6. Είδη Laser και οι χαρακτηριστικές τους ιδιότητες

6.1. Περιληπτικά

Τα Laser διαιρούνται σε ομάδες σύμφωνα με:

• (α) την κατάσταση του ενεργού υλικού (στερεό, υγρό, αέριο, πλάσμα)
• (β) την ζώνη μήκους κύματος (ορατό, υπέρυθρο, υπεριώδες…)
• (γ) τη μέθοδο διέγερσης του ενεργού υλικού (οπτική, ηλεκτρική,…)
• (δ) τα χαρακτηριστικά της εξερχόμενης ΗΜΑ Laser
• (ε) τον αριθμό των ενεργειακών επιπέδων που παίρνουν μέρος στη διαδικασία.

Το ενεργό υλικό καθορίζει:

1. το μήκος κύματος της εξερχόμενης δέσμης
2. τη μέθοδο διέγερσης που ενδείκνυται
3. την τάξη μεγέθους της εξερχόμενης ισχύος
4. την αποδοτικότητα του συστήματος

Το ενεργό υλικό καθορίζει πολλές ιδιότητες του Laser και επί πλέον πρέπει να είναι «διαφανές» στο μήκος κύματος που το ίδιο «παράγει».

Θα δούμε, στα επόμενα κεφάλαια, τις κατηγορίες των Laser ανάλογα με την κατάσταση και το είδος του ενεργού υλικού.

Α. Tα αέρια Laser χωρίζονται σε τέσσερις υπο-ομάδες:

• (i) ατομικά (π.χ. He-Ne και He-Cd)
• (ii) ατμών μετάλλου (Cu, Au)
• (iii) μοριακά (CO₂, N₂, χημικά, μακρινού υπέρυθρου, excimer)
• (iv) ιοντικά (Αr⁺, Kr⁺)

Β. Τα υγρά Laser είναι κυρίως χρωστικών dye

Γ. Τα στερεά Laser χωρίζονται σε:

• (i) μονωτών (ρουβινίου, νεοδυμίου, αλεξανδρίτη, σαπφείρου)
• (ii) ημιαγωγών (διόδων)

Δ. Eιδικά Laser

• (i) ακτίνων Χ
• (ii) ελεύθερου ηλεκτρονίου

6.2. Laser αέριας κατάστασης

Τα περισσότερα αέρια (άτομα ή μόρια) μπορούν να οδηγηθούν σε κατάσταση κατάλληλη για εκπομπή HMA Laser, κυρίως όταν βρίσκονται υπό χαμηλή πίεση.

Οι κύριοι λόγοι για τους οποίους διευκολύνει η χαμηλή πίεση είναι:

• (α) για να είναι δυνατή η ηλεκτρική εκκένωση μακράς πορείας, κατά μήκος του σωλήνα με το ενεργό υλικό, στα δυο άκρα του οποίου εμβαπτίζονται τα δύο ηλεκτρόδια.
• (β) για να παραχθεί ΗΜ φάσμα πολύ μικρού εύρους, το οποίο ευρύνεται όταν παρεμβάλλονται συγκρούσεις μεταξύ των ατόμων.

Το πρώτο αέριο Laser κατασκευάστηκε από τους Maiman TH και Javan A, το 1961, ήταν Ηe-Ne, εξέπεμπε στο κοντινό υπέρυθρο (1152 nm). (Το πρώτο Laser ήταν ρουβινίου και είχε κατασκευαστεί ένα χρόνο νωρίτερα).

Τα αέρια Laser μπορούν να διεγερθούν με ηλεκτρική εκκένωση που προκαλείται με εφαρμογή υψηλού δυναμικού στα ηλεκτρόδια στα άκρα του σωλήνα. Ηλεκτρόνια αποσπώνται από την κάθοδο, επιταχύνονται προς την άνοδο, συγκρούονται με τα μόρια του αερίου και τους μεταδίδουν μέρος της κινητικής τους ενέργειας διεγείροντάς τα (η ίδια μέθοδος χρησιμοποιείται στις λάμπες φθορισμού).

Η οπτική άντληση ως μέθοδος διέγερσης είναι δύσκολη για τα Laser αερίου. Για να απορροφηθεί αρκετό ποσό ενέργειας απαιτείται το φάσμα απορρόφησης του υλικού να είναι παρόμοιο με το φάσμα εκπομπής της πηγής. Όμως οι κοινές πηγές φωτός έχουν ευρύ φάσμα εκπομπής, ενώ τα άτομα του αερίου απορροφούν σε «λεπτές γραμμές». Γενικά η οπτική άντληση δεν επιλέγεται για τη διέγερση του ενεργού υλικού αέριων Laser. Εξαίρεση είναι η χρήση της δέσμης Laser CΟ2 για την οπτική άντληση του ενεργού υλικού του μακρινού υπέρυθρου αέριου Laser.

6.2.1 Αέρια ατόμων

Το ενεργό υλικό είναι ένα ευγενές αέριο σε ουδέτερη κατάσταση ή ατμοί μετάλλου.

Το ενεργό αέριο είναι αναμεμιγμένο με δεύτερο αέριο, που βοηθά στην αύξηση της απόδοσης της διαδικασίας.

Για μεγαλύτερη ενίσχυση απαιτείται μικρή διάμετρος του σωλήνα. Τα αέρια Laser ατόμων συνήθως λειτουργούν με συνεχή τρόπο.

6.2.1.1 Laser He-Ne

Ήταν το πιο διαδεδομένο Laser μέχρι πριν λίγα χρόνια που εμφανίστηκε το Laser διόδων.

Το ενεργό υλικό είναι το νέον (Ne) που έχει τέσσερα ενεργειακά επίπεδα.

Δύο μετασταθερά ενεργειακά επίπεδα δρουν ως άνω επίπεδα, ενώ υπάρχουν άλλα δυο που δρουν ως κάτω επίπεδα. Δηλαδή έχουμε τρία εκπεμπόμενα μήκη κύματος: λ₅₄, λ₅₂, λ₃₂.

Η παρουσία του αερίου He βοηθά για δύο κύριους λόγους:

• (α) η απευθείας διέγερση του Ne είναι πολύ λιγότερο αποδοτική σε σχέση με το He (περίπου 1:200)
• (β) το ενεργειακό επίπεδο 5 του ηλίου είναι πολύ κοντά στο αντίστοιχο 5 του νέου. Επομένως από την ηλεκτρική εκκένωση (περίπου 2000 V) τα αποσπώμενα ηλεκτρόνια συγκρούονται κυρίως με τα άτομα He τα οποία διεγείρονται και με συγκρούσεις διεγείρουν με τη σειρά τους τα άτομα του Ne (αναλογία: He ~ 85-90%, Ne ~ 10-15%).

Oι περισσότερες εφαρμογές του Laser He-Ne βασίζονται στο ορατό κόκκινο λ₅₂ που έχει και τη μεγαλύτερη ένταση, η οποία θα ήταν ακόμη εντονότερη αν δεν υπήρχε η αποδιέγερση λ₅₄ που μειώνει και αυτή (παράλληλα) τον πληθυσμό του E₅.

Ειδική επικάλυψη των καθρεφτών πριμοδοτεί την ανάκλαση των λ₅₂ και απορροφά τα υπόλοιπα, έτσι ώστε να ενισχυθεί μόνο το επιλεγμένο μήκος κύματος.

Στο Laser He-Ne ο χρόνος ημιζωής του χαμηλού Laser ενεργειακού επιπέδου δεν είναι αρκετά σύντομος, όμως βελτιώνεται με τις συγκρούσεις. Οι συγκρούσεις πολλαπλασιάζονται όταν τα τοιχώματα του σωλήνα πλησιάζουν, επομένως η απόδοση του Laser αυξάνει όσο ο σωλήνας έχει μικρότερη διάμετρο (π.χ. 2 mm).

Στο εργαστήριο έχει λειτουργήσει Laser He-Ne με ισχύ εξόδου 100 mW, όμως τα He-Ne του εμπορίου έχουν έξοδο 0,5-50 mW.

6.2.1.2 Laser ατμών μετάλλου

Διακρίνονται σε δύο είδη: (α) ουδέτερα (χαλκού Cu, χρυσού Au) και (β) ιοντισμένα (ηλίου-καδμίου He-Cd) και εκπέμπουν (με υψηλή απόδοση) ΗΜΑ ορατού με τη μορφή πυκνών παλμών.

Στο Laser ατμών μετάλλου ο σωλήνας είναι γεμάτος με ένα αδρανές αέριο (π.χ. νέον) και με μικρή ποσότητα του καθαρού μετάλλου, π.χ. χαλκού, που για να βρεθεί σε κατάσταση ατμών θα πρέπει να επικρατούν συνθήκες, πολύ υψηλής θερμοκρασίας. Ο σωλήνας είναι κατασκευασμένος από υλικό ιδιαίτερα ανθεκτικό σε αυτές τις θερμοκρασίες (π.χ. αλουμίνα).

Ένα κομμάτι καθαρού χαλκού εισάγεται στο μέσο του σωλήνα ο οποίος μετά γεμίζει με αέριο νέον. Εφαρμόζεται υψηλό δυναμικό στα ηλεκτρόδια στα άκρα του σωλήνα και η θερμοκρασία αυξάνει πολύ, ξεπερνώντας τους 1083 °C, σημείο τήξης του χαλκού, που αρχίζει να εξατμίζεται. Έξω από τον σωλήνα μετράται θερμοκρασία της τάξης του 1400-1500 °C.

Kαθ’ όλη τη διαδικασία, μικρό ποσοστό των ατόμων Cu ιοντίζεται και κινείται προς το αντίθετο ηλεκτρόδιο. Το σύνολο του ατμού ψύχεται και μετατρέπεται σε στερεό μέταλλο. Μετά από εκατοντάδες ώρες λειτουργίας το Laser πρέπει να ανανεωθεί με άλλο κομμάτι χαλκού. Στα ηλεκτρόδια εφαρμόζονται παλμοί υψηλού δυναμικού και τα επιταχυνόμενα ηλεκτρόνια συγκρούονται με τα άτομα του αερίου Cu (το ενεργό υλικό) που διεγείρονται στα (2) επιθυμητά ενεργειακά επίπεδα. Εκπέμπονται 2 ΗΜ κύματα, ένα πράσινο (λ=511 nm) και ένα κίτρινο (λ=578 nm).

Το Laser ατμών χαλκού λειτουργεί μόνον κατά παλμούς, επειδή τα δυο χαμηλά ενεργειακά επίπεδα (μετά την εκπομπή) είναι μετασταθερά, δηλαδή έχουν μακρύ χρόνο ημιζωής και λήγει πολύ σύντομα η συνθήκη της αντιστροφής πληθυσμών. Κάθε παλμός Laser διαρκεί περί τα 100 ns.

Τα Laser ατμών χαλκού βρίσκουν εφαρμογή:

• (α) ως πηγή ενέργειας για Laser χρωστικής
• (β) για φωτισμό αντικειμένων στη φωτογράφηση μεγάλης ταχύτητας (π.χ. μιας σφαίρας όπλου)
• (γ) στην ιατροδικαστική για ταυτοποίηση δακτυλικών αποτυπωμάτων και ανίχνευση ειδικών χημικών στοιχείων στον τόπο εγκλήματος: φωτίζεται ένα δείγμα και εξετάζεται ο φθορισμός του. Βοηθά ο ισχυρός παλμός Laser
• (δ) στη φωτοδυναμική θεραπεία: ειδικό φάρμακο χορηγείται στον καρκινοπαθή και το φως Laser καταστρέφει επιλεκτικά καρκινικά κύτταρα (όσα έχουν απορροφήσει το φάρμακο)
• (ε) στο εμπλουτισμό ουρανίου (²³⁵U): το φυσικό ουράνιο περιέχει πολύ μικρή ποσότητα ²³⁵U. Mε το Laser χαλκού είναι δυνατός ο επιλεκτικός ιοντισμός μόνο του ²³⁵U και η συλλογή του σε ηλεκτρικά φορτισμένες πλάκες.

Στο εμπόριο η ισχύς των Laser χαλκού φτάνει μέχρι 100 W, αλλά σε ειδικά εργαστήρια έχει φτάσει και 6000 W.

To Laser ατμών χρυσού έχει πολλά στοιχεία και ιδιότητες κοινά με το Laser χαλκού. Το Laser χρυσού εκπέμπει στο κόκκινο (λ=628 nm).

6.2.1.3 Ηλίου Καδμίου

Το Laser ηλίου-καδμίου περιέχει-βασίζεται στο μέταλλο κάδμιο, η λειτουργία του όμως είναι παρόμοια με τη λειτουργία του Laser Ηe-Ne. Τα ελαφρά ιοντισμένα άτομα καδμίου δίνουν πολλά εκπεμπόμενα μήκη κύματος Laser στην περιοχή του ιώδους και του υπεριώδους. Η κύρια εφαρμογή τους είναι στην οπτική, ειδικότερα στην ολογραφία.

6.2.2 Αέρια ιόντων

Τα πιο κοινά είναι τα ιόντα των ευγενών αερίων αργόν (Ar⁺) και κρυπτόν (Kr⁺). Ο σωλήνας π.χ. του πρώτου περιέχει αέριο αργόν που μετατρέπεται σε πλάσμα όταν διεγερθεί. Πλάσμα είναι η κατάσταση της ύλης κατά την οποία τα ηλεκτρόνια είναι αποσπασμένα από τα άτομα ή τα μόρια και συμπεριφέρονται ως ελεύθερα. Το θεμελιώδες ενεργειακό επίπεδο του ιόντος Ar είναι ψηλότερο από το αντίστοιχο θεμελιώδες του ατόμου Αr. Η «χαμένη» αυτή ενέργεια που πρέπει να ξοδευτεί είναι η αιτία της μικρής απόδοσης του Laser Αr⁺.

Τα βασικά μήκη κύματος του Laser Αr⁺ είναι ένα μπλε (λ=0,488 μm) και ένα πράσινο (λ=0,515 μm), υπάρχουν όμως και δυο υπεριώδη.

Από τις ελκυστικές εφαρμογές του Laser Αr⁺ είναι η δημιουργία οπτικών εφέ για τέχνη και διασκέδαση, επειδή ήταν το μόνο Laser με πολλά χρώματα με αξιόλογη ισχύ (μερικά W).

Η συσκευή Laser Αr⁺ απαιτεί μεγάλη πυκνότητα ρεύματος (100-500 Α/cm²), (επομένως και στενό σωλήνα) και συνεχές δυναμικό μερικών εκατοντάδων Volts. Παράγονται μεγάλα ποσά θερμότητας, που καθιστούν απαραίτητη την ύπαρξη συστημάτων ψύξης και ανθεκτικών υλικών κατασκευής (οξείδιο βυρηλλίου). Όποιος δουλεύει με Laser αργού πρέπει να μην παραλείπει ειδικά μέτρα προστασίας (π.χ. ειδικά γυαλιά).

Τα Laser Αr⁺  βρίσκουν εφαρμογή:

• (α) ως πηγή ενέργειας για Laser χρωστικής
• (β) στη διασκέδαση (π.χ. δισκοτέκ)
• (γ) στη γενική χειρουργική (απορρόφηση ενέργειας σε συγκεκριμένα μήκη κύματος)
• (δ) στην οφθαλμολογία (στην αποκόλληση του αμφιβληστροειδή)
• (ε) στην τοξικολογία – ιατροδικαστική (μετρήσεις με φθορισμό υλικών)
• (στ) στην ολογραφία (επειδή έχει αρκετή ισχύ στο ορατό μέρος του φάσματος)

Το Laser Kr⁺  έχει παρόμοιο τρόπο δημιουργίας και ιδιότητες, αλλά ακόμη χαμηλότερη απόδοση και ισχύ εξόδου της τάξης των 100 mW.

Η κύρια εφαρμογή του είναι στη διασκέδαση (φανταστικά οπτικά εφέ στην περιοχή του κίτρινου-κόκκινου).

6.2.3 Αέρια μορίων

Κατά την μέχρι τώρα ανάλυση των ειδών Laser η δημιουργία της δέσμης Laser βασιζόταν στη μεταπήδηση ηλεκτρονίων μεταξύ διαφορετικών κύριων ενεργειακών επιπέδων.

Στα μόρια όμως, τα κύρια ενεργειακά επίπεδα υποδιαιρούνται και σε ενεργειακά επίπεδα ταλάντωσης-δόνησης, το καθένα των οποίων υποδιαιρείται και σε ενεργειακά επίπεδα περιστροφής.

Τα επίπεδα ταλάντωσης-δόνησης σχετίζονται με την ταλάντωση των ατόμων γύρω από μια θέση ισορροπίας μέσα στο μόριο.

Τα επίπεδα περιστροφής σχετίζονται με την περιστροφή του μορίου στο χώρο.

Εφόσον πρόκειται για υποδιαιρέσεις, οι ενεργειακές διαφορές μεταξύ τους είναι πολύ μικρότερες και το Laser που δημιουργούν έχει μεγάλο μήκος κύματος, συνήθως στην περιοχή του υπέρυθρου.

6.2.3.1. Laser CO₂

Χαρακτηριστικό παράδειγμα αυτής της κατηγορίας είναι το Laser CO₂. Το CO₂ είναι το ενεργό υλικό και δω όμως προστίθενται, άλλα αέρια που αυξάνουν την αποδοτικότητα της συσκευής: Ν₂ (άζωτο) και He, η αναλογία των οποίων εξαρτάται από τον μηχανισμό διέγερσης και το είδος της λειτουργίας (π.χ. συνεχής).

Το μόριο του CO₂ παρουσιάζει τρεις δυνατούς τρόπους ταλάντωσης-δόνησης:

• (α) τον συμμετρικό (κατά μήκος του άξονα του επιμήκους μορίου) με συχνότητα v₁
• (β) τον με κάμψη (σε διεύθυνση κάθετη ως προς τον άξονα) με συχνότητα v₂
• (γ) τον ασύμμετρο (όπως ο πρώτος τρόπος αλλά με διαφορετική κατεύθυνση) με συχνότητα v₃

H αποδιέγερση που δημιουργεί την ΗΜΑ Laser, ξεκινά από υψηλό ενεργειακό επίπεδο του τρίτου τρόπου και καταλήγει σε έναν από τους άλλους δύο. Επειδή κάθε ενεργειακό επίπεδο ταλάντωσης-δόνησης υποδιαιρείται σε επίπεδα περιστροφής, οι μεταπηδήσεις είναι -κάθε φορά- πολλαπλές.

Η ηλεκτρική εκκένωση στο σωλήνα του Laser CO₂ επιταχύνει ηλεκτρόνια των οποίων η κινητική ενέργεια μεταφέρεται σε συγκρούσεις στα μόρια του Ν₂ και του CO₂. Tα μόρια του Ν₂ βοηθούν τη διαδικασία διέγερσης των CO₂. Tα μόρια/άτομα Ηe βοηθούν κυρίως στην απομάκρυνση των «ενοχλητικών» ποσών θερμότητας (έχουν ειδική θερμότητα 5 φορές μεγαλύτερη από την αντίστοιχη του Ν₂).

Τυπική αναλογία αέριων όγκων: 10% CO₂, 10 % Ν₂ και 80% Ηe.

Υπάρχουν διάφοροι τύποι Laser CO₂:

• (i) συνεχούς ροής/τροφοδοσίας, που επιλέγεται όταν απαιτείται ισχύς (μερικές εκατοντάδες Watts)
• (ii) σφραγισμένου αερίου, που απαιτεί την ύπαρξη καταλύτη, επειδή με το χρόνο το CO₂ διασπάται σε CO + O₂. Ισχύς < 200 Watts. Σύγχρονα Laser αυτής της κατηγορίας διεγείρονται με ραδιοκύματα και αποδεικνύονται φθηνά και αξιόπιστα.
• (iii) Έχουν κατασκευασθεί Laser CO₂ με σωλήνα διαμέτρου 1 mm, ώστε το ΗΜ κύμα να κινείται κατά μήκος του με πολύ μικρές απώλειες.

Η ροή του αερίου και η διεύθυνση της εφαρμοζόμενης υψηλής τάσης μπορεί να είναι κάθετες στον άξονα του σωλήνα, οπότε η ψύξη του μίγματος είναι αποτελεσματικότερη και η εξερχόμενη ισχύς Laser πολύ μεγαλύτερη (της τάξης των 10 kWatts), ακόμη και με μεγάλες πιέσεις των αερίων στο εσωτερικό.

Η ακτινοβολία από το Laser CO₂ συνήθως είναι συνεχής.

Ενώ θεωρούμε ότι τα Laser είναι αποτέλεσμα τεχνολογίας, επιστήμονες ανακάλυψαν CO₂ Laser που υπάρχει στη φύση. Μπορεί να δημιουργηθεί αντιστροφή πληθυσμών κάτω από πολύ ειδικές συνθήκες, όπως στην καυτή ατμόσφαιρα (ενεργό υλικό) του πλανήτη Αφροδίτη. Το φως του ήλιου διεγείρει μόρια της ατμόσφαιρας που αποδιεγειρόμενα μπορεί να καταλήγουν σε μετασταθερά ενεργειακά επίπεδα . Αν τα μόρια αυτά διαθέτουν και κατάλληλο «χαμηλό» επίπεδο, το ποσό της εκπεμπόμενης ΗΜΑ θα είναι τεράστιο. Μόνο που η ακτινοβολία δεν θα έχει κατευθυντικότητα, αλλά θα διαδίδεται προς όλες τις κατευθύνσεις στο χώρο.

Παρόμοιο στη λειτουργία και τις ιδιότητες είναι και το Laser CO, με μόνη (τη σημαντική) διαφορά ότι το αέριό του είναι δηλητηριώδες και επικίνδυνο, ενώ το CO₂ δεν έχει καμία τοξικότητα.

6.2.3.2. Laser N₂

Και σε αυτό το Laser, το ενεργό υλικό άζωτο μπορεί να έχει συνεχή παροχή ή μπορεί ο σωλήνας του να είναι σφραγισμένος.

Διεγείρεται με ηλεκτρικό παλμό και η Laser ακτινοβολία προκύπτει από μεταπηδήσεις μεταξύ ενεργειακών επιπέδων ταλάντωσης-δόνησης. Βραχείς παλμοί υψηλής τάσης (30-40 kV) προκαλούν ηλεκτρική εκκένωση και στιγμιαία αντιστροφή πληθυσμών.

Το Laser αζώτου είναι Laser παλμών. Ο χρόνος ημιζωής του ανώτερου «Laser» επιπέδου είναι μικρότερος από τον χρόνο του κατώτερου επιπέδου. Η ενίσχυση της ακτινοβολίας μέσα στο σωλήνα είναι τόσο αποδοτική που με μήκος σωλήνα ενός μέτρου δεν θα χρειαζόταν να τον επαναδιασχίζει, δηλαδή οι καθρέφτες δεν είναι απαραίτητοι. Στην πράξη υπάρχει μόνο ο «πίσω» καθρέφτης με την 100% ανακλαστικότητα.

Το Laser Ν₂ εκπέμπει στην υπεριώδη περιοχή, είναι απλό και φθηνό. Η ακτινοβολία του δίνει μερικά mJ ανά παλμό, με διάρκεια παλμού της τάξης των ns και πυκνότητα περίπου 1000 Hz.

Eφαρμογές του Laser N₂:

• (α) προσφορά ενέργειας για τη διέγερση Laser χρωστικής
• (β) φασματοσκοπία υπεριώδους
• (γ) αντοχή υλικών στη θερμότητα
• (δ) μέτρηση φθορισμού υλικών
• (ε) μέτρηση πολύ ταχέων διαδικασιών (φωτογράφηση με βραχείς παλμούς)

6.2.3.3. Laser (διεγερμένων) διμερών (excimer)

Yπάρχει μια οικογένεια Laser των οποίων η ακτινοβολία εκπέμπεται από ένα μόριο με πολύ σύντομη ζωή. Αποτελείται από ένα άτομο ευγενούς αερίου (Ar, Kr, Xe) και ένα άτομο αλογόνου (F, Cl, Br, I). Το μόριο αυτό υπάρχει μόνο σε διεγερμένη κατάσταση. Όταν αποδιεγερθεί, τα άτομα διαχωρίζονται. Η διεγερμένη κατάσταση διαρκεί περίπου 10 ns. Excimer είναι ο συνδυασμός των λέξεων excited και dimmer, δηλαδή ένα μόριο, δύο άτομα, κατάσταση διεγερμένη.

Τα ευγενή αέρια είναι αδρανή και δεν συνδέονται χημικά με ίδια ή άλλα άτομα, τουλάχιστον στη θεμελιώδη κατάσταση. Αν όμως δεχθούν σημαντική ποσότητα ενέργειας και ανέβουν σε ένα διεγερμένο (ιοντισμένο) ενεργειακό επίπεδο, δημιουργούνται οι συνθήκες για συνδέσεις. Καθώς από το μόριο εκπέμπεται ακτινοβολία (Laser σε αυτές τις περιπτώσεις), τα άτομα επανέρχονται στη βασική ενεργειακή κατάσταση, δηλαδή τα άτομα γίνονται πάλι ανεξάρτητα. Επομένως σαν μόριο έχει ένα διεγερμένο ενεργειακό επίπεδο με κάποιο πληθυσμό και ένα θεμελιώδες επίπεδο χωρίς καθόλου πληθυσμό. Δηλαδή, αμέσως με τη διέργερση υπάρχει και αντιστροφή πληθυσμών.

Για τη λειτουργία του Laser excimer έχει βρεθεί πως ο σωλήνας πρέπει να περιέχει:

• πολύ λίγο αλογόνο (π.χ. από HCl, NF₃)
• λίγο αδρανές αέριο (αργό, κρυπτό ή ξένο)
• σχεδόν 90% νέον ή ήλιον

Η διέγερση γίνεται με σύντομους παλμούς ηλεκτρικής ισχύος ως μερικά MW/cm³.

Η απόδοση είναι σημαντική ακόμη και χωρίς καθρέφτες. Χρησιμοποιείται όμως ο 100% ανακλών πίσω καθρέφτης.

Τα αέρια μέσα στο σωλήνα είναι τοξικά, άρα ο σωλήνας του Laser σφραγίζεται καλά μετά την πλήρωσή του.

Το excimer Laser εκπέμπει στο υπεριώδες και μόνο με βραχύχρονους παλμούς. Η εξερχόμενη ισχύς φτάνει τα 100 W. Eίναι σχετικά ακριβό.

Το excimer Laser έχει συμπυκνωμένη ενέργεια και χρησιμοποιείται ως κοπτικό εργαλείο για σχεδόν όλα τα υλικά.

Έχει επίσης εφαρμογή

• (α) στην φωτολιθογραφία (πολύ μεγάλη ακρίβεια)
• (β) στην κοπή βιολογικού ιστού (δεν επηρεάζονται γειτονικά κύτταρα)
• (γ) στην διορθωτική της όρασης (αλλαγή της καμπυλότητας του κερατοειδή)
• (δ) σημάδεμα οποιουδήποτε υλικού (πλαστικό, γυαλί, μέταλλο) (επειδή η ακτινοβολία του μικρού μήκους κύματος απορροφάται από την ύλη).

6.2.3.4. Χημικό Laser

Είναι παράδειγμα συσκευής Laser της οποίας η ενέργεια για τη διέγερση του ενεργού υλικού προέρχεται από χημική αντίδραση μεταξύ δύο ατόμων.

Ανήκει στην οικογένεια των δυναμικών Laser με αέριο, των οποίων η λειτουργία βασίζεται στην ταχεία εκτόνωση θερμού αερίου υπό πίεση, καθώς περνά σε σχεδόν κενό θάλαμο μέσω ειδικής βελόνας. Η ταχεία εκτόνωση ψύχει το αέριο. Η εκτόνωση είναι ταχύτερη από την αποδιέγερση, επομένως μεσολαβεί κατάσταση διεγερμένων μορίων σε χαμηλή θερμοκρασία, δηλαδή συνθήκη αντιστροφής πληθυσμών.

Το αέριο του σωλήνα μπορεί να περνά από πολλές βελόνες ταυτόχρονα προς τον κενό θάλαμο, αυξάνοντας σημαντικά την απόδοση του Laser. Οι βελόνες συνήθως τοποθετούνται στην παράπλευρη επιφάνεια του σωλήνα και με διεύθυνση κάθετη προς τον κύριο άξονα.

Το ενεργό υλικό είναι διατομικό μόριο και οι μεταπηδήσεις γίνονται μεταξύ ενεργειακών επιπέδων ταλάντωσης-δόνησης. Το πιο συνηθισμένο είναι το υδροφθόριο (ΗF) ή σπανιότερα το φθοριούχο δευτέριο (DF) και το υδροχλώριο (HCl). Εκπέμπουν στην υπέρυθρη ζώνη.

Ως πηγή υδρογόνου χρησιμοποιούνται υδρογονάνθρακες.

Φθοριούχο θείο (SF₆) ή φθοριούχο άζωτο (NF₃) χρησιμεύουν ως πηγή φθορίου.

Στα χημικά Laser του εμπορίου προστίθεται οξυγόνο για να αντιδράσει με το θείο και να δώσουν μόρια SO₂. Στο μίγμα προστίθεται και ήλιον, ίσως και άλλα αέρια, ανάλογα με τον συγκεκριμένο τύπο του Laser. Παρόλα αυτά, η συνολική πίεση στο εσωτερικό του Laser χαρακτηρίζεται χαμηλή.

Το χημικό Laser, έχει μεγάλη ισχύ στην έξοδο και γίνεται καλύτερη εκμετάλλευση στο Laser DF (σε σχέση με το HF) επειδή η ατμόσφαιρα είναι πιο διαφανής στη συγκεκριμένη συχνότητα.

Μειονεκτήματα είναι ότι το δευτέριο είναι ακριβό, το φθόριο αντιδρά πολύ εύκολα με άλλα μόρια και το υδρογόνο θέλει προσοχή για να μην εκραγεί.

Στα χημικά Laser του εμπορίου εφαρμόζεται δυναμικό περίπου 8kV και σε μερικά προηγείται έκθεση του αερίου σε ΗΜΑ υπεριώδους για να προ-ιοντιστεί και να αυξηθεί η απόδοση της συσκευής.

Τα χημικά Laser βρίσκουν εφαρμογή στο στρατιωτικό πεδίο, όπως το εξελιγμένο μέσο-υπέρυθρο (MIRACL, Mid Infra Red Advanced Chemical Laser) σχεδιασμένο να καταστρέφει εχθρικούς πυραύλους στον αέρα (συνεχές Laser ισχύος μέχρι 2 ΜW και διάρκειας της τάξης του λεπτού). Μπορεί να ακολουθήσει τα ίχνη τους (με τη βοήθεια υπολογιστών) ακόμη και για 50 km.

Ακόμη μικρότερου μήκους κύματος (~1 μm) είναι το Laser COIL Chemical Oxygen Iodine Laser) (χημικό Laser ιωδίου οξυγόνου), που χρησιμοποιείται επίσης για στρατιωτικούς σκοπούς.

6.2.3.5 Laser μακρινού υπέρυθρου (FIR, Far Infra Red)

Eίναι επίσης Laser αερίου και έχει μήκος κύματος μέχρι και 1000 μm (~1 mm). Oι μεταπηδήσεις συμβαίνουν μεταξύ των υπο-επιπέδων περιστροφής των μορίων του ενεργού υλικού, συνήθως του ίδιου επιπέδου ταλάντωσης-δόνησης. Το ενεργό υλικό είναι ένα απλό, οργανικό μόριο, όπως C₂H₄, CF₄, NH₃, με πολύ λεπτά ενεργειακά επίπεδα. Η αντιστροφή πληθυσμών επιτυγχάνεται με Laser μικρότερου μήκους κύματος, όπως το CO₂.

Στο εργαστήριο μπορούν να παραχθούν χιλιάδες γραμμές (συχνότητες) FIR και η εφαρμογή τους επικεντρώνεται στην φασματοσκοπία.

Επειδή το Laser που προσφέρει την ενέργεια δρα κατά μήκος του άξονα στο σωλήνα, το υλικό του καθρέφτη στο τέλος της διαδρομής πρέπει να είναι διαφανές π.χ. στο CO₂ και μη διαφανές στο Laser του ενεργού υλικού, το οποίο παγιδεύεται και ενισχύεται μετά από πολλές εσωτερικές διαδρομές.

6.3 Laser στερεής κατάστασης

Τα άτομα στη στερεά κατάσταση βρίσκονται πολύ κοντά μεταξύ τους και αλληλοεπιδρούν. Γι’ αυτό το εύρος των γραμμών στα φάσματα εκπομπής και απορρόφησης είναι σημαντικά μεγαλύτερο από το αντίστοιχο των αερίων.

Ευρύ φάσμα απορρόφησης σημαίνει πως η προσφορά ενέργειας μπορεί να γίνει από πηγή φωτός και μάλιστα όχι απαραίτητα Laser.

Το ενεργό υλικό στο Laser στερεής κατάστασης είναι ένα συγκεκριμένο υλικό, όπου όμως έχει γίνει έγχυση άλλου υλικού με τη μορφή ιόντων. Τα ιόντα του υλικού πρόσμιξης αντικαθιστούν άτομα του υλικού βάσης και είναι αυτά που παρέχουν τα κατάλληλα ενεργειακά επίπεδα για τη μεταπήδηση Laser. Το υλικό βάσης επηρεάζει λίγο το μήκος κύματος της HMA εκπομπής. Το ίδιο υλικό πρόσμιξης σε δύο διαφορετικά υλικά βάσης έχει ως αποτέλεσμα παρόμοια ΗΜΑ Laser. Το υλικό βάσης καθορίζει όμως τις φυσικές ιδιότητες του ενεργού υλικού, όπως θερμοχωρητικότητα, διαστολή και επομένως τη μέγιστη δυνατή εκπεμπόμενη ισχύ.

Το στερεό ενεργό υλικό που διεγείρεται με οπτική ακτινοβολία είναι κρύσταλλος ή γυαλί, συνήθως σε σχήμα κυλινδρικό ή παραλληλεπίπεδο. Η ενέργεια εισέρχεται από την παράπλευρη επιφάνεια, ενώ η ΗΜΑ Laser εξέρχεται από μια από τις βάσεις.

Η προσφερόμενη ενέργεια για εκπομπή Laser με παλμούς είναι συνήθως από λάμπες ξένου ή κρυπτού χαμηλής πίεσης.

Η προσφερόμενη ενέργεια για εκπομπή συνεχούς Laser είναι συνήθως από λάμπες αλογόνου ή υδραργύρου υψηλής πίεσης. Τα τελευταία χρόνια εξελίχθηκε και η τεχνολογία των Laser διόδων τα οποία έχουν εφαρμογή και στην προσφορά ενέργειας για Laser στερεάς κατάστασης, επειδή το μήκος κύματος των Laser διόδων μπορεί να προσαρμοστεί και να ταιριάζει στο φάσμα απορρόφησης του ενεργού (στερεού) υλικού.

6.3.1 Laser ρουβινίου

Πρωτοκατασκευάστηκε το 1960. Το ρουβίνιο είναι ένας συνθετικός κρύσταλλος οξειδίου του αλουμινίου (Al₂O₃) και είναι περισσότερο γνωστό ως πολύτιμος λίθος. Καλείται και σάπφειρος (ζαφείρι). Το ρουβίνιο υφίσταται έγχυση ιόντων χρωμίου (Cr⁺³) -ως πρόσμιξη- που αντικαθιστούν άτομα Al.

Μια λάμπα ξένον προσφέρεται ενέργεια στο ενεργό υλικό και τα ιόντα Cr απορροφούν μήκη κύματος της περιοχής 500-600 nm και μεταβαίνουν στο ενεργειακό επίπεδο Ε₃, από το οποίο, αποδιεγειρόμενα «πέφτουν» στο μετασταθερό επίπεδο Ε₂ χωρίς εκπομπή ακτινοβολίας, αλλά με δονήσεις που μετατρέπονται σε θερμότητα. Ο χρόνος ημιζωής του Ε₂ είναι 5 ms.

Το Laser ρουβινίου είναι τριών επιπέδων και άρα δύσκολο να εκπέμψει συνεχή ακτινοβολία. Η λάμπα ενεργοποίησης φορτίζεται με ειδικό πυκνωτή που εκφορτίζεται για μερικά μsec. Επομένως και η διάρκεια των Laser (ερυθρών) παλμών του ρουβινίου θα είναι της ίδιας τάξης μεγέθους.

Τα παραγόμενα φωτόνια εξαναγκάζονται από τους καθρέφτες και διασχίζουν το ενεργό υλικό μπρος-πίσω πολλές φορές, αυτο-πολλαπλασιαζόμενα. Όσα όμως φωτόνια παρεκκλίνουν της παράλληλης προς τον κύριο άξονα πορείας, απορροφώνται από το υλικό της παράπλευρης επιφάνειας.

Η ράβδος – ενεργό υλικό – του Laser ρουβινίου μπορεί να έχει διάμετρο από 0,6-2,0 cm και μήκος από 7-20 cm.

6.3.2 Laser νεοδυμίου

Τα ιόντα νεοδυμίου Νd⁺³ προστίθενται ως προσμίξεις και αντικαθιστούν άτομα τριών (βασικά) στερεών σωμάτων.

• ύαλος
• ΥAG (Yttrium Aluminum Garnet) κρύσταλλος
• YLF (LiYF₄) κρύσταλλος

(α) Ο ύαλος (γυαλί) προτιμάται όταν η εφαρμογή απαιτεί ισχυρούς και αραιούς παλμούς. Το ενεργό υλικό μπορεί να έχει μορφή δίσκου ή κυλίνδρου, διαμέτρου ακόμα και μισού μέτρου και μήκους αρκετών μέτρων, επειδή το γυαλί είναι ισότροπο υλικό και εύκολο στη διαμόρφωση του επιθυμητού σχήματος. Μειονέκτημα της υάλου είναι η μικρή της θερμο-αγωγιμότητα, δηλαδή είναι δύσκολη η απομάκρυνση των παραγόμενων ποσών θερμότητας.

(β) Για συχνούς παλμούς προτιμάται ο κρύσταλλος YAG με μεγαλύτερη θερμική αγωγιμότητα, αλλά οι διαστάσεις του είναι περιορισμένες (διάμετρος μέχρι 15 mm και μήκος μέχρι 30 cm) και η τιμή του υψηλή.

Τα Laser Nd εκπέμπουν στην εγγύς υπέρυθρη περιοχή και διεγείρονται με ΗΜΑ. Είναι Laser τεσσάρων ενεργειακών επιπέδων.

6.3.3. Laser Αλεξανδρίτη (Cr⁺³: BeAl₂O₄)

O κρύσταλλος είναι BeAl₂O₄ και έχει προσμίξεις ιόντων Cr⁺³. H ενεργειακή του διάταξη μοιάζει με την αντίστοιχη του ρουβινίου. Μπορεί όμως να λειτουργήσει είτε ως Laser τριών επιπέδων στα 680 nm είτε ως Laser τεσσάρων επιπέδων στα 720-800 nm.

Με τις προσμίξεις του χρωμίου ο κρύσταλλος γίνεται ασύμμετρος και ουσιαστικά δημιουργείται πηγή ταλαντώσεων-δονήσεων με αποτέλεσμα το Laser Αλεξανδρίτη (όπως και του σαπφείρου-τιτανίου) να μπορεί να εκπέμψει πολλά συνεχόμενα μήκη κύματος. Με ειδικό φίλτρο (π.χ. ένα πρίσμα) στην έξοδο της οπτικής κοιλότητας, επιλέγεται κάθε φορά το ένα μήκος κύματος, το κατάλληλο για κάθε εφαρμογή.

6.3.4. Laser τιτανίου – σαπφείρου

Το υλικό βάσης είναι κρύσταλλος σάπφειρος (Al₂O₃) και οι προσμίξεις είναι ιόντα Τi⁺³, που αντικαθιστούν άτομα Al.

Εκπέμπουν συνεχές ή παλμικό Laser στην περιοχή του εγγύς υπέρυθρου και συχνά οι χρήστες τα προτιμούν από τα Laser χρωστικών (dye Lasers), επειδή είναι πιο αξιόπιστα και εύκολα στους χειρισμούς. Με κατάλληλη ρύθμιση εκπέμπουν και στο ορατό. Η προσφορά ενέργειας γίνεται συνήθως με οπτική άντληση με άλλο Laser - όπως π.χ. Laser Ar⁺ - και έχει πολύ καλή απόδοση.

Τα χρησιμοποιούν σε ερευνητικά εργαστήρια και ειδικότερα στη φασματοσκοπία. Βοηθούν όμως και στη μέτρηση υδρατμών και αερολυμάτων στην ατμόσφαιρα, όπως και στη μελέτη των επιπτώσεών τους.

Με προσεκτική ενίσχυση μπορούν να δώσουν παλμούς Laser ισχύος και μέχρι 10¹² W και διάρκειας ως 10^-15 sec, επαλαμβανόμενους με 10 Ηz.

6.4. Laser διόδων (ημιαγωγοί-έγχυση)

Καλούνται και (α) Laser ημιαγωγών από το υλικό κατασκευής τους, (β) Laser επαφής εξαιτίας της ζώνης επαφής p-n και (γ) Laser έγχυσης επειδή το εφαρμοζόμενο δυναμικό εγχύει ηλεκτρόνια στη ζώνη της επαφής.

Είναι τα πλέον διαδεδομένα στο εμπόριο. Χρησιμοποιούνται σε ποικιλία καταναλωτικών προϊόντων: compact disks, Laser printers, bar code scanners και γενικά στην «οπτική επικοινωνία».

Σύντομη υπενθύμιση:

Τα στερεά σώματα χωρίζονται σε τρεις ομάδες:

• (α) οι μονωτές, μέσα από τους οποίους το ηλεκτρικό ρεύμα περνά πολύ δύσκολα (χαλαζίας, διαμάντι, ρουβίνιο, πλαστικό)
• (β) οι αγωγοί, οι οποίοι άγουν πολύ εύκολα το ηλεκτρικό ρεύμα (όλα τα μέταλλα)
• (γ) οι ημιαγωγοί με «ενδιάμεση» απόδοση στη δίοδο του ηλεκτρικού ρεύματος (γερμάνιο Ge, πυρίτιο Si, GaAs, InP, GaAlAs). Η αγωγιμότητα στους ημιαγωγούς αυξάνεται με την θερμοκρασία, ενώ στους αγωγούς μειώνεται.

6.4.1 Η πολυπλοκότητα στα ενεργειακά επίπεδα – ενεργειακές ζώνες

Τα άτομα ή τα μόρια των αερίων έχουν μεταξύ τους μεγάλες αποστάσεις και μπορούν να θεωρηθούν ως ενεργειακά μεμονωμένα.

Με παρόμοια θεώρηση, μεμονωμένες ενεργειακά βρίσκονται και οι προσμίξεις – άτομα ενός υλικού μέσα σε ένα στερεό σώμα -.

Σε ένα αέριο τα ενεργειακά επίπεδα είναι καλά διαχωρισμένα μεταξύ τους.

Τα ηλεκτρόνια όμως ενός ημιαγωγού ανήκουν σε ευρείες ζώνες ενέργειας, κάθε μια εκ των οποίων περιέχει πολλά ενεργειακά επίπεδα.

Αυτές οι ζώνες ενέργειας ανήκουν σε ολόκληρο το υλικό και δεν σχετίζονται με μεμονωμένα άτομα. Το εύρος της ζώνης αυξάνεται όταν η απόσταση μεταξύ των ατόμων μειώνεται και η αλληλεπίδραση των γειτονικών ατόμων αυξάνεται.

Οι ενεργειακές ζώνες είναι δύο ειδών:

• (i) η ζώνη σθένους (τα ηλεκτρόνια αυτής της ζώνης είναι «δεμένα» στα άτομα)
• (ii) η ζώνη αγωγιμότητας (τα ηλεκτρόνια αυτής της ζώνης κινούνται ελεύθερα μέσα στο υλικό)

Η απόσταση που χωρίζει τις δυο αυτές ζώνες καλείται «ενεργειακό κενό», επειδή δεν μπορεί να υπάρχουν ηλεκτρόνια με ενέργεια αυτής της ενδιάμεσης περιοχής.

Αν κάποιο ηλεκτρόνιο της «κάτω» ζώνης σθένους αποκτήσει πρόσθετη ενέργεια, θα προσπεράσει το κενό και θα φτάσει στη ζώνη αγωγιμότητας. Μόνον εάν υπάρχουν ηλεκτρόνια στη ζώνη αγωγιμότητας μπορεί το ηλεκτρικό ρεύμα να διαπεράσει το υλικό.

Το ενεργειακό κενό στα υλικά-μονωτές είναι πολύ μεγάλο και δύσκολα περνούν ηλεκτρόνια στη ζώνη αγωγιμότητας.

Στα υλικά-αγωγούς οι δυο ζώνες κατά ένα μέρος αλληλοεπικαλύπτονται. Ουσιαστικά δεν υπάρχει κενό και τα ηλεκτρόνια με λίγη πρόσθετη ενέργεια άγουν το ηλεκτρικό ρεύμα.

Οι ημιαγωγοί βρίσκονται στην ενδιάμεση κατάσταση. Μερικά υλικά άγουν ακόμη και σε θερμοκρασία δωματίου. Όμως γενικά, όσο αυξάνεται η θερμοκρασία τόσο αυξάνεται και ο πληθυσμός της ζώνης αγωγιμότητας.

Όταν ένα ηλεκτρόνιο εγκαταλείπει τη ζώνη σθένους για να «ανέβει» στη ζώνη αγωγιμότητας, στη ζώνη σθένους μένει-δημιουργείται μια οπή. Οι οπές έχουν συμπεριφορά θετικών φορτίων κινούμενων στη ζώνη σθένους όταν εφαρμοσθεί ηλεκτρικό δυναμικό.

Στη διαδικασία της αγωγιμότητας μετέχουν και τα ηλεκτρόνια της ζώνης αγωγιμότητας, και οι οπές της ζώνης σθένους.

Για τον έλεγχο του είδους και της πυκνότητας των φορέων φορτίου σε έναν ημιαγωγό, προστίθενται προσμίξεις ουδέτερων ατόμων.

6.4.2 Προσμίξεις

Σε ένα «καθαρό» ημιαγώγιμο υλικό η θέση και η απόσταση των ζωνών ενέργειας καθορίζονται από το υλικό. Προσθέτοντας υλικό πρόσμιξης με δικούς του φορείς φορτίων, εμφανίζονται νέα ενεργειακά επίπεδα στο ενεργειακό κενό.

Εάν το υλικό πρόσμιξης περιέχει περισσότερα ηλεκτρόνια από το βασικό υλικό, οι επιπλέον φορείς φορτίου είναι αρνητικοί (ηλεκτρόνια) και το υλικό-σύνολο καλείται ημιαγωγός «τύπου n, δότης». Στον ημιαγωγό αυτό τα επιπλέον ενεργειακά επίπεδα βρίσκονται πλησιέστερα στη ζώνη αγωγιμότητας. Με μικρή (εξωτερική) προσφορά ενέργειας τα ηλεκτρόνια μεταπηδούν στη ζώνη αγωγιμότητας και διευκολύνεται η διέλευση του ηλεκτρικού ρεύματος.

Εάν το υλικό πρόσμιξης περιέχει λιγότερα ηλεκτρόνια από το βασικό υλικό, τα επιπλέον ενεργειακά επίπεδα βρίσκονται πλησιέστερα στη ζώνη σθένους. Με προσφορά εξωτερικής ενέργειας ηλεκτρόνια από τη ζώνη σθένους διεγείρονται προς τα πρόσθετα επίπεδα, αφήνοντας πίσω τους «θετικές οπές». Το υλικό-σύνολο καλείται ημιαγωγός «τύπου p, δέκτης».

Όταν ένας ημιαγωγός n και ένας ημιαγωγός p έρθουν σε επαφή, σχηματίζεται η επαφή p-n, η οποία άγει το ηλεκτρικό ρεύμα κατά προτίμηση προς τη μία κατεύθυνση. Αυτή η κατευθυνόμενη αγωγιμότητα είναι το κύριο χαρακτηριστικό στις διόδους και τριόδους της ηλεκτρονικής και ερμηνεύεται με την κατανόηση της διαμόρφωσης των ενεργειακών ζωνών.

6.4.3. Εκπομπή ΗΜΑ Laser

Όταν ο θετικός πόλος πηγής δυναμικού συνδεθεί στη μεριά του υλικού p, η επαφή p-n άγει το ρεύμα. Όταν ο θετικός πόλος συνδεθεί στη μεριά του υλικού n, δημιουργείται ένα φράγμα δυναμικού στην επαφή που εμποδίζει τη διέλευση του ρεύματος.

Στην πρώτη περίπτωση το δυναμικό δημιουργεί επιπλέον φορείς φορτίου, ηλεκτρόνια της ζώνης αγωγιμότητας του υλικού “n” διαπερνούν τη ζώνη επαφής και συναντούν οπές p στη ζώνη σθένους του υλικού “p”, επανενώνονται και απελευθερώνεται ενέργεια.

Στα Laser διόδων, η ενέργεια που απελευθερώνεται είναι ΗΜΑ, με μέγιστη απόδοση όταν η προσφερόμενη ενέργεια (μέσω της διαφοράς δυναμικού που εφαρμόζεται) είναι περίπου ίση με την ενεργειακή διαφορά μεταξύ ζώνης αγωγιμότητας και ζώνης σθένους. Το ενεργειακό υλικό βρίσκεται στην επαφή p-n και το μήκος του καθορίζεται από τις θέσεις όπου τοποθετούνται οι δυο καθρέφτες.

Το μήκος κύματος της ΗΜΑ Laser καθορίζεται από τη χημική σύσταση των υλικών p και n, καθώς και από την κρυσταλλική δομή τους.

Αν δεν δημιουργηθεί αντιστροφή πληθυσμών τα φωτόνια παράγονται με αυθόρμητη εκπομπή, δεν έχουμε Laser, αλλά δίοδο LED (Light Emitting Diode).

Όταν η τιμή του ηλεκτρικού ρεύματος περάσει ένα κατώφλι, δημιουργούνται οι συνθήκες για αντιστροφή πληθυσμών και παραγωγή φωτός Laser, οπότε η απόδοση της συσκευής αυξάνεται σημαντικά.

Πρόβλημα στα Laser διόδων είναι η εξάρτηση της τιμής ρεύματος κατωφλίου από τη θερμοκρασία. Όσο περισσότερο ηλεκτρικό ρεύμα διέρχεται στην επαφή p-n, τόσο μεγαλύτερο ποσό θερμότητας παράγεται και τόσο αυξάνεται και η τιμή του ρεύματος κατωφλίου, διαταράσσοντας την ομαλή λειτουργία του Laser, μεταβάλλοντας και το μήκος κύματος.

6.4.4. Διάχυση της ΗΜΑ Laser διόδων

Η εξερχόμενη δέσμη Laser από το ενεργό υλικό της διόδου διαχέεται προς όλες τις κατευθύνσεις, σε γωνίες το μέγεθος των οποίων εξαρτάται από τις διαστάσεις της ενεργής περιοχής.

Εξελίχθηκε τεχνολογία για τον περιορισμό της διάχυσης, επιλέγοντας τα υλικά που «αγκαλιάζουν» την ζώνη επαφής. Το υλικό της επαφής είναι συνήθως p-GaAs και αναπτύχθηκαν τα υλικά p-GaAlAs και n-GaAlAs που, κατάλληλα «στρωμένα» στις δυο πλευρές της επαφής, (αλλά και στο κάθετο προς αυτήν επίπεδο) διαμορφώνουν το ενεργειακό κενό (χάσμα) και τον δείκτη διάθλασης της όλης περιοχής με τρόπο που η εξερχόμενη ΗΜΑ να έχει ελάχιστη γωνία απόκλισης και να παραμένει συγκεντρωμένη στον άξονα διάδοσης.

6.4.5. Πλεονεκτήματα του Laser διόδων

• Μεγάλη απόδοση
• Υψηλή αξιοπιστία
• Μεγάλη διάρκεια ζωής (100 χρόνια συνεχούς λειτουργίας)
• Οικονομικό (μαζική παραγωγή και μικρή κατανάλωση ενέργειας)
• Εφικτός ρυθμός δεκάδων GHz (ισοδυναμεί με ταυτόχρονη μετάδοση 5000 τηλεφωνικών κλήσεων σε μια οπτική ίνα)
• Μικρός όγκος και βάρος
• Λεπτή δέσμη συχνοτήτων

6.5 Laser υγρού (dye-χρωστικών)

Το Laser χρωστικών μπορεί να θεωρηθεί ως ειδική συσκευή μετατροπής ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας ενός μήκους κύματος σε ένα άλλο και μάλιστα προσαρμόσιμο κατά το επιθυμητό. Η περιοχή συχνοτήτων μέσα στην οποία μπορεί να γίνει η προσαρμογή, εξαρτάται από τη χρωστική.

Μόρια χρωστικής (dye) συνήθως είναι οργανικά φθορίζοντα συμπλέγματα, που περιέχουν μεγάλο αριθμό κυκλικών δομών. Το ενεργό υλικό Laser χρωστικής είναι τέτοια μόρια χρωστικής διαλελυμένα συνήθως σε αλκοόλη. Από την αλληλεπίδραση των μορίων χρωστικής με το διαλύτη διευρύνεται η ζώνη των ενεργειακών επιπέδων ταλάντωσης-δόνησης και σχηματίζεται ευρεία ζώνη εκπεμπομένων (αλλά και απορροφούμενων) συχνοτήτων.

Το διάγραμμα των ενεργειακών επιπέδων στα Laser χρωστικών είναι ιδιαίτερα πολύπλοκο.

Ο χρόνος ημιζωής του διεγερμένου επιπέδου είναι σύντομος, επειδή υπάρχουν πολλοί δρόμοι αποδιέγερσης και παράλληλα ο αριθμός συγκρούσεων μεταξύ των μορίων στην υγρή κατάσταση είναι μεγάλος. Με κάθε σύγκρουση διαρρέει ενέργεια από τη διεγερμένη κατάσταση.

Στο Laser χρωστικής η προσφορά ενέργειας γίνεται με οπτική άντληση: φωτισμός με ΗΜΑ κατάλληλου μήκους κύματος. Η προσφερόμενη ενέργεια είναι μεγαλύτερη της εκπεμπόμενης επειδή υπάρχει απώλεια ενέργειας κατά τη διαδικασία της «μεταφοράς». Επομένως τα εκπεμπόμενα μήκη κύματος είναι μεγαλύτερα των αντίστοιχων της απορρόφησης.

Είναι εφικτή σημαντική ισχύς της ΗΜΑ Laser στην έξοδο επειδή υπάρχουν πολλά μόρια χρωστικής (ενεργό υλικό), σε σχέση με το μικρό ποσοστό των ιόντων στο ενεργό υλικό των Laser στερεής κατάστασης.

Απαραίτητες προϋποθέσεις λειτουργίας του Laser υγρής κατάστασης είναι να απορροφά έντονα τα μήκη κύματος που προκαλούν τη διέγερσή του και να μην απορροφά τα μήκη κύματος που το ίδιο εκπέμπει.

Ο φωτισμός του ενεργού υλικού μπορεί να γίνει εξωτερικά ή όλου του υγρού που βρίσκεται σε διαφανές δοχείο ή του μέρους του υγρού που κατά τη διάρκεια ροής του περνά από ειδικά διαμορφωμένο ακροφύσιο.

Η επιλογή του επιθυμητού μήκους κύματος εξόδου γίνεται με κατάλληλη τοποθέτηση ενός πρίσματος ή ενός πλέγματος.

Πλεονεκτήματα του dye Laser είναι η έμφυτη ομοιογένεια, η εύκολη επιλογή του επιθυμητού μήκους κύματος (καταρχήν με επιλογή του είδους του υγρού), η εύκολη απομάκρυνση του περισσού ποσού θερμότητας (με ροή του ίδιου του υγρού), η λεπτή ζώνη εξερχομένων συχνοτήτων και η πολύ μικρή διάρκεια των παραγόμενων παλμών Laser.

Μειονεκτήματα του dye Laser είναι η δύσκολη συντήρηση της συσκευής, η παρουσία-χρήση δεύτερου Laser ως πηγή ενέργειας, ο μικρός χρόνος ζωής της χρωστικής, η χρήση, συχνά τοξικών χημικών και εξατμιζόμενων διαλυτών.

Νέα τεχνολογία οδηγεί προς Laser χρωστικών στερεής κατάστασης. Χαρακτηριστικές εφαρμογές του Laser χρωστικών είναι (α) η καταστροφή καρκινικών όγκων που απορροφούν εκλεκτικά συγκεκριμένα μήκη κύματος (β) η φωτοδυναμική θεραπεία (γ) η κονιορτοποίηση λίθων στους νεφρούς με κρουστικά κύματα που δημιουργούν οι βραχείς παλμοί του Laser.

6.6. Laser ειδικής σύστασης

Ειδική σύσταση μπορεί να έχει το σύστημα προσφοράς ενέργειας (Laser ελεύθερου ηλεκτρόνιου), η ενέργεια της εξερχόμενης ακτινοβολίας (Laser ακτίνων Χ) ή το ενεργό υλικό (Laser ινών).

Υπό έρευνα βρίσκεται η κατασκευή Laser που να «προσπερνά» τη διαδικασία της αντιστροφής πληθυσμών, όπως και ατομικό Laser πολύ χαμηλής θερμοκρασίας.

6.6.1 Laser ελεύθερου ηλεκτρονίου

Το Laser ελεύθερου ηλεκτρονίου είναι μια συσκευή υψηλής απόδοσης που εκπέμπει ΗΜΑ Laser οπουδήποτε μήκους κύματος το οποίο εξαρτάται από το σχεδιασμό της συσκευής και όχι από τις ιδιότητες του ενεργού υλικού.

Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια ανήκουν σε δέσμη ηλεκτρονίων και επιταχύνονται σε κενό. Τα ηλεκτρόνια δεν ανήκουν σε άτομα ή μόρια, επομένως μπορούν να μεταπηδούν μεταξύ οποιωνδήποτε ενεργειακών επιπέδων-καταστάσεων.

Τα ηλεκτρόνια έχουν ταχύτητα κοντά στην ταχύτητα του φωτός. Υπάρχει ΗΜΑ που κινείται προς την ίδια κατεύθυνση με τα ηλεκτρόνια. Υπάρχει και ειδικά διαμορφωμένο περιοδικά μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο, από σειρά μαγνητών τοποθετημένων σε κατάλληλες θέσεις.

Σύμφωνα με τη δύναμη Lorenz F = qu * B,

Εάν το μαγνητικό πεδίο (Β) είναι κάθετο στην ταχύτητα (u) του φορτίου q (ηλεκτρόνιο), του ασκεί δύναμη F κάθετα στο επίπεδο των u, Β. Περιοδικά ασκούμενο μαγνητικό πεδίο μεταβάλλει κατά βήματα τη διεύθυνση κίνησης του ηλεκτρονίου, που χάνει ενέργεια με μορφή ΗΜΑ (επιτάχυνση ηλεκτρικού φορτίου → εκπομπή ΗΜΑ). Το εκπεμπόμενο μήκος κύματος καθορίζεται από την περιοδικότητα του μαγνητικού πεδίου και την κινητική ενέργεια των ηλεκτρονίων.

Τα επιταχυνόμενα ηλεκτρόνια μεταδίδουν μέρος της ενέργειάς τους στο «συμπορευόμενο» ΗΜ κύμα και ειδικότερα στην «ηλεκτρική» συνιστώσα του, εφόσον είναι πολωμένο για να διατηρείται η ταλάντωσή του σε ένα συγκεκριμένο επίπεδο, κάθετο προς το επίπεδο του επιπρόσθετου περιοδικού μαγνητικού πεδίου.

Αρχικά οι εφαρμογές του Laser ελεύθερου ηλεκτρονίου ήταν στον στρατιωτικό τομέα, αλλά σήμερα έχει εφαρμογές και στον ιατρικό τομέα, κυρίως επειδή μπορεί να γίνει επιλογή του μήκους κύματος ώστε να αλληλεπιδρά κατάλληλα με βιολογικούς ιστούς.

Υπάρχουν όμως μειονεκτήματα επειδή η συσκευές αυτές απαιτούν ηλεκτρικό ρεύμα χιλιάδων Amperes και υψηλό δυναμικό χιλιάδων Volts για να επιτευχθούν οι απαιτούμενες ταχύτητες των ηλεκτρονίων.

Η συσκευή έχει μεγάλες διαστάσεις, υψηλό κόστος και αναπόφευκτα δημιουργούνται επικίνδυνες ακτίνες Χ.

Βέβαια η εξερχόμενη ΗΜΑ μπορεί να έχει ισχύ ακόμη και Giga Watt.

6.6.2 Laser ακτίνων Χ

Θεωρητικά η ΗΜΑ Laser μπορεί να έχει μήκος κύματος της περιοχής των ακτίνων Χ ή γ. Όμως το ΗΜΑ Laser στο ορατό ή στο εγγύς υπέρυθρο δημιουργείται από μεταπηδήσεις ηλεκτρονίων μεταξύ «εξωτερικών» ενεργειακών επιπέδων στα άτομα ή στα μόρια.

Για τη δημιουργία ΗΜΑ στην περιοχή των ακτίνων Χ απαιτείται μεταπήδηση πολύ μεγαλύτερης ενεργειακής απόστασης, δηλαδή από τα «εξωτερικά» ενεργειακά επίπεδα προς τα «εσωτερικά». Απαιτείται προσφορά πολύ μεγαλύτερης ενέργειας για τη διέγερση του ενεργού υλικού και μάλιστα σε πολύ σύντομο χρονικό διάστημα, καθόσον ο χρόνος ημιζωής των διεγερμένων καταστάσεων, είναι πολύ μικρός.

Τέτοια ενέργεια μπορεί να αποσπασθεί από πυρηνική έκρηξη, η οποία θα ήταν ικανή να «οπλίσει» ταυτόχρονα πολλά Laser ακτίνων Χ.

Το τεράστιο ποσό ενέργειας εξατμίζει το ενεργό υλικό, το μετατρέπει σε πλάσμα (κατάσταση υλικού όπου ηλεκτρόνια και ιόντα παραμένουν χωριστά) και όταν μερικά από τα «ελεύθερα» ηλεκτρόνια «νιώσουν» την έλξη του θετικού πυρήνα και παγιδευτούν σε εσωτερικές τροχιές, απελευθερώνεται ΗΜΑ ακτίνων Χ. Η κατάσταση πλάσματος είναι από «φύση της» κατάσταση αντιστροφής πληθυσμών.

Η διαδικασία είναι σημαντικά αποδοτική και δεν χρειάζονται καθρέφτες για ενίσχυση.

Από τη γεωμετρία του όγκου του πλάσματος στο χώρο εξαρτάται η τάση διασποράς της δημιουργούμενης δέσμης Laser.

Στο εργαστήριο Laser ακτίνων Χ έδωσε ΗΜΑ ισχύος Tera Watt (10¹² W) με διάρκεια μικρότερα του nanosecond (10^-9 s).

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