4. Οπτική κοιλότητα και μορφή της ακτινοβολίας

Το τέταρτο εξηγεί τις συνθήκες που καθορίζουν τη μορφή της ΗΜΑ Laser στις συνηθισμένες συσκευές.

4.1 Στάσιμα κύματα

Είναι γνωστό από τη θεωρία των κυμάτων ότι όταν δυο κύματα με παραπλήσια πλάτη ταλάντωσης και ίδια συχνότητα κινούνται στην ίδια ευθεία με αντίθετες κατευθύνσεις, «προστίθενται» δημιουργώντας μια ταλάντωση που φαίνεται σταθερή στο χώρο: ένα στάσιμο κύμα.

Ένα ΗΜ κύμα στο ενεργό υλικό της συσκευής Laser που κινείται από αριστερά προς τα δεξιά, ανακλάται από τον δεξί καθρέφτη και αρχίζει να κινείται (από τα δεξιά) προς τα αριστερά. Επομένως δημιουργούνται ζεύγη κυμάτων ίδιας συχνότητας και πλάτους, που κινούνται σε αντίθετες κατευθύνσεις. Δηλαδή έχουμε στάσιμα κύματα κατά μήκος του οπτικού (κεντρικού) άξονα του ενεργού υλικού (και) της οπτικής κοιλότητας.

Τα ΗΜ κύματα στην οπτική κοιλότητα είναι τριών διαστάσεων.

4.2 Το μήκος της οπτικής κοιλότητας

Για να διατηρηθεί η ίδια φάση των κυμάτων στο επίπεδο τον καθρέφτη θα πρέπει η απόσταση ανάμεσα στους καθρέφτες (L) να είναι ακέραιο πολλαπλάσιο του μήκους κύματος (λ).

Δηλαδή      λ_m = 2L/m  (1)

• όπου m o αριθμός των μισών μηκών κύματος 
• και λ_m το μήκος κύματος στη συγκεκριμένη λειτουργία

Ισχύει, ταυτόχρονα, και c = λ_οv = ηλ_mv_m  (2)

• Όπου c η ταχύτητα της ΗΜΑ στο κενό
• λ_ο το μήκος κύματος της ΗΜΑ στο κενό
• η ο δείκτης διάθλασης του ενεργού υλικού

Δηλαδή λ_m =  λ_ο/n (3)

Aπό τις (1) και (3) έχουμε ότι στη βασική λειτουργία (m = 1 και λ = 2L) της οπτικής κοιλότητας θα ισχύει   v = c/2nL (4)

και στις υπόλοιπες v = m (c/2nL)  (5)

Επίσης προϋπόθεση για τη διατήρηση των στάσιμων κυμάτων είναι να αντιστοιχούν «κόμβοι» στο επίπεδο των καθρεφτών.

Όταν m = 1 oι κόμβοι είναι δύο, ένας σε κάθε καθρέφτη.

Όταν m = 2, οι κόμβοι είναι τρεις (προστίθεται ένας στη μέση), κ.ο.κ.

Προσοχή χρειάζεται στους υπολογισμούς και όσον αφορά στον δείκτη διάθλασης. Θεωρείται n = σταθερό για όλο το μήκος της οπτικής κοιλότητας. Πολλές φορές όμως οι καθρέφτες δεν τοποθετούνται ακριβώς στα άκρα του ενεργού υλικού και οι υπολογισμοί περιπλέκονται.

Για την παραγωγή ΗΜΑ Laser στο ορατό, ο αριθμός m πρέπει να είναι πολύ μεγάλος. Π.χ. στο (εκπαιδευτικό) αέριο Laser He-Ne η χαρακτηριστική του ερυθρά ακτινοβολία με λ = 0,6328 μm εκπέμπεται όταν m = 10⁶ (L = 30 cm).

4.3 Kατώφλι ενίσχυσης

Καθώς ΗΜ κύματα διαπερνούν το ενεργό υλικό πολλές φορές, υφίστανται σημαντική απορρόφηση. Επομένως εξέρχονται της συσκευής μόνο τα κύματα που έχουν ενισχυθεί αρκετά ώστε να επιζήσουν.

Η ελάχιστη ενίσχυση που είναι απαραίτητη για τη λειτουργία της συσκευής Laser λέγεται κατώφλι ενίσχυσης.

Η ύπαρξη του κατωφλίου ενίσχυσης περιορίζει τον αριθμό των κόμβων που είναι επιτρεπτοί για τη δημιουργία δέσμης Laser.

Ανάλογα με την προτιθέμενη εφαρμογή του Laser γίνεται και η επιλογή των παραμέτρων στην κατασκευή της διάταξης.

• (α) Στις εφαρμογές με ισχυρή δέσμη όπως στην επεξεργασία υλικών ή στην χειρουργική, απαιτείται μεταφορά ενέργειας  σε συγκεκριμένο στόχο. Δεν έχει σημασία η ιδιαίτερη ακρίβεια στο μήκος κύματος.
• (β) Σε εφαρμογές όπου κυριαρχεί το φαινόμενο της συμβολής, όπως στην ολογραφία ή σε μετρήσεις ακρίβειας, το μήκος κύματος πρέπει να είναι όσο το δυνατόν συγκεκριμένο και χρησιμοποιούνται ειδικές τεχνικές.
• (γ) Ακόμη μεγαλύτερη ακρίβεια (στο μήκος κύματος) απαιτείται σε εφαρμογές φασματοσκοπίας και φωτοχημείας.
• (δ) Ακρίβεια απαιτείται και για εφαρμογές Laser με ισχυρούς παλμούς, μικρής διάρκειας, όπου ειδικός μηχανισμός «κλειδώνει τη συμπεριφορά της διάταξης» σε ορισμένη θέση.

4.4 Η μορφή της ακτινοβολίας

Εξαρτάται και καθορίζεται από

• (α) τη συχνότητα (v) ή το μήκος κύματος (λ)
• (β) την κατανομή της έντασης κατά μήκος του άξονα διάδοσης – οπτικού άξονα, που συνδέεται με τον αριθμό των κόμβων στα στάσιμα κύματα.
• (γ) την κατανομή της έντασης στην επιφάνεια μιας κάθετης διατομής της δέσμης (επιφάνεια κάθετη στο άξονα διάδοσης)

Στην περίπτωση (γ) δεν ανιχνεύεται ιδανική κατανομή Gauss, αλλά κάποιες παραμορφώσεις που εξαρτώνται από το πλάτος και το ύψος της οπτικής κοιλότητας, όπως και την παραλληλία των δύο καθρεφτών μεταξύ τους. Πολύ μικρή απόκλιση μπορεί να προκαλέσει σημαντικές διαφορές «δρόμου» μεταξύ των ακτίνων στο εσωτερικό της συσκευής Laser.

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