interzisa. Depopularera nivelului 2P se poate face numai prin tranzitia pe 1S.

Mecanismul principal de inversare a populatiilor este transferul de excitatie de la He excitat pe nivelele 2¹S si 2³S la nivelurile 3s si 2s ale neonului . Este cunoscut ca transferul de excitatie ( ciocnire de speta a doua ) de forma: A^* + B A + B^* este un proces rezonant si reversibil. Probabilitatea de transfer este cu atat mai mare cu cat diferenta de niveluri este mai mica. Nivelurile energetice din schema satisfac aceasta conditie. Pentru ca transferul de excitatie st se fact de la He la Ne si nu invers, concentratia He trebuie sa fie mai mare decat cea a Ne. Raportrul presiunilor partiale este de ordinul 8 - 10. Depopularea nivelului inferior laser facandu-se prin tranzitia pe nivelul metastabil 1S , unde atomul poate sta un timp indelungat, duce spre egalizarea populatiilor acestui nivel cu cele ale nivelurilor inferiosre laser si cu aceasta la micsorarea diferentei de populatie dintre nivelurile superioare si inferioare laser, deci la disparitia emisiei laser. Pentru a iesi din acest impas, trebuie fortata depopularea nivelului 1S. Acest lucru se face prin ciocnirea atomilor de Ne de peretii incintei. In acest scop, tubul de descarcare trebuie sa fie de tip capilar cu diametru de ordinul drumului mediu mijlociu. Aceasta conditie a dus la limit. complicate deoarece si Ne poate fi excitat prin ciocniri electronice. Pentru tratarea corecta a problemei area diametrului tubului la 1 - 2 mm.

Fiecare nivel metastabil s are cate 4 subnivele si fiecare nivel p cate 10 subnivele. Aceasta inseamna ca exista un numar mare de posibilitati de tranzitie laser. Au fost realizate practic peste 30 tranzitii laser. Cele mai probabile sunt cele indicate in schema si anume:

3s₂ 3p₄ , l mm, 3s₂ 2p₄,   l mm,    2s₂ 2p₄,     l mm.

Analiza: ZINCUL - metabolismul zincului - rolul biochimic al zincului Proiect: Hidrogen, oxigen, sulf, carbon - elemente chimice

In schema de mai sus sunt mentionate tranzitiile pentru aceste radiatii laser. Procesele sunt mult mai complicate deoarece si Ne poate fi excitat prin ciocniri electronice. Din acest motiv trebuie eestudiat toti parametrii plasmei. Schema simplificata de mai sus arata principalele tranzitii ce intra in joc la aparitia fenomenului laser in acest sistem.

Schema de principiu de constructie a unui laser cu He-Ne este aratata in figura de mai jos.

Cavitatea rezonanta formata din doua oglinzi sferice este de tip confocal. Oglinzile sunt cu depuneri de straturi dielectrice, una din ele prezinta o mica transparenta, numita oglinda de extractie, a doua are un coeficent reflexie apropiat de 1. Capetele tubului capilar sunt inchise cu ferestre puse sub unghiul Brewster pentru polarizarea radiatiei laser ce se dezvolta in interiorul cavitatii.

In figura alaturata este redata curba de emisie a Ne, cu largire Doppler si modurile axiale ce se pot dezvolta in cavitatea rezonanta. Distanta dintre doua moduri este: , unde L este lungimea cavitatii rezonante.

La argon, semilargimea liniei de emisie

depinde de tipul de tranzitie. Astfel la cele trei linii principale de emisie laser semilargimiile sunt la: l , 3,39 ; 1,15 ; 0,6328 mm , 310 ; 920 ; 1700 MHz. Largimea naturala a liniei spectrale depinde inainte de toate de viata mediei a starii superioare laser. Pentru laserul cu Ne are valoarea de 16 Mz.

In sfarsit un rol important o are largimea liniei de rezonaia a cavitatii rezonante, care depinde de distanta dintre oglinzi si coeficientul de reflexie al acestora. Daca de exemplu L = 100 cm, iar coeficientii de reflexie la ambele oglinzi sunt identice egali cu 0,99, largimea liniei de rezonata este 1 Mz. Aceasta largime se micsoreaza pana la cateva sute de KHz, daca coeficientul de reflexie este 0,998 , cea ce se poate obtine cu actuala tehnica de depuneri ale straturilor subtiri.

Micsorand distanta dintre oglinzi, distanta dintre doua moduri consecutive poate deveni mai mare decat largimea liniei de emisie. In acest caz laserul va emite numai un singur mod axial, adica se obtine un laser monomod. Un calcul simplu ne arata ca la un laser monomod stabilitatea frecventei , unde este largimea naturala avand acelasi ordin de marime cu largimea liniei de rezonanta. O stabilizare foarte buna a frecventei radiatiei laser monomod se poate obtine prin diferite tehnici, care duc la o stabilitae de ordinul 10^-13, ceace este extraordinar. Astfel s-a obtinut cea mai monocromatic radiatie in domeniul optic. Timpul de coerenta aestei radiatii este de 10^-2 sec, lungimea de coerenta corespunzatoare este de ordinul 3.10⁶m. Astfel de radiatii stabilizate in frecventa sunt folosite in tehnologii de foarte inalta performormanta, ca microelectronica sau masuratori de foarte mare precizie.

Laserul cu argon ionizat.

Acest tip de laser prezinta un foarte mare interes cel putin din doua motive. In primul rand ca in domeniul vizibil poate emite simultan mai multe radiatii, in al doilea rand, prezinta o amplificare foarte buna, deci puterea de emisie in regim de unda contnua poate ajunge de ordinul 5-6 W. Este foarte important ca se realizeaza laseri de tip comercial, inclusiv cu emisie in ultraviolet.

Functionarea acestui tip de laser se bazeaza pe obtinerea de Ar-II, adica argon simplu ionizat si excitat intr-o descarcare electrica de curent foarte puternic. Exista doua scheme de excitare a ionului de Ar:

Ar + e ( Ar⁺ )^* + 2e.

Ar+ e Ar⁺ + 2e,

Ar⁺ + e ( Ar⁺ )^* + e.

In momentul de fata se accepta punctul de vedere ca; in regim de impulsuri inversia de populatie se obtine principal pe cea a excitarii directe (1). La laseri cu regim continuu starea de excitare se obtine prin doua sau mai multe trepte (2).

In comparatie cu laserul He-Ne, amplificarea la laserul cu argon ionizat este cu mult mai mare si astfel se poate obtine o putere de iesire foarte mare. Puterea de iesire creste cu cresterea densitatii de curent de descarcare. La acest tip de laser se poate lucra la o densitate de curent peste 100 A/cm². Densitatea mare de curent duce la supraincslzire care contribuie esential la constructia laserului. A fost comunicat 150 w, puterea maxima obtinuta la un laser cu Ar⁺. Pentru laserii comerceal puterea totala emisa se afla in domeniul 2 - 10 w. Puterea totala este suma puterilor radiatiilor laser emis de acest sistem. Cu ajutorul unei prisme dispersive se selecteaza prin rotirea acesteia, o anumita lungime de unda a radiatiei emise.

La laseri cu unda continua se foloseste un camp magnetic longitudinal pentru confinarea plasmei din tubul de descarcare. Intr-un camp magnetic longitudinal electronii se misca dupa o spirala, cea ce reduce mult pierderile de electroni prin ciocniri de peretii tubului.

Curentul maxim este limitat de eroziunea peretului interior al tubului. Materialele folosite pentru constructia tubului de descarcare trebuie sa fie termorezistente si rezistente la eroiziune. In acest scop,pentru laseri pana la 30 amperi curent de descarcare este folosit cu rezultate bune cuartul, racit de un curent de apa. Pentru curenti mai mari se foloseste grafitul sau oxid de beriliu care rezista foarte bine la pulverizare de catre electroni, avand si termoconductibilitate foarte buna.

In figura de mai jos este prezentat sistemul de nivele energetice care intra in joc la formarea tranzitiilor laser si a mecanismelor de ionizare-excitare.

Lungimile de unda ale radiatiilor sunt date in . In domeniul vizibil un laser de 4 w, de exemplu (curent maxim de 30 A), emite urmatoarele radiatii: 5145, (1400 mw,) ; 5017, ( 200 mw,) ; 4965, (300 mw,) ; 4880, (1300 mw,) ; 4765, (500 mw,) ; 4727, (100 mw) ; 4656, (50 mw,) ; 4579 (150 mw,). Se constata deci doua linii foarte intense, verde si albastru. La o descarcare de pana la 90 A,

s-a constatat si emisie laser din domeniul ultraviolet, 3511 si 3638 Angstrom, cu 100 mw, putere si constituie una din putinele posibilitati de a avea radiatie laser comercial in acest domeniu.

In figura de mai jos prezentam schema de constructie a unui laser cu Ar⁺ cu functionare in unda continua la un curent maxim de 30 A, cu tub de cuart.

Constructia laserului cu Ar⁺ este destul de complicata deoarece pentru realizarea unei plasme cu caracteristici constante care sa asigure o emisie laser eficienta, implica: curenti stabilizati pentru descarcare si pentru bobina, presiune constanta din tub etc. Toti parametrii sunt monitorizati si la orice avarie este semnalizata si automat laserul este scos din functiune. Laserul este prevazut cu rezervor cu Ar de rezerva, din care dupa necesitati se poate reface presiunea din tubul de descarcare. Pentru obtinerea unui curent mare de descarcare, catodul este de constructie cu totul speciala, care produce termoelectroni prin incalzirea acestuia. Acest curent suplimentar este necesar mai ales la functionare laserului la curenti mai mici 10 - 20 A. La curenti mari, incalzirea catodului este intrerupt automat.

Tinand seama de conditiile de functionare, radiatia laser emisa are o coerenta destul de slaba. Pentru ca laserul cu Ar⁺ sa fie utilizabil ai in aplicatii unde se cere o coerenta buna ( holografie ), in interiorul cavitatii se monteaza un interferometru Fabry - Perot. Interferometrul folsit in acest scop este o lama plan-paralela din cuart pe care se depun oglinzile. Stabilizarea la temperatura a interferometrului se face cu o eroare sub un grad. Selectarea a unei anumite lungime de unda, de regula este folosita o prisma din sticla sau cuarti. Exista constructii cu selectia radiatiilor externa cu ajutorul unei retele de difract;ie prin reflexie. Presiunea in tub este de ordinul a 0,1 - 0,5 mm.col.de Hg. Timpul de viata este de aproximativ 1000 ore.

Alte tipuri de laseri cu gaze ionizate

Laserul cu cripton ionizat din punct de vedere constructiv este asemanator cu laserul cu Ar⁺. Puterea radiatiilor selectate este mai mica ca la Ar⁺. Importanta acestui laser consta in faptul ca emite radiatii in domeniul rosu galben, cea ce lipseste din spectrul de radiatie a laserului cu Ar⁺. Comparativ, emisiile laserului cu criptom ionizat exprimate in Angstrom sunt: 6471 ; (300 mw,) ; 5682, ( 130 mw) ; 5309, (100 m), 5208, (100 mw) 0,4825, (50 mw) ; 4762, ( 70 mw), cu oglinzi speciale la curenti mari in ultraviolet, 3507 si 3564 la 200 mw.

A fost construit si laser cu amestec de gaze Ar si Kr, care are o gams larga de radiatii, cuprinzand tot domeniul vizibil, rosu- violet si UV  apropiat.

Laser cu He -vapori metalici.

Metalele folosite in acest scop sunt : cadmiu. staniu, plumb, zinc, seleniu. Cele mai raspandite sunt cu Cd si Se.

Laserul He-Cd este tot un laser ionic deorece substanta activa laser este cadmiul in stare da vapor ionizat, insa din multe puncte de vedere are caracteristici apropiate laserului cu He - Ne. Laserul cu Cd da radiatii intense la 441 si 325 nm. Pentru inversare de populatii se pot folosi oricare din urmstoarele dou procese: 1) ionizare Penning, 2) ionizare cu reincarcare. Procesul Penning, A^* + B A + B⁺ + e. B⁺ poate fi excitat sau neexcitat. Ionizarea are loc cel mai eficace daca starea A^* este o stare metastabila.

Al doilea proces; A⁺ + B A + (B⁺)^*, Deoarece aici nu apare electron, procesul trebuie sa fie rezonant. Puterea emisa este 50 - 100 mw, si un gram de Cd, asigura functionarea pentru peste 1000 ore.

S-a obtinut un laser He-Cd cu emisie in lumina alba. In acest caz laserul emite concomitent radiatiile exprimate in Angstrom: 6360 (rosie), 5378 (verde), 4416 (albastra).

Alimentat la 220 V, 0,6 A, puterea fasciculului de lumina alba a fost 10 mw. Variind curentul de descarcare, raportul celor trei radiatii variaza. Acest laser este o sursa excelenta in aplicatii colorimetrice. In domeniul ultraviolet la 325 nm, s-a obtinut o putere de 15 mw.