5. Eνίσχυση – Απόδοση

Η ισχύς της εξερχόμενης ΗΜΑ Laser σε συγκεκριμένη χρονική στιγμή καθορίζεται από δυο παράγοντες (αντιμαχόμενους)

(α) την ενίσχυση της ΗΜΑ στο ενεργό υλικό, που εξαρτάται από

• (i) την αντιστροφή πληθυσμών
• (ii)την αυθόρμητη εκπομπή με φθορισμό που συνοδεύει την εξαναγκασμένη εκπομπή

(β) τις απώλειες κατά τη δημιουργία της Laser, δηλαδή:

• (i) το ποσοστό ανάκλασης στους καθρέφτες
• (ii) την απορρόφηση και σκέδαση της ακτινοβολίας μέσα στο ενεργό υλικό
• (iii) την περίθλαση της ακτινοβολίας στα μικρά αντικείμενα της διάταξης

Ο πρώτος παράγοντας πρέπει να έχει τουλάχιστον ίση απόδοση (θετική) με την (αρνητική) απόδοση του δεύτερου παράγοντα, προκειμένου να «γεννηθεί» η ΗΜΑ Laser.

5.1. Φθορισμός

Η δημιουργία ΗΜΑ Laser είναι δυνατή μόνο σε υλικά τα οποία εκπέμπουν με φθορισμό τουλάχιστον σε έναν από τους τρόπους αποδιέγερσης. Όταν η μεταπήδηση συμβεί μεταξύ δυο καθορισμένων και «ευκρινών» ενεργειακών επιπέδων, η γραφική παράσταση της ΗΜ ισχύος σε συνάρτηση με την συχνότητα είναι μια πολύ στενή «καμπάνα». Όσο δε πιο στενή η γραφική παράσταση, τόσο πιο εύκολα θα επιτευχθεί η αντιστροφή πληθυσμών.

Στην πράξη όμως τα ενεργειακά επίπεδα (και της «αναχώρησης» και της «άφιξης») είναι πολλαπλά, με αποτέλεσμα το εύρος της καμπάνας-φάσματος να είναι σημαντικό (πολλές, παραπλήσιες συχνότητες ΗΜΑ εκπομπής). 

Το εύρος του φάσματος (φθορισμού) υπακούει και στην αρχή της αβεβαιότητας του Heisenberg.

ΔE * Δt > h (1)

Στο εύρος του ενεργειακού επιπέδου μπορούμε να αντιστοιχίσουμε το Δν και στο χρόνο ζωής  του ενεργειακού επιπέδου αντιστοιχεί ένα Δt, οπότε η (1) γίνεται:

Δν > 1/Δt (εφόσον ΔΕ = h * Δν)

Δηλαδή όσο μακροβιότερο είναι το ενεργειακό επίπεδο, τόσο στενότερο θα είναι το φάσμα της ΗΜ εκπομπής.

Στα Laser αερίου (και κυρίως αερίου χαμηλής πίεσης) υπάρχει ένας ακόμη μηχανισμός διεύρυνσης του φάσματος εκπομπής, που πηγάζει από το φαινόμενο Doppler:  η πραγματική συχνότητα ενός κύματος ανιχνεύεται λίγο μετατοπισμένη όταν υπάρχει σχετική ταχύτητα μεταξύ πηγής και ανιχνευτή. Τα μόρια των αερίων βρίσκονται σε συνεχή κίνηση προς τυχαίες κατευθύνσεις. Ακόμα και για τα μόρια που εκπέμπουν ΗΜΑ μιας συγκεκριμένης συχνότητας, η συχνότητά τους θα λαμβάνεται ως ζώνη συχνοτήτων από τον δέκτη, εξαιτίας του φαινομένου Doppler.

Στα Laser αερίου η ζώνη συχνοτήτων γίνεται ακόμη ευρύτερη εξαιτίας των συγκρούσεων μεταξύ των μορίων του αερίου. Το πλάτος της ζώνης αυξάνει ανάλογα με την πίεση του αερίου.

5.2. Επαναλαμβανόμενες ανακλάσεις

Κάθε φορά που η ΗΜΑ Laser διασχίζει το ενεργό υλικό, ενισχύεται. Όμως υπάρχουν απώλειες από: 

• (α) σκέδαση και απορρόφηση στους καθρέφτες
• (β) σκέδαση και απορρόφηση στο ενεργό υλικό και στα τοιχώματα
• (γ) περίθλαση στα μικρά αντικείμενα της διάταξης
• (δ) ατέλειες του συστήματος συγχρονισμού κατά την έξοδο

Για να φτάσει η ΗΜΑ Laser στην έξοδο θα πρέπει η ενίσχυση να είναι τουλάχιστον λίγο μεγαλύτερη από τις απώλειες.

Τυπική τιμή αυτοπολλαπλασιασμού στο Laser He-Ne για ένα «πέρασμα» είναι 5%, ενώ 200 «περάσματα» πολλαπλασιάζουν 17000 φορές!

5.3. Καμπύλη ενίσχυσης

Η ενίσχυση εξαρτάται από το βαθμό της αντιστροφής πληθυσμών και από το εύρος της ζώνης των συχνοτήτων.

Σε Laser συνεχούς εκπομπής, όταν προσφέρεται συνεχώς ενέργεια στο ενεργό υλικό, θα παρατηρούνται σταθερή ενίσχυση και σταθερή ισχύς στην έξοδο.

Σε παλμικό Laser η ενέργεια προσφέρεται με μορφή παλμών ώστε η ισχύς στην έξοδο να είναι μεγαλύτερη. Κάθε παλμός HMA Laser στην έξοδο διαρκεί περίπου 1 ms (millisecond), αλλά αποτελείται από εκατοντάδες μικρότερους παλμούς-σπίθες που διαρκούν περίπου 1 μs (microsecond) και διαφέρουν μεταξύ τους και στη διάρκεια και στην ισχύ.

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