PLINSKI LASERI

PLINSKI IZBOJ

U svakoj laserskoj akciji (lasiranju), bez obzira na agregatno stanje aktivne tvari - medija, imamo isti problem: stvoriti veliki broj pobuđenih atoma i postići populacijsku inverziju.

Za medij u plinovitom stanju, kakav sada promatramo, niti jedna metoda pobude nije tako pogodna kao elektronski sudari u plinskom izboju. Ovaj tip pobude efikasan je za svaki plinski medij, bez obzira da li se radi o atomskom, ionskom ili molekularnom laseru. Prolaskom struje dovoljnog intenziteta kroz plin može se postići dovoljno intenzivna emisija, a proces na kome se ona bazira su međusobni sudari elektrona sa atomima ili molekulama.

U plinu koji se nalazi u termičkoj ravnoteži, brzine atoma ili molekula raspoređene su prema Maxwellovoj raspodjeli:

                                                                   (20)

gdje je N broj molekula u jedinici volumena, v = brzina, v₀ najvjerojatnija

orzina, a dN je broj molekula koje leže u intervalu između v i v+dv.

v_o je dano:                                                                                 (21)

U prostoru između elektroda čestice se međusobno sudaraju ostvarujuci tako izmjenu impulsa i energije. Dio putanje između dva uzastopna sudara zovemo slobodnim putem, a prosječnu vrijednost svih slobodnih puteva - srednjim slobodnim putem. Ova je veličina, naravno, ovisna o veličini čestica koje se sudaraju, gustoći plina, kao i o brzini čestica u momentu sudara.

Za srednji slobodni put l, prema kinetičkoj  teoriji plinova, imamo:

  gdje je d promjer čestice (atom ili molekula), a N je gustoća čestica.    (22)

Za gibanje elektrona među atomima ili molekulama istovrsnog plina, dobivamo za l_e uz pretpostavku da je brzina elektrona v_e mnogo veća od brzine neutralne molekule v_m:

                                                                                (23)

Ovdje smo uveli veličinu:

                                                                                                   (24)

koja se naziva udarnim presjekom molekule (atoma) plina za sudar s elektronom, a mjeri se u cm².

Veličina

                                                                                                (25)

naziva se totalni udarni presjek svih molekula u jedinici volumena i daje broj svih sudara duž jedinice puta. Prema tome, efikasnost pobuđivanja sudarom može se izražavati pomoću udarnog presjeka. Orijentacije radi, udarni presjek za sudar atom-atom iznosi oko  10-16 cm².

Sudari između čestica u plinu mogu biti elastični i neelastični. Kao što je poznato, kod elastičnih sudara suma kinetičkih energija čestica prije i poslije sudara je jednaka. Kod neelastičnih sudara dio kinetičke energije prelazi u potencijalnu energiju atoma (molekula).

Pojam potencijalne energije atoma povezan je sa energetskim nivoima elektrona u atomu. U normalnom stanju elektroni se nalaze u najnižim energetskim nivoima. Dovođenjem energije izvana, može doći do prijelaza elektrona na viši nivo ako je iznos energije dovoljan za ostvarenje skoka, a u skladu sa selekcijskim pravilima.

Ako energija jedne od čestica koje sudjeluju u sudaru postepeno raste, nastupiće uvjeti u jednom času za neelastični sudar. U tom slučaju dio energije biće utrošen na dizanje jednog elektrona na viši energetski nivo, tj. na pobuđivanje atoma. Međutim, vjerojatnost da će sudar između elektrona koji imaju baš tu energiju i atoma plina biti neelastičan, vrlo je mala, pa svega samo nekoliko postotaka svih sudara dovodi do pobuđivanja.

Povećanjem energije elektrona dolazi do mogućnosti za ionizaciju atoma. Energija primarnog elektrona troši se na odvajanje elektrona od atoma i davanja početne brzine izbačenom elektronu. Izboj, koji je do sada bio vezan uz primarnu ionizaciju, prelazi iz nesamostalnog u samostalni, kojem više nije potrebna primarna ionizacija. Budući da svaki elektron na opisani način stvara novi elektron duž puta kojim se kreće, dolazi do velike multiplikacije nosioca naboja, što ima za posljedicu veliki porast struje. Ovisno o tome kolika je struja koja prolazi kroz cijev, samostalni izboj može biti:

1. tamni izboj, ako je struja kroz cijev 10^-14 - 10^-10 A/m²,

2. tinjavi izboj, ako je struja kroz cijev 10^-7 A/m² (ovakav izboj koriste atomski i molekularni laseri),

3. lučni izboj, ako struja kroz cijev iznosi oko 10^-4 A/m² i više. (Ovakav izboj koriste ionski laseri.)

Shematski prikaz plinske cijevi i V—I karakteristika plinskog izboja dani su na slikama:

(slika 8: shematski prikaz plinske cijevi)

(slika 9:V - I karakteristika plinskog izboja)

Govoreći o vrstama izboja kod pojedinih plinskih lasera, spomenimo da upravo tip izboja određuje temperaturu plazme u cijevi, a ova direktno utječe na Dopplerovu širinu linije.

Dopplerova širina nastaje zbog termalnih gibanja atoma i njihovih interakcija sa stojnim valom optičkog polja unutar rezonatora.

Laseri na neutralnom atomskom plinu operiraju blizu sobne temperature (ne više od 500K). Doplerova širina tako izražava temperaturu plazme. Tako, npr., kod He-Ne lasera širina linije iznosi  približno 1700 MHz pri temperaturi plazme od stotinjak °C.

U ionskim laserima Doplerova širina znatno je veća, posebno kod onih u kontinuiranom režimu rada, zbog relativno visoke ionske temperature. Za Ar, npr., širina linije iznosi oko 3500 MHz, što odgovara temperaturi plazme od 3000 K. Taj je iznos nešto niži kod impulsnih lasera.

Mjerenja na teškim plemenitim plinovima, Kr i Xe, pokazuju temperaturu između 2000 i 3000 K, sa korespondentnim širinama linija od oko 2500 MHz.

Dopplerova širina molekularnih lasera biće manja zbog hladne plazme. Budući da su molekule teže od atoma koji se koriste u neutralnim atomskim laserima i jer su manje pokretne, njihove Doplerove širine linija su veoma male, oko 50 -100 MHz.

ATOMSKI LASER

HE - NE LASER

Cijev atomskog lasera ispunjena je plinom slobodnih atoma, koji se pobuđuju električnim izbojem. Pobuđivanje, u stvari, vrše elektroni u procesu sudara sa atomima na način koji smo opisali ranije. Od svih faktora koji utječu na koncentraciju atoma u različitim energetskim stanjima, izazvanu ovim mehanizmom pobude, spomenimo samo dva ključna:

1. Broj sudara elektrona sa atomima,

2. Energetska promjena pobuđenih atoma kroz spontanu emisiju

Prvi faktor ovisan je o broju prisutnih elektrona, tj. o struji kroz cijev, što znači da se može kontrolirati. Drugi faktor ovisi o karakteristikama atoma, ali i o eksperimentalnim uvjetima.

Problem se, zapravo, svodi na sljedeće: Elektroni koji vrše pobuđivanje atoma plina (neon) neelastičnim sudarom, imaju različite brzine dane Maxwellovom raspodjelom. Kako atomi neona imaju velik broj energetskih nivoa na koje se mogu pobuditi, rezultat će biti veliki broj neonovih atoma pobuđenih na mnoštvo različitih energetskih nivoa. Nažalost, od cijelog niza tih nivoa samo jedan određeni može uzeti učešće u laserskoj akciji, dok su svi ostali izgubljeni, što je izazvalo velike probleme u konstrukciji lasera, (Realizacija He-Ne lasera uslijedila je kada su već postojećem plinu u cijevi (neon) dodani atomi koji sadrže metastabilne nivoe (atomi helija).

Kod toga je značajno da su helijevi metastabilni nivoi po energiji vrlo bliski nivoima neonovih pobuđenih stanja. Ako ostvarimo izboj u takvoj plinskoj smjesi, mnogi od helijevih atoma pobudiće se na visoke energetske nivoe, a zatim kaskadno relaksirati na niže - metastabilne nivoe. Budući da odatle ne mogu jednostavno prijeći na osnovno stanje, oni lutaju okolo pobuđeni i udaraju ili u zidove cijevi, ili se sudaraju sa susjednim neonovim atomima, koji se nalaze u osnovnom stanju. Tom prilikom dolazi do prijenosa energije na atome neona i do njihova pobuđivanja na energetske nivoe A ili B.Na taj način uspjeli smo postići da se neonovi atomi pobude upravo na one nivoe sa kojih mogu uzeti učešće u laserskoj akciji.

Prijenos energije sa atoma helija na atom neona i njegovo pobuđivanje - pobuđivanje na sasvim određeni nivo - naziva se selektivnim pobuđivanjem. Kada je Ne atom u stanju B, gubi nešto svoje energije i ide u stanje D, te emitira IC zračenje na valnoj dužini od 1,15. Međutim, D nivoi nisu sasvim pogodni za ostvarenje laserske akcije zbog kratkog vremena života, pa elektroni brzo prelaze u stanje E.

Pod okolnostima koje omogućuju da se dio atoma nađe u stanju B, kao i da se ostvari brzi prijelaz iz stanja D u E, ostvaruju se uslovi za populacijsku inverziju između nivoa B i D. Laser koji koristi ove prijelaze emitira u IC području, kao što je bila situacija sa prvim takvim laserom, no ubrzo je otkriveno da se mogu koristiti i metastabilni nivoi više energije He atoma. Time se postiže pobuđenje i laserska emisija Ne u vidljivom području. To je ostvareno korištenjem posebne vrste zrcala, koje selektivno reflektira. Selektivna refleksija podešena je tako da je najbolje reflektirana crvena svjetlost, a veoma slabo IC, pa se ona i izgubi. Valna dužina svjetlosti koju emitira takav     He-Ne laser iznosi 632,8 nm.

Ako definiramo radnu efikasnost lasera kao omjer izlazne snage laserskog snopa, prema ulaznoj snazi električnog izboja, tada će radna efikasnost biti uvijek manja od kvantne efikasnosti. Pod kvantnom efikasnošću podrazumijevamo omjer broja emitiranih fotona i broja elektrona koji sudjeluju u sudaru. Ako pobuda nije selektivna, rezultat će biti da je samo mali dio uložene energije u izboj efikasan u pobudi. Mogućnost poboljšanja leži u kombinaciji visoke kvantne efikasnosti sa selektivnim mehanizmom pobude. Iz ovih razloga selektivna pobuda koristi se u svim plinskim laserima kad god je to moguće.

(slika 10: vanjska pobuda He-Ne lasera)

Prvi He-Ne laser, koji je konstruirao Ali Javan sa suradnicima, shematski je prikazan na sici. Imao je vanjske elektrode i pobudu iz visokofrekventnog generatora frekvencije desetak MHz (~26 MHz) i snage 20-100 W. Elektromagnetsko polje u plinskoj cijevi stvara se pomoću prstenastih elektroda koje akceleriraju elektrone i čine ih sposobnim za pobudu.

Dužina cijevi komercijalnih He-Ne lasera kreće se od 20—200 cm, a parcijalni pritisci su za He 133,33 Pa, a za Ne oko 13,33 Pa, ali ti podaci dosta variraju.

IONSKI LASER

ARGONSKI IONSKI LASER

Familija ionskih lasera razlikuje se od ostalih plinskih lasera po svojim karakteristikama koje omogućuju da se stvori snažni laser sa kontinuiranim režimom rada u vidljivom i ultraljubičastom području spektra.

Bazični proces generacije ionskog lasera uključuje energetska stanja dobivena u plinskom izboju dvostepenim procesom u kojem se neutralni atom najprije ionizira direktnim sudarom sa elektronom, a zatim se pozitivni ion pobudi na različite energetske nivoe odgovarajućim sudarima sa elektronima. Slika ilustrira djelomični energetski dijagram jednostruko ioniziranog argonskog atoma, označenog kao Ar II, koji predstavlja aktivni medij argonskog ionskog lasera.

Budući da su ta pobuđena stanja oko 20 eV iznad ionizacijskog potencijala od 15,8 eV neutralnog argona, lasirajući sistem zahtijeva veliku gustoću elektrona, s velikom energijom da bi se ostvarila odgovarajuća populacija nivoa. Laserska se akcija zbiva na 8 vidljivih linija između 457,9 nm i 514,5 nm u plavo-zelenom dijelu spektra. Ioni sa tih nivoa prelaze u osnovno stanje kroz ultravioletnu emisiju. Najjača individualna laserska emisija dobivena je na 514,5 i 488 nm.

(slika 11: energetski nivoi Ar II)

Izbojna cijev ionskog lasera mora biti specijalne konstrukcije da izdrži visoku gustoću struje izboja, potrebnog za pobuđivanje argona. Ozbiljan je problem u tome da vruća plazma i ionsko bombardiranje u izboju izazivaju promjene u samoj stijenci, što dovodi do erozije, naprezanja i uništenja cijevi.

Rješavanje problema kapilarne erozije otpočelo je u dva pravca:

Jedan je upotreba visokotemperaturne keramike za izradu cijevi. Međutim, takvi se materijali ne mogu koristiti sami već u kombinaciji s metalima zbog odvođenja topline.

Drugi je pravac upotreba metalnih dijelova u kratkim sekvencama čija je dužina izabrana tako da razlika potencijala unutar luka od jedne do druge sekcije nije dovoljno velika da bi stvorila kratki spoj za izboj. Prostor između metalnih sekcija ispunjen je keramikom od koje metal preuzima toplinu i hladi je. Ova tehnika pokazala se uspješnom u dobivanju velikih gustoća struje. Veoma često koristi se kvarcna cijev, no za mnoge komercijalne lasere primjenjuje se segmentirana grafitna cijev ili cijev od BaO, konstruirana da izdrži

(slika 12: shematski prikaz cijevi ionskog lasera)

visoka termička oštećenja i eroziju zidova. Takve cijevi hlade se vodom, no izgleda da nemaju dugi vijek trajanja. Budući da se zahtijeva struja od oko 5 A i više, dodano je aksijalno magnetsko polje da stabilizira izboj i drži plazmu podalje od zidova cijevi (slika 13).

(slika 13: aksijalno magnetno polje)

Kako smo naveli, Ar laser može operirati na 8 valnih dužina. Ako se zahtijeva operacija na jednoj određenoj valnoj dužini, unutar optičkog rezonatora postavi se disperziona prizma, koja vrši diskriminaciju neželjenih valnih dužina.

MOLEKULARNI LASER

POBUĐIVANJE MOLEKULA

Molekularni laseri, kao i drugi plinski laseri, sastoje se od plinom punjene cijevi, smještene između dvaju zrcala, koja formiraju optičku šupljinu. Kao i u svakom drugom plinu, laserska akcija počinje izbojem u plinu: elektroni velike energije sudaraju se sa česticama plina (molekule) i pobuđuju ih na viša energetska stanja.

Energetski spektar molekularnih plinova mnogo je kompliciraniji od spektra - atomskih plinova. Pored sličnosti u elektronskim energetskim nivoima, molekula može imati i energetske nivoe koji pripadaju vibracijskom i rotacijskom gibanju. Prema tome, energija eksitacije koju molekula primi, može  biti distribuirana na različite stupnjeve između 4  forme  pobude: elektronsku, vibracijsku, rotacijsku i translacijsku.

Elektronska pobuda uključuje promjene u prostornoj raspodjeli elektrona koji povezuju atome u molekuli zajedno. Energija, koja se zahtijeva za ovu pobudu je dosta velika i uključuje frekvencije iz vidljivog i ultravioletnog dijela spektra, pa će i emisija pripadati tom području.

U vibracijskoj pobudi, atomi u molekuli vibriraju jedan u odnosu na drugoga. Ova forma pobude zahtijeva manju energiju od elektronske, a može se postići sa energijom koja odgovara frekvenciji u infracrvenom području spektra i rezultira u emisiji na tim frekvencijama.

Rotacijska pobuda uključuje rotaciju cijele molekule. Ulazna i izlazna energija su niže i uključuju frekvencije iz mikrovalnog područja. U vibracijskoj eksitaciji uvijek je pridružena i rotacijska podkomponenta pobude.

Translacijska pobuda, u kojoj se cijela molekula kreće s jednog mjesta na drugo, je uvijek povezana sa toplinom.

Iz ovoga što je rečeno slijedi da će totalna valna funkcija molekule biti produkt triju funkcija: elektronske, vibracijske i rotacijske, tj.

                                                                             (26)

gdje je  elektronska valna funkcija stanja k,  je vibracijska valna funkcija, a  je rotacijska valna funkcija. (Heisenberg)

KEMIJSKI LASERI

Usprskos višegodišnjem istraživanju i razvoju kemijskih lasera, za njih još uvijek ne postoji jedinstvena definicija. Mi ćemo tretirati kemijske lasere kao takve lasere u kojima emisija nastaje zbog neravnoteže u raspodjeli kemijske energije između reakcionih produkata. Ostajući dosljedni našoj podjeli prema agregatnom stanju aktivne materije, svrstali smo kemijske lasere među plinske, budući da su reakcione komponente u plinovitom stanju.

Općenito govoreći, u toku kemijske reakcije dviju ili više komponenata, kolizioni procesi među atomima vrše preraspodjelu energije između 4 oblika pobude (elektronske, vibracijske rotacijske i translacijske), o čemu je već bilo govora. Činjenica da nešto energije reakcije ostaje u formi elektronskih i vibracijskih pobuđenja, predstavlja osnovu kemijskog lasera.

Uzmimo kemijsku reakciju u kojoj sudjeluju dvije komponente: A i BC, koja se može pisati:

A + BC è AB* + C*.

Zvijezdice označuju produkte reakcije u stanju pobude, što znači da su oni u stanju sposobnom za ostvarenje laserske akcije. Na slici je veoma sažeto i samo principijelno opisan aspekt pobuđivanja kemijskom reakcijom, ili kemijskog pumpanja.

Prednost je kemijskog pumpanja u tome da se pobuda dobije samim iniciranjem kemijske reakcije — bez ikakvog vanjskog djelovanja. Reakcija započinje samim miješanjem reaktanata. Eventualno, start se može izazvati eksplozivno, pomoću iskre ili svjetlosnog bljeska.

Prvi uspješni eksperiment na kemijskom laseru izvršili su Kasper i Pimentel, koristeći smjesu H₂ + Cl₂. Shema reakcije koja vodi na populacijsku inverziju i lasersku emisiju ima izgled:

Cl₂ + hf à 2Cl,

Cl + H₂ à HCl + H,                                                                                        (27)

H + Cl₂ à HCl* + Cl.

(slika 14: kemijsko pumpanje. Bazira se na energiji oslobodenoj u procesu nastanka i sloma kemijskih veza. Atom A može stupiti u reakciju sa molekulom sastavljenom iz atoma B i C i stvoriti novu molekulu — intermedijarni produkt (a). Ova molekula može se podijeliti u dva molekularna fragmenta (b)., od kojih jedan (pobuđeni) može stimulacijom prijeći na niži nivo (c), emitirajući foton. - Modificirano prema Sorokinu.)

Posljednja reakcija u smjesi stvara pobuđene molekule, koje emitiraju u područja od 3,7m, prema shemi:

HCI* => HCl + hf₂.                                                                                        (28)

Pored smjese H₂ + Cl₂ korištene su i druge smjese, a sve imaju zajedničku shemu generacije: dobivanje kemijski aktivnog centra sa smjesom komponenata, što konačno daje pobuđene molekule. Kemijski procesi, povoljni za postizanje laserske akcije, nikada se ne sastoje iz samo jednog akta, već od više njih međusobno povezanih, pa možemo govoriti o lančanom procesu. U pojedinim karikama ovog kemijskog lanca brzine reakcija su različite.

Neka E₁ i E₂ budu molekularni energetski nivoi prijelaz između kojih će biti korišten za lasersku akciju. Neka je E₂ zauzet za vrijeme kemijske reakcije, a W neka je njegova populacija. Populacija spomenutog nivoa E₂, u procesu kemijske lančane reakcije, mijenja se prema (Schäfer):

                                                                                              (29)

gdje je k konstanta, koja se odnosi na najsporiju kariku lanca, N je početna koncentracija aktivnih centara, nastala trenutnim iniciranjem reakcije, dok. je A₂ koncentracija komponenata smjese, koje nastavljaju reakciju sa aktivnim centrom (pobuđenom molekulom). S je vjerojatnost za slom lanca - prekid kemijske reakcije.

(slika 15: kemijska reakcija između vodika i klora predstavlja izvor energije za pobudu kemijskog lasera. Kvant svjetlosti (a) razbije molekulu klora na dva atoma klora; jedan od njih (b) reagira sa molekulom vodika stvarajući molekulu klorovodika i slobodni atom vodika, koji sa molekulom klora reagira i stvara molekulu klorovodika u pobuđenom stanju (c), koja se stimulacijom vraća na osnovno stanje, emitirajući koherentnu IC radijaciju. - Modificirano prema P. Sorokinu.)

Ako je  vrijeme trajanja pulsa, dobivenog iz takve lančane reakcije, onda uvjet

                                                                                          (30)

osigurava optimalan tok laserske akcije.

Odvijanje kemijskih reakcija vodi na smanjenje kemijskih reagensa po zakonu:

                                                                                   (31)

Za proces sa tzv. razvijenim lancem, koji je karakteriziran sa , gornji uslov ima oblik:

                                                                                                      (32)

Uslov za ostvarenje laserske akcije na kemijskom sistemu može se pisati u formi:

                                                                                                 (33)

gdje je Q_i specifična kemijska energija reakcije, a  je efikasnost kemijskog lasera.

Q_e je energija potrebna za produkciju jednog kemijski aktivnog centra A₂ je broj molekula koje reagiraju.

 je dužina lanca, potrebnog za transfer kemijske energije u lasersku emisiju.

Iz ovoga vidimo da postoje dvije dužine lanca:

1. dužina kemijskog lanca,

2. dužina laserskog lanca.

Dužina kemijskog lanca uključuje sve kemijske reakcije koje se u danoj smjesi odvijaju. Dužina laserskog lanca uključuje samo one karike kemijskog lanca koje aktivno sudjeluju u transformaciji kemijske u svjetlosnu energiju.

Iz gornjih jednadžbi slijedi da je , tj. za , dužina lanca korisna za transfer kemijske energije u koherentnu radijaciju (laser chain length), određena je mjerom reakcije i dužine trajanja pulsa, a ne samo vremenom života kemijski aktivnih centara