Σύγχρονη Φυσική

5. Laser

Εδάφια:

5.a. Χαρακτηριστικές ακτίνες-Χ
5.b. Διέγερση και αποδιέγερση ατόμων
5.c. Laser
5.d. Εφαρμογές Laser
5.e. Φθορισμός και φωσφορισμός

5.a. Χαρακτηριστικές ακτίνες-Χ

Παραλείπεται

Επιστροφή στην κορυφή

5.b. Διέγερση και αποδιέγερση ατόμων

Στις συνηθισμένες θερμοκρασίες τα ηλεκτρόνια ενός ατόμου βρίσκονται κυρίως στη χαμηλότερη δυνατή ενεργειακή τους στάθμη. Τότε λέμε ότι το άτομο βρίσκεται στη θεμελιώδη του κατάσταση. Στην περίπτωση αυτή το άτομο μπορεί να διεγερθεί, δηλ. κάποιο από τα ηλεκτρόνιά του να μεταβεί σε υψηλότερη ενεργειακή στάθμη, απορροφώντας ένα φωτόνιο ενέργειας ίσης με τη διαφορά ενέργειας των σταθμών μεταξύ των οποίων γίνεται η μετάβαση - δείτε το Σχ. 1(a). Η διεργασία αυτή λέγεται παρακινούμενη απορρόφηση.

Αν με κάποιον τρόπο ένα άτομο βρεθεί σε μια διεγερμένη ενεργειακή κατάσταση το άτομο αυτό έχει κάποια πιθανότητα να εκπέμψει ένα φωτόνιο και να μεταβεί σε χαμηλότερη κατάσταση. Η διεργασία αυτή λέγεται αυθόρμητη αποδιέγερση (δείτε το Σχ. 1(b)). Τα φωτόνια που εκπέμπονται με αυθόρμητη αποδιέγερση έχουν τυχαίες διευθύνσεις. Συνήθως ένα άτομο παραμένει σε διεγερμένη κατάσταση περίπου 10^-8 sec.

Αν κατά τη διάρκεια παραμονής του ηλεκτρονίου στη διεγερμένη κατάσταση πέσει πάνω του ένα φωτόνιο ενέργειας ίσης με την ενεργειακή διαφορά διεγερμένης-θεμελιώδους, το φωτόνιο αυτό παρακινεί το άτομο να αποδιεγερθεί, εκπέμποντας ένα δεύτερο φωτόνιο, το οποίο έχει ίδια κατεύθυνση και φάση με το φωτόνιο που υποκίνησε την αποδιέγερση (δείτε το Σχ. 1(c)). Η διαδικασία αυτή λέγεται παρακινούμενη ή εξαναγκασμένη εκπομπή και είναι η βάση της λειτουργίας του laser.

Σχ. 1: (a) Η διεργασία της διέγερσης ατόμου με απορρόφηση ενός φωτονίου. (b) Η διεργασία της αυθόρμητης εκπομπής/αποδιέγερσης. (c) Η διεργασία της παρακινούμενης ή εξαναγκασμένης εκπομπής. Το φωτόνιο σε όλες τις περιπτώσεις έχει ενέργεια ΔΕ=Ε₂-Ε₁.

Επιστροφή στην κορυφή

5.c. Laser

Το φωτόνιο που εκπέμπεται με εξαναγκασμένη εκπομπή, μαζί με το προσπίπτον, μπορούν να υποκινήσουν αποδιέγερση δύο ακόμα διεγερμένων ατόμων, αν υπάρχουν στην περιοχή, αποδίδοντας δύο νέα φωτόνια κ.ο.κ., υποκινώντας έτσι μια αλυσιδωτή αντίδραση, με τελικό προιόν μια δέσμη φωτονίων ίδιας ενέργειας, κατεύθυνσης, και φάσης. Η δέσμη αυτή αποτελέι το φως laser και η διεργασία παραγωγής της λέγεται διεργασία laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation - Ενίσχυση του φωτός μέσω εξαναγκασμένης εκπομπής ακτινοβολίας).

Τα βασικά χαρακτηριστικά του φωτός laser είναι τα εξής:

Μονοχρωματικότητα (τα φωτόνια της δέσμης έχουν όλα την ίδια - σχεδόν - συχνότητα)
Κατευθυντικότητα (τα φωτόνια της δέσμης έχουν όλα την ίδια διεύθυνση)
Συμφωνία φάσης (τα φωτόνια της δέσμης έχουν όλα την ίδια φάση)
Μεγάλη ένταση (πολλά φωτόνια σε μικρή επιφάνεια)

Τα παραπάνω χαρακτηριστικά είναι αυτά που κάνουν το laser μοναδικό, καθώς δίδουν τη δυνατότητα μεγάλης έντασης και ελεγχόμενης συμβολής ακόμα και μακρυά από την εστία παραγωγής της δέσμης.

Από το προηγούμενο εδάφιο γίνεται φανερό ότι αν ένα φωτόνιο ενέργειας Ε₂-Ε₁ (βλ. Σχ. 2) πέσει πάνω σε ένα άτομο, το άτομο αν είναι σε διεγερμένη κατάσταση θα αποδιεγερθεί, προσφέροντας ένα επιπλέον φωτόνιο στο σύστημα, και αν είναι στη θεμελιώδη θα διεγερθεί, απορροφώντας ένα φωτόνιο από το σύστημα. Οι δύο αυτές διεργασίες είναι ισοπίθανες.

Σχ. 2: Στο σύστημα που δείχνεται στο αριστερό μέρος του σχήματος οι δύο δυνατότητες αλλεπίδρασης με προσπίπτον φωτόνιο ενέργειας ΔΕ=Ε₂-Ε₁ οι οποίες φαίνονται στο κεντρικό και δεξιό μέρος του σχήματος είναι ισοπίθανες.

Άρα σε ένα σύστημα με λιγότερα από τα μισά άτομα σε διεγερμένη κατάσταση (όπως σε ένα σύστημα σε θερμοκρασία περιβάλλοντος) θα έχουμε περισσότερο απορρόφηση παρά εκπομπή φωτονίων και άρα μη δυνατότητα δημιουργίας laser. Αντίθετα, αν το μεγαλύτερο ποσοστό των ατόμων είναι σε διεγερμένη κατάσταση θα έχουμε κυρίως εξαναγκασμένη εκπομπή και άρα δυνατότητα δημιουργίας laser. (Η κατάσταση στην οποία το μεγαλύτερο ποσοστό των ατόμων ενός συστήματος είναι σε διεγερμένη στάθμη λέγεται αναστροφή πληθυσμών.)

Συγκεκριμένα, για τη δημιουργία laser θα πρέπει να πληρούνται οι ακόλουθες συνθήκες:

Αναστροφή πληθυσμών στο σύστημα. Αυτό επιτυγχάνεται διαγείροντας τα άτομα είτε με κρούσεις με άλλα άτομα ή ιόντα (ηλεκτρονική άντληση) είτε με απορρόφηση ακτινοβολίας από εξωτερική πηγή (οπτική άντληση). (Σημειώστε ότι για να επιτευχθεί αναστροφή πλήθυσμών χρειάζονται τρεις τουλάχιστον στάθμες στο σύστημα. Γιατί δεν γίνεται με δύο;)
Η διεγερμένη κατάσταση του συστήματος να είναι μετασταθής, δηλαδή ο χρόνος ζωής της (ο μέσος χρόνος που χρειάζεται για να αποδιεγερθεί αυθόρμητα ένα άτομο που βρίσκεται σε αυτήν) να είναι αρκετά μεγάλος (τ>10^-4 sec) ώστε το άτομο να μην αποδιεγείρεται αυθόρμητα πριν να συμβεί η παρακινούμενη αποδιέγερσή του.
Περιορισμός των εκπεμπόμενων φωτονίων σε μικρό χώρο, ώστε να αλληλεπιδράσουν με όσο γίνεται περισσότερα άτομα του συστήματος και να τα "παρακινήσουν" σε εκπομπή φωτονίων. Αυτό γίνεται τοποθετώντας κάτοπτρα στα δύο άκρα του σωλήνα που περιέχει το σύστημα (το ένα από τα κάτοπτρα είναι ημιδιαφανές, ώστε να μπορούν να διαφεύγουν από αυτό τα φωτόνια laser).

Ένα παράδειγμα συσκευής laser δείχνεται στο Σχ. 3. Τα άτομα διεγείρονται μέσω κρούσεων με φορτισμένα σωματίδια (τα οποία επιταχύνονται στο δυναμικό V) ενώ το όλο σύστημα είναι περιορισμένο σε γυάλινο σωλήνα στα άκρα του οποίου υπάρχουν κάτοπτρα που επανακατευθύνουν τα εκπεμπόμενα φωτόνια μέσα στον σωλήνα ώστε να αλληλεπιδράσουν με περισσότερα άτομα, προκαλώντας έτσι ενίσχυση της δέσμης. Τα φωτόνια που εκπέμπονται με αυθόρμητη αποδιέγερση διαφεύγουν από τον σωλήνα.

Σχ. 3: Παράδειγμα συσκευής laser.

Το πρώτο laser, το οποίο εξέπεμπε κόκκινο φως, κατασκευάστηκε το 1960. Από τότε η τεχνολογία έχει προχωρήσει πάρα πολύ και σήμερα υπάρχουν laser σε διάφορα μήκη κύματος (υπέρυθρο, ορατό και υπεριώδες). Ένα κλασικό laser είναι το laser μίγματος He-Ne, το οποίο εκπέμπει σε μήκος κύματος 632,8 nm. Οι σχετικές ενεργειακές στάθμες δείχνονται στο Σχ. 4. Τυπική ισχύς για το laser αυτό είναι 10 mW, τυπική ένταση εξόδου 5100 mW/cm² και τυπική διάμετρος στην έξοδο του laser 0,5 mm.

Σχ. 4: Διάγραμμα των ενεργειακών στθμών του ατόμου του νέου. Το φως laser στο σύστημα He-Ne προέρχεται από τη μετάβαση από την μετασταθή στάθμη Ε₃ στην Ε₂.

Επιστροφή στην κορυφή

5.d. Εφαρμογές Laser

Οι τέσσερις ιδιότητες του φωτός laser που αναφέραμε στο προηγούμενο εδάφιο το καθιστούν μοναδικό σε μια πληθώρα εφαρμογών, καθώς δίνουν τη δυνατότητα ελεγχόμενης συμβολής (λόγω της καθορισμένης φάσης) και μεγάλης συγκέντρωσης ενέργειας σε μικρό χώρο. Κάποιοι από τους τομείς όπου τα laser χρησιμοποιούνται σήμερα είναι

Στην ιατρική (με εκμετάλλευση του γεγονότος ότι τα διαφορετικά μήκη κύματος απορροφώνται διαφορετικά από τους διάφορους ιστούς), για θεραπεία γλαυκώματος, κοπή και καυτηρίαση ιστών κοκ.
Στη βιομηχανία, για κοπή με μεγάλη ακρίβεια υφασμάτων, μετάλλων κοκ.
Στην τηλεμετρία (μέτρηση αποστάσεων από μακρυά), όχι μόνο την επίγεια αλλά και της Σελήνης. Π.χ. μέτρηση αποστάσεων μεταξύ σημείων της Σελήνης και διαφόρων σημείων της Γης
Στην καθημερινή ζωή (π.χ. ανάγνωση κωδικών προιόντων στα ταμεία των super-markets, ανάγνωση CDs κοκ.)
Για ολογραφία, δηλαδή τριδιάστατη φωτογραφία. Το τριδιάστατο είδωλο δημιουργείται με αποτύπωση σε φωτογραφικό φιλμ της συμβολής δέσμης laser που σκεδάζεται από το προς φωτογράφηση αντικείμενο με δέσμη αναφοράς (αυτό που δημιουργεί την εικόνα του τριδιάστατου είναι η καταγραφή της φάσης).

------
Αναπτύξτε και εξηγήστε κάθε μία από τις εφαρμογές των laser που αναφέρονται παραπάνω.

Επιστροφή στην κορυφή

5.e. Φθορισμός και φωσφορισμός

Φθορισμό ονομάζουμε τη διεργασία μετατροπής του υπεριώδους φωτός σε ορατό. Η διεργασία αυτή, η οποία απαιτεί τουλάχιστον τρεις ατομικές στάθμες, απεικονίζεται στο Σχ. 5.

Σχ. 5: Κατά τη διεργασία του φθορισμού υπεριώδη φωτόνια προσπίπτουσας δέσμης διεγείρουν τα άτομα της φθορίζουσας ουσίας από τη στάθμη Ε₁ στην Ε₃, από όπου πολύ γρήγορα μεταπίπτουν στην Ε₂ και από εκεί στην Ε₁. Το ορατό φως προέρχεται από τη μετάβαση από την Ε₂ στην Ε₁.

Ο φθορισμός είναι πολύ χρήσιμος για την αναγνώριση ουσιών, καθώς κάθε φθορίζουσα ουσία φθορίζει σε διαφορετικό μήκος κύματος. Στο φαινόμενο του φθορισμού στηρίζεται και η λειτουργία των λαμπτήρων φθορισμού.

Εκτός από τις φθορίζουσες ουσίες, οι οποίες εκπέμπουν ορατό φως όταν φωτιστούν με υπεριώδες, υπάρχουν και κάποιες ουσίες οι οποίες εξακολουθούν να εκπέμπουν φως και αρκετά μετά τον φωτισμό τους με υπεριώδες. Οι ουσίες αυτές λέγονται φωσφορούχες και το φαινόμενο φωσφορισμός. Η διεργασία είναι ίδια με εκείνη του φθορισμού, με μόνη διαφορά ότι στις φωσφορούχες ουσίες η στάθμη Ε₂ είναι μετασταθής, με χρόνο ζωής από μερικά δευτερόλεπτα σε μερικές ώρες.

---------
Περιγράψτε τη λειτουργία ενός λαμπτήρα φθορισμού.

Επιστροφή στην κορυφή