3. Η διάταξη του συστήματος παραγωγής

H διάταξη του συστήματος παραγωγής των ακτίνων Laser είναι παρόμοια με ηλεκτρονικό ταλαντωτή.

Ταλαντωτής είναι το σύστημα που παράγει ταλαντώσεις χωρίς εξωτερικό μηχανισμό καθοδήγησης-τροφοδοσίας.

Παράδειγμα αναλόγου συστήματος είναι ο ενισχυτής ήχου που αποτελείται από μικρόφωνο, ενισχυτή και μεγάφωνο. Όταν το μικρόφωνο τοποθετείται μπροστά στο μεγάφωνο, σχηματίζεται κλειστό κύκλωμα και ακούγεται ένα ενοχλητικό σφύριγμα. Το σφύριγμα δημιουργείται χωρίς την παρεμβολή πηγής ήχου και αυτό-ενισχύεται όσο χρόνο το μικρόφωνο στέκεται μπροστά στο μεγάφωνο. Είναι ένα φαινόμενο «θετικής ανάδρασης».

Γενικά, κάθε ταλαντωτής αποτελείται από 4 κύρια μέρη:

• (α) πηγή ενέργειας
• (β) ενισχυτής
• (γ) ανάδραση θετικού συντονισμού
• (δ) σύζευξη εξόδου

Στη συσκευή Laser τα αντίστοιχα μέρη είναι:

• (α) μηχανισμός διέγερσης
• (β) ενεργό υλικό (οπτικός ενισχυτής)
• (γ) οπτική ανάδραση
• (δ) σύζευξη εξόδου

3.1 Το ενεργό υλικό

Είναι μία «συλλογή» ατόμων ή μορίων ή ιόντων η οποία μπορεί να διεγερθεί και να οδηγηθεί σε κατάσταση αντιστροφής πληθυσμών. Η συλλογή αυτή μπορεί επίσης να αποδώσει ΗΜΑ με εξαναγκασμένη εκπομπή.

Έχουν δημιουργηθεί εκατοντάδες ενεργά υλικά σε στερεή, υγρή, αέρια μορφή όπως και σε μορφή πλάσματος, καθένα από τα οποία εκπέμπει το δικό του χαρακτηριστικό μήκος κύματος, ανάλογα με τις ενεργειακές διαφορές των επιτρεπομένων επιπέδων του.

3.2 Ο μηχανισμός διέγερσης

Είναι η πηγή ενέργειας που διεγείρει τα άτομα (ή μόρια, ή ιόντα), του ενεργού υλικού δημιουργώντας την αντιστροφή των πληθυσμών.

Σύμφωνα με τον νόμο της διατήρησης της ενέργειας, η εξερχόμενη ΗΜΑ από τη συσκευή Laser πρέπει πάντοτε να έχει λιγότερη ενέργεια από όση πρόσφερε ο μηχανισμός διέγερσης. Υπάρχουν Laser με απόδοση μικρότερη του 1%, όπως υπάρχουν και άλλα με απόδοση κοντά στο 100%.

Μηχανισμοί διέγερσης είναι:

(α) οπτική άντληση (διέγερση με φωτόνια). Είναι ο συνηθέστερος μηχανισμός διέγερσης όταν το ενεργό υλικό είναι στερεής ή υγρής μορφής και πρόκειται για ΗΜΑ-φωτόνια που απορροφάται από το ενεργό υλικό. Η ΗΜΑ «τροφοδοσίας» προέρχεται από λυχνίες αερίου (π.χ. ξένον, κρυπτόν ή ήλιον) χαμηλής πίεσης από χαλαζία ή από άλλα Laser ή από πηγές κοινού φωτός.

(β) ηλεκτρική διέγερση (αέριου ενεργού υλικού) με ηλεκτρική εκκένωση κατάλληλου αερίου, που βρίσκεται σε σωλήνα ηλεκτρικά ουδέτερο. Όταν εφαρμοστεί υψηλό ηλεκτρικό δυναμικό με τη βοήθεια ζεύγους καθόδου-ανόδου, ηλεκτρόνια εγκαταλείπουν την κάθοδο, επιταχύνονται προς την άνοδο και στην πορεία τους συγκρούονται με τα μόρια του αερίου στα οποία και μεταδίδουν την κινητική τους ενέργεια, διεγείροντάς τα. Στην πράξη υπάρχει μια διαφορά δυναμικού μεταξύ ανόδου και καθόδου στα άκρα του σωλήνα και ένας ισχυρός ηλεκτρικός παλμός δημιουργεί την εκφόρτιση με ηλεκτρική εκκένωση. Σημειώνεται πως δύσκολα πετυχαίνονται οι κατάλληλες συνθήκες για άμεση διέγερση του αέριου ενεργού υλικού.

(γ) συγκρούσεις με άτομα. Είναι ο μηχανισμός που επιλέγεται για τα κοινά Laser Ηe-Ne και CΟ2 και απαιτεί την ύπαρξη δύο τουλάχιστον αερίων μέσα στο σωλήνα. Το ένα αέριο δέχεται την ενέργεια από τις συγκρούσεις με τα επιταχυνόμενα ελεύθερα ηλεκτρόνια, ενώ το δεύτερο δέχεται ενέργεια με τις συγκρούσεις με τα διεγερμένα μόρια του πρώτου αερίου. Π.χ. στο Laser Ηe-Ne η μάζα του ατόμου He είναι περίπου πέντε φορές μικρότερη από τη μάζα του ατόμου Ne, αλλά τα άτομα He είναι 6 φορές περισσότερα και επομένως έχουν μεγαλύτερη πιθανότητα σύγκρουσης με τα ηλεκτρόνια και διέγερσής τους. Τα ενεργειακά επίπεδα Ε3 και Ε5 τον νέον είναι πολύ κοντά στα αντίστοιχα διεγερμένα του ηλίου και «απορροφούν» με συγκρούσεις την ενέργειά τους. Είναι το φαινόμενο της συντονισμένης διέγερσης.

(δ) χημική διέγερση

(ε) ηλεκτρικό ρεύμα σε διόδους

3.3 Ο μηχανισμός ανάδρασης

Ο μηχανισμός ανάδρασης επιστρέφει πίσω, στο εσωτερικό του ενεργού υλικού, μέρος της ΗΜΑ Laser που έχει δημιουργηθεί. Συνήθως επιτυγχάνεται με τη βοήθεια καθρεφτών, στα δύο άκρα του ενεργού υλικού, τοποθετημένων με τρόπο που να εξαναγκάζει την ΗΜΑ να διασχίζει επανειλημμένα το υλικό μπρος-πίσω, ανακλώμενη στις δυο παράλληλες και αντιμέτωπες επιφάνειές τους.

Όλο αυτό το σύστημα αποτελεί την «οπτική κοιλότητα». Ο ένας καθρέφτης είναι 100% αποδοτικός, ενώ ο δεύτερος 10-99%, ανάλογα με τον τύπο του Laser. Από τον δεύτερο καθρέφτη έχουμε την έξοδο της HMA Laser κατά το υπόλοιπο (μέχρι το 100) ποσοστό.

Ο μηχανισμός ανάδρασης έχει στόχο την ενίσχυση της ακτινοβολίας μέσω των πολλαπλών «περασμάτων» του κάθε φωτονίου στο ενεργό υλικό. Όμως ο ίδιος μηχανισμός οδηγεί και στην «κατευθυντικότητα» της εξερχόμενης ΗΜΑ καθόσον στη δέσμη παραμένουν μόνον τα φωτόνια που διατηρούν πορεία με διεύθυνση κάθετη στις επιφάνειες των καθρεφτών.

3.4 Ο συγχρονισμός στην έξοδο

Πρόκειται για τον μηχανισμό που επιτρέπει την έξοδο της ΗΜΑ Laser από το ενεργό υλικό, μέσω του ημι-διαπερατού καθρέφτη. 
Στα «συνεχή» Laser εξέρχεται μικρό ποσοστό της ακτινοβολίας. Στα Laser κατά παλμούς εξέρχεται μεγάλο ποσοστό αλλά μόνον σε επιτρεπόμενες χρονικές στιγμές.

Σοφία Κόττου, Επίκουρη Καθηγήτρια Ιατρικής Φυσικής
Ιατρική Σχολή Πανεπιστημίου Αθηνών
Τελευταία αναθεώρηση : 23/12/2007