Radiatia Laser [PDF]

Zitiervorschau

Proprietatile radiatiei laser a)COERENTA SPATIALA.Considerand doua raze provenite din doua puncte diferite ale unei surse luminoase, daca acestea pot interfera(prin suprapunerea lor obtinandu-se franje de interferenta), cele doua radiatii sunt coerente.Cele doua puncte de pe suprafata sursei se pot afla la o distanta mai mica sau mai mare, aceasta caracterizand proprietatea de coerenta spatiala. Laserul are aceasta proprietate. b)COERENTA TEMPORALA.Daca radiatia emisa la un moment dat de un anumit punct al sursei poate interfera cu radiatia emisa la un moment ulterior de acelasi punct al sursei, cele doua radiatii sunt coerente in timp.Unda laser prezinta aceasta proprietete. c)INTENSITATEA LUMINOASA foarte mare care se poate obtine cu ajutorul laserului este o consecinta a proprietatii de coerenta spatiala.Toata energia emisa de un tub cu descarcare de mare lungime, care in mod normal, ar fi dispersata in toate directiile din spatiu, este concentrata intr-un fascicol de mica sectiune si unghi solid foarte mic. d)PULSURI ULTRASCURTE.Lumina laser permite sa se obtina pulsuri cu durate de ordinul a 10-12-10-13s. Aceasta este o consecinta a coerentei radiatiei laser. Functionarea laserului pentru a obtine aceste pulsuri ultrascurte este o functionare in regim de sincronizare a modurilor.

Tipuri de laseri a)Laseri cu mediu activ solid dielectric. Mediul activ il reprezinta ionii, dispersati in concentratie mica intr-o retea cristalina pura, fie in sticla sau plastic.Exemple:laser cu rubin care are l=6943 A0;laser cu sticla dopata cu neodim l=1,06 mm;laser cu granati dopati cu neodim l=1,06 mm. b)Laseri cu gaz. Laseri cu gaz atomic si ionic care functioneaza in regim continuu sau regim de impulsuri, folosesctranzitiile atomilor neutri si au l=6328 A0. Laseri cu gaz ionici pot fi laseri cu argon ionizat l=4880 A0,laser cu He-Cd l=4416 A0. Laseri moleculari l=10,59mm, au puterea de iesire de 100200 kW in current continuu timp de 12 s; 60kW in timp de 12 minute;au randament de 10-35% in practica. c)Laseri cu mediu activ lichid. Frecvanta lor de lucru poate sa varieze in domeniide 6001000 A0, functionarea in regim de impulsuri este de sute de kW,durata unui impuls fiind de 10-8 s. d)Laseri cu conductori. Cel mai des intalnit este cel cu cristal de arseniura de galiu (Ga-As) care are l=(4800-9040)A0. e)Laseri chimici. La acestia efectul laser se obtine direct din reactia gazelor care intra in amestec.Energia care serveste

pentru a produce radiatia laser este furnizata de o reactie chimica.

APLICATIE Laserul este folosit in diverse domenii, cum ar fi: tehnica, medicina: dermatologie,in tratarea unor afectiuni grave ale pielii, in lupta impotriva cancerului etc., in biologie, in tot ceea ce implica cercetare.Oftalmologia a fost unul din principalele campuri ale medicinei,si dupa mai mult de 25 ani, acesta poate fi folosit de la diagnostic la tratament. Se creaza o mica gaura in iris, care va elibera presiunea intraoculara, lucru care nu dauneaza nici corneeisi nici altor parti ale ochiului.Exista mai multe modalitati de a realiza aceasta gaura,in schimb cu laserul ea se inchide mult mai repede. Oftalmologii pot alege diferite lasere pentru a trata diferitele variatati de probleme ale retinei,chiar si in cazul diabeticilor.Lumina verde laser este folosita pentru a indepartavasele de sange anormale de la suprafate retinei, cele de pe membrana coroidala sunt indepartate cu lumina galbena si rosie datorita abilitatii acestora de a patrunde in tesut. Folosirea laserului in dermatologie are ca exemplu indepartarea diferitelor afectiuni ale pielii,de exemplu in tratarea cancerului ; indepartarea permanenta a firelor de par etc. Laserul este una dintre cele mei utilizate tehnologii actuale. “Light amplification by stimulated emission of radiation”-“amplificarea luminii prin emisia stimulata a radiatiei”este o instalatie pentru genrarea si amplificarea

radiatiei electromagnetice din domeniul vizibil, bazata pe fenomenul de emisie stimulata a radiatiei.Produce un fascicol monocromatic paralel, coerent si foarte intens. Daca emisia stimulata este provocata de o radiatie exterioara, aceasta va fi puternic amplificata, laserul functionand ca amplificatory cuantic de radiatie; daca emisia stimulata este declansata de primii fotoni emisi spontan in interiorul cavitatii, laserul functioneaza ca generator cuantic de radiatie. Un dispozitiv laser este construit din doua sisteme fizice in interactie: campul electromagnetic dintr-o cavitate rezonanta, respectiv dintr-un resonator optic si un mediu activ( situat in aceeasi cavitate, respectiv in acelasi resonator optic ).Atomii, moleculele sau ionii poseda doua nivele anargetice, a caror diferenta de energie corespunde unei frecvente care este in rezonanta cu una dintre frecventele proprii ale cavitatii rezonante, respective ale rezonatorului optic. Daca atomii sunt excitati pe nivelul energetic superior printr-un mecanism oarecare, modul electromagnetic din cavitate ii stimuleaza, atomii transferand energia din cavitate campului electromagnetic din cavitate.Energia tuturor atomilor este convertita in energia unui singur mod pe frecventa caruia este acordata cavitatea. Puterea castigata de o unda electromagnetica la traversarea unui mediu activ este proportionala cu densitatea de energie spectrala, uw a undei incidente. TERAPIE LASER Eficienta, viteza, absenta durerii, caracterul aseptic, lipsa limitelor de vârsta si a efectelor

secundare -acestea sunt caracteristicile exceptionale ale laseroterapiei. Abstractie facând de folosirea de data relativ recenta a laserilor¦ în medicina, în ultimii ani literalmente sfera de utilizare a acestora a crescut atât de mult încât acum a aparut ideea de a delimita domeniile în care se foloseste laseroterapia : 1) în clinica boilor interne ( la îmbolnavirea sistemelor cardiovasculare, respiratorii, genitourinare, organelor digestive); 2) în chirurgie, traumatologie si ortopedie; 3) în clinica neurologica (în bolile si traumele sistemului nervos central si periferic, afectiunilevegetative); 4) în bolile de piele ; 5) în practica pediatrica; 6) în unele boli ale sistemului endocrin si afectarii metabolismului; 7) în obstretica si ginecologie; 8 ) în stomatologie; 9) în otorinolaringologie; 10) în oftalomologie. Urmare nenumaratelor cercetari, s-a constatat ca radiatia laser de nivel energetic mic are actiune antiinflamatorie, desensibilizatoare, de alinare a suferintei, spasmolitica, antiedematica, stimuleaza procesele metabolice, regenerative si imunizatoare. Aprobarea laseroterapiei facuta în diverse conditii clinice a evidentiat existenta unui specific anume al influentei ei. S-a constatat ca metoda respectiva, înainte de toate, si-a demonstrat eficienta în vindecarea bolilor la baza carora sta afectarea troficii neurovasculare. Acesta este un cerc larg de boli neurogene si vasculare de durata îndelungata. Laseroterapia poate sa

înbunatateasca substantial eficienta vindecarii complexe a multor boli cronice, activând procesele de sanogeneza¦¦. Laseropunctura s-a recomandat singura într-o maniera deosebita -stimularea cu raze laser a zonelor de acupunctura.Acesta este unul din domeniile laseroterapiei. O directie cu mari perspective este craniopunctura cu laser ( laseroterapia cerebrala), care are frecvent un efect ridicat în cazul unor boli neuro-psihice si traumei craniocerebrale. În practica clinica tot mai pe larg se introduce una din modalitatile de eficienta ale laseroterapiei -tratamentul intravenos cu raze laser al sângelui. Astfel, laseroterapia este o ramura a medicinii cu laser ce se dezvolta dinamic. Perspectivele de utilizare a ei sunt evidente, iar introducerea ei în practica medicala de fiecare zi este doar o chestiune de timp. Nu este departe momentul în care cu ajutorul radiatiei laser de nivel energetic scazut va fi posibilitatea de a influenta selectiv diversele ingrediente chimice ale celulelor si tesuturilor. Cum molecula fiecarei substante are propriul ei spectru de absorbtie, se poate alege în mod dirijat radiatia cu lungimea de unda corespunzatoare si sa se procedeze la stimularea combinatiei biologice active necesare. Drept rezultat al desfasurarii acestei actiuni procesul metabolic se accelereaza sau se înctineste, ceea ce se manifesta benefic asupra evolutiei procesului patologic. PREMISELE SI PRINCIPIILE DE BAZA ALE LASEROTERAPIEI

Spre deosebire de chirurgia cu laser, care foloseste instalatii laser de mare intensitate ( zeci de wati si peste ), în laseroterapie se foloseste radiatia laser a carei putere se masoara în miliwati. Fara a afecta celula si tesutul, ea are un efect biostimulator pronuntat, care activeaza cele mai importante procese vitale ale organismului. O asemenea actiune nu a fost neasteptata pentru cercetatori. În medicina diverselor perioade de timp, începând cu antichitatea, s-au cunoscut bine caracteristicile terapeutice ale luminii. În cadrul primelor cercetari stiintifice din domeniul terapiei cu lumina intra si experimentele lui I. Moleschott, datând din 1854. În cadrul lor s-a demonstrat ca schimbul de gaze ( la generarea bioxidului de carbon gazos) la broaste are loc mai intesiv la lumina decât în întuenric. Totusi lucrarea respectiva a fost supusa criticii din partea unor cunoscuti fiziologi ai vremii respective Flugger si Brown-Sekar, care au considerat ca lumina poate actiona asupra animalelor numai prin intermediul ochilor. Dupa aproape 30 de ani ( în anul 1881 ) I.Moleschott a repetat din nou propriile sale experimente. S-a demonstrat ca la lumina generarea de bioxid de carbon gazos la animalele care vâd este cu 20-45% , iar la cele care sunt oarbe cu 10-30% , mai mare decât în întuneric. El a tras concluzia ca prezenta organului vazului doar modifica efectul de baza. În afara de aceasta, s-a constatat actiunea de activizare a luminii în cazul unuei iluminari directe a unui tesut de muschi izolat. Aceste date au o valoare principiala si în zilele noastre, deoarece exista parerea ca mecanismul actiunii luminii vizibile asupra organismului animal

conduce la reactia reflex ce apare ca raspuns la excitarea centrilor foto din organul vazului. De la sfârsitul secolului al XIX-lea au început sa se dezvolte intens diverse metode de fototerapie, ceea ce a fost legat de aparitia surselor artificiale de lumina. O contributie mare la dezvoltarea tratamentului cu lumina a adus-o savantul danez N.R.Fisnen ( 1860 -1904 ) laureat al premiului Nobel în 1903. Au fost elaborate bazele fototerapiei cu lumina rosie, si cu ultravioletul apropiat si violet-albastru. O conditie deosebita pentru patrunderea profunda a luminii s-a dovedit a fi sângerarea pielii urmare strivirii ei cu sticla, ceea ce poate fi considerat ca prototipul metodicii contemporane prototip de actionare prin laseroterapie ( G.A. Askarian, 1982). O etapa calitativ noul în dezvoltarea fototerapiei a început cu anii 60 din secolul al XX-lea legat de aparitia surselor de radiatie laser. Chiar în ajunul elaborarii în serie a laserilor heliu-neon (lungime de unda a radiatiei 632,8 nm), V.M. Iniusin cu colaboratorii au studiat activitatea biologica a luminii rosii ( lampile cu neon cu lungimi ale radiatiei 630-650 nm). S-a înregistrat o actiune pozitiva a acesteia asupra unei serii întregi de procese : accelerarea cicatrizarii ranilor, îmbunatatirea evolutiei bolilor de radiatii la animalele de experienta, o mai rapida cicatrizare a elementelor auto-transplantate s.a.m.d. Tot atunci s-a exprimat ipoteza ca radiatia rosie a laserului heliu-neon va avea o mai mare activitate biologica. Cele ce au urmat au confirmat pe deplin acest lucru.

Natura biostimularii cu laser Deoarece organismele vii si biosfera în ansamblu nu sunt sisteme izolate, ci deschise, care schimba substante si energie cu mediul ambiant, la doze optime de actiune cu radiatie laser se realizeaza o pompare energetica a organismului. Drept rezultat al acestui lucru se activizeaza procesele sanogenetice. Exista punctul de vedere potrivit caruia la nivel de sistem mecanismul biostimularii cu laser· estelegat de ractiile de homeostaza la actiunea luminoasa. Cum în procesul evolutiei organismul nu a fost supus actiunii laserului, rezulta ca el nu este adaptat la el si reactioneaza ca la un factor ce conduce la revoltare. Pe de alta parte lumina monocromatica din compozitia luminii albe nu are acelasi efect biostimulator, ea fiind un factor obisnuit ( P.Greguss, 1985). Evident ca densitatea puterii la lumina solara ( oscileaza de la 10 la 100 mW/ cm2 ) corespunde aproximativ marimii folosite în laseroterapie , dar efectul biostimulator al acesteia din urma este mult mai mare··. În ultmul timp se elaboreaza intens conceptia actiunii directe asupra organismului prin absorbtia de rezonanta la nivel molecular (.T.Karu, 1989). In favoarea acestui model de laseroterapie exista o serie de circumstante. În primul rând, experimentele in vitro, cercetarile spectroscopice cantitative au aratat caracterul rezonator al actiunii radiatiei laser de nivel energetic redus asupra diferitelor celule functie de lungimea de unda a radiatiei, doza si densitatea de putere. Generalizând datele din literatura cu privire la influenta radiatiei laser asupra obiectelor biologice, T.Karu si coautorii ( 1990) deosebesc

urmatoarele nivele de realizare a reactiei de raspuns : 1) Subcelular -aparitia starilor excitate ale moleculelor, formarea unor radicali liberi, reconstructia stereochimica a moleculelor, cresterea vitezei de sinteza a albuminei,accelerarea sintezei colagenului si precursorilor acestuia, modificarea echilibrului oxigenului si activizarea proceselor de oxidare-refacere. 2) Celular -modificarea încarcarii câmpului electric al celulei, a potentialului membranei sale, cresterea activitatii de proliferare s.a. 3) Tisular -modificarea pH-ului lichidului intercelular, activitatii morfo-functionale si microcirculatiei . 4) Organic -normalizarea functiei unui organ oarecare. 5) Sistemic si modificator de organizare -aparitia reactiilor de raspuns complexe de adaptare neuro-reflectoare si neuro-humorale cu activizarea sistemelor simpatoadrenalinic si imunitar. Rezultatul final al biostimularii cu laser este cresterea rezistentei organismului si extinderea limitelor de adpare a lui, adica reducerea sensibilitatii la diversele îmbolnaviri. De regula, laseroterapia se foloseste în cazul bolilor cronice, care sunt însotite de distrugerea troficii neurovasculare , în cazul unor procese îndelungate si de ofilire, când este necesar sa se intensifice procesele de sanogeneza prin bioactivizarea directionata. Pentru astfel de cazuri laseroterapia se poate considera ca o metoda specifica ( cu elemente de nespecificitate ). Succesiunea modificarilor ce au loc în cazul bioactivizarii cu laser se poate reprezenta schematic în felul urmator : interactiunea radiatiei laser cu nivel

energetic redus cu fotoacceptorii specifici si nespecifici à declansarea unui complex de reactii fotofizice si fotochimice à activizarea sistemelor fermentative celulare cu amplificarea proceselor bioenergetice si biosintetice à intensificarea proliferarii celulelor à amplificarea regenerarii, formarii celulelor sângelui, activitatii sistemului imunitar si a sistemului microcirculatiei à generalizarea efectelor locale ale laseroterapiei prin intermediul mecanismelor neurohumorale si neuro-reflectoare . Clase de laseri si standardizare Institutul Roman de Standardizare a preluat in 1996 standardul european al CENELEC din 1993 cu referire la securitatea aparatelor laser. Standardul roman SR EN 60 825-1 imparte laserii in 4 clase dupa riscurile asociate in functie de lungimea de unda, durata de emisie si puterea sau energia emisa. Standardul stabileste limite precise ale puterii si energiei pentru fiecare clasa de laseri, sub forma unor tabele, in functie de lungimea de unda si durata de emisie a laserului. Clasa 1 (fara riscuri cunoscute): sunt laserii ai caror parametri de functionare nu implica pericol in urma expunerii, si au puteri in unda continua < 0.39 m W. Clasa 2 include laserii ce emit radiatie vizibila in domeniul 400…700 nm, cu puteri in unda continua (t > 0.25 s) mai mici de 1mW, dar mai mari de 0.39 m W. Laserii din aceasta clasa nu prezinta risc de incendiu, iar radiatia lor imprastiata nu este periculoasa. Ochiul este protejat de leziuni numai daca functioneaza reactia defensiva la lumina orbitoare, adica reflexul de clipire. Acest reflex apare la persoanele normale cu o intarziere de 0.25 s.

Clasa 3 (risc coborat si moderat) contine laserii a caror risc de incendiu este scazut iar expunerea de scurta durata a pielii nu este insotita de distrugeri. Clasa 3 este divizata in 2 subclase: -clasa 3A (risc coborat): radiatia in spectrul vizibil a laserilor are puteri in unda continua ce nu depasesc 5mW, iar pentru laserii in impulsuri repetitive sau cu fascicul scanat limita de putere este de 5 ori mai mare fata de cea a laserilor de clasa 2; iradianta in orice punct al fasciculului laser nu depaseste 25 mW/m2; pentru laserii ce emit inafara spectrului vizibil, radiatia nu trebuie sa depaseasca de 5 ori limitele clasei 1; -clasa 3B (risc moderat): privirea direct in fascicul este totdeauna periculoasa; laserii in unda continua nu depasesc puterea de 0.5W, iar expunerea radianta a laserilor in impulsuri trebuie sa fie mai mica de 105 J/m2. Reflexiile difuze nu prezinta risc daca distanta minima de privire depaseste 13 cm, iar timpul maxim de privire este sub 10s. Clasa 4 (risc inalt): este clasa in care se incadreaza laserii de putere mare, care prezinta risc biologic prin expunerea la radiatia directa si difuza. Expunerea maxima permisa poate fi determinata pentru diverse situatii concrete utilizand programe de calcul specializate. In standardele de expunere se utilizeaza 2 termeni de referinta: - limita de emisie accesibila (AEL-accesible emission limit) = nivelul maxim de emisie accesibila permis pentru o anumita clasa de laseri; - expunerea maxima permisa (MPE -maximum permissible exposure) = nivelul radiatiei la care

poate fi expus omul, fara a suferi efecte nedorite; in principiu organele sensibile sunt ochiul si pielea, care nu trebuie sa sufere raniri sau alterari imediate sau tardive. Aceste niveluri depind de lungimea de unda a radiatiei, de durata impulsului sau timpul de expunere, de tesutul expus si de dimensiunea imaginii pe retina pentru radiatia din vizibil si infrarosu apropiat (400-1400 nm). Protectia laser Ochelarii de protectie reprezinta mijlocul principal impotriva accidentelor produse de fasciculele directe sau reflectate. Sticla obisnuita protejeaza ochiul numai impotriva lungimilor de unda mai scurte de cca. 300 nm si mai lungi de cca. 2700 nm. Regiunea spectrala dintre cele 2 limite trebuie acoperita utilizand filtre optice speciale. Exista o larga varietate de ochelari de protectie, iar ei au inscrise lungimile de unda pentru care se aplica si densitatile optice corespunzatoare acestor lungimi. Ochelarii folositi in protectia laser sunt caracterizati de urmatorii parametri: lungimea de unda sau domeniul spectral la care pot fi folositi; expunerea radianta accesibila maxima sau iradianta maxima; expunerea maxima permisa; densitatea optica necesara a ochelarilor la o anumita lungime de unda; cerintele de transmisie a luminii vizibile; expunerea radianta sau iradianta la care are loc distrugerea ochelarilor; necesitatea unor lentile de vedere;

confortul si ventilatia; degradarea sau modificarea mediilor absorbante, chiar daca este temporara sau tranzitorie; rezistenta mecanica a materialelor; cerintele de vedere laterala; orice reglementare nationala relevanta. De exemplu ochelarii din plastic transparent realizati din policarbonat sunt adecvati pentru protectia in cazul utilizarii laserului cu CO2, dar trebuie marcati pentru densitatea optica corespunzatoare. Ei pot fi folositi pana la puteri de 100 W, probabilitatea de strapungere prin ardere fiind redusa, deoarece purtatorul lor va reactiona intr-un timp de 1s dupa ce a detectat flama pe suprafata lentilei. Echipament de protectie special: este destinat personalului din cercetare, intretinere, si in general personalului expus la radiatie laserilor din clasa 4. 6Recomandari Luand in considerare riscul laser, si in Romania exista reglementari si norme generale de protectia muncii cu privire la laseri. Acestea sunt specificate in „Norme Generale de Protectie a Muncii”, si fac referiri concrete la: -valorile maxime admise ale expunerii energetice/iluminarii energetice la nivelul corneei pentru expunerea oculara directa; -valorile maxime admise ale expunerii energetice/iluminarii energetice a ochilor la reflexii difuze ale fasciculelor laser sau la surse laser extinse; -unghiurile limita ale surselor extinse;

-valorile maxime admise ale expunerii energetice/iluminarii energetice a pielii. Exista de asemenea un set de norme specifice de securitate a muncii in cazul radiatiilor vizibile cu referire speciala la laser, editate intr-o culegere a Ministerului Apararii Nationale din Romania. Laserul cu rubin Primul laser a fost realizat de Maiman în1960,obţinând în rubin tranziţii laser în roşu.Vom face o descriere a laserului cu rubin ,în care se utilizează o bară cilindrică de monocristal de rubin R,având cele două feţe S1 şi S2 argintate astfel :unul din capete are coeficientul de reflexive , practice , egal cu unu , iar celălalt capăt are o transparenţă de 4% . Bara de rubin este înfăşurată cu un tub T în formă despirală , umplut cu xenon , în care se poate provoca o descărcare electrică , acesta constituind mecanismul de pompajoptic . Întregul ansamblu este introdus într- un cilindru C , acoperit pe interior cu un strat reflectant de oxid de magneziu.

Fig. 1.1 Laser cu rubin: Raza laser1. ; 2. Sursa de emisie; 3. Laser mediu; 4.Oglinda puternic reflectorizanta ; 5.Rezonator optic; 6. Oglinda partial reflectorizanta

Laserul cu He Ne Există multe tipuri de laser care au ca mediu active gaze sau amestecuri de gaze , care pot fi atomice (heliu,neon,argon,kripton,etc.)sau moleculare (CO2).Vom descrie numai laserul cu amestec de He- Ne a cărui schemă este dată înfigura2.1. Mediul active , format din amestecul de He şi Ne în proporţie de 5 atomi de He la un atom de Ne,la presiunea de 0,6torri, se aflăîntr-un tub între oglinzile O1 şi O2 . In laserul cu gaz inversiunea de populaţie nu se mai realizează prin pompaj optic , ci prin ciocnirile atomilor cu electronii .Electronii sunt produşi prin ionizarea unor atomi cu ajutorul unui camp electromagnetic produs de o tensiune alternativă de înaltă frecvenţă (v=1014Hz)aplicată electrozilor de pe tubul de sticlă.

Tub laser He-Ne

Laserul este un dispozitiv optic care generează un fascicul coerent de lumină. Fasciculele laser au mai multe proprietăți care le diferențiază de lumina incoerentă produsă de exemplu de Soare sau de becul cu incandescenț ă: • •

•

monocromaticitate — un spectru în general foarte îngust de lungimi de undă; direcționalitate — proprietatea de a se propaga pe distanțe mari cu o divergență foarte mică și, ca urmare, capacitatea de a fi focalizate pe o arie foarte mică; intensitate — unii laseri sunt suficient de puternici pentru a fi folosiți la tăierea metalelor.

La origine termenul laser este acronimul LASER format în limba engleză de la denumirea light amplification by stimulated emission of radiation (amplificare a luminii prin stimularea emisiunii radiaț iei), denumire construită pe modelul termenului maser care înseamnă un dispozitiv similar, funcționând în domeniul microundelor. Istoric Principiile de funcționare ale laserului au fost enunțate în 1916 de Albert Einstein, printr-o evaluare a consecințelor legii radiației a lui Max Planck și introducerea conceptelor de emisie spontană și emisie

stimulată. Aceste rezultate teoretice au fost uitate însă pînă după cel de-al doilea război mondial. În 1953 fizicianul american Charles Townes și, independent, Nikolai Basov și Aleksandr Prohorov din Uniunea Sovietică au reușit să producă primul maser, un dispozitiv asemănător cu laserul, dar care emite microunde în loc de radiație laser, rezultat pentru care cei trei au fost răsplătiți cu Premiul Nobel pentru Fizică în 1964. Primul laser funcțional a fost construit de Theodore Maiman în 1960 și avea ca mediu activ un cristal sintetic de rubin pompat cu pulsuri de flash. Primul laser cu gaz a fost construit de fizicianul iranian Ali Javan în 1960 folosind un amestec de heliu și neon, care producea un fascicul cu lungimea de undă de 1,15 μm (infraroșul apropiat), spre deosebire de laserii actuali cu He-Ne care emit în general în domeniul vizibil, la 633 nm.

Caracteristicile fascicolului laser Intensitate

Simbolul „Pericol de radiaţie laser”.

În funcție de tipul de laser și de aplicația pentru care a fost construit, puterea transportată de fascicul poate fi foarte diferită. Astfel, dacă diodele laser folosite pentru citirea discurilor compacte este de ordinul a numai 5 mW, laserii cu CO2 folosiți în aplicații industriale de tăiere a metalelor pot avea în mod curent între 100 W și 6000 W. În mod experimental sau pentru aplicații speciale unii laseri ajung la puteri mult mai mari; cea mai mare putere raportată a fost în 1996 de 1,25 PW (petawatt, 1015 W). Monocromaticitate Majoritatea laserilor au un spectru de emisie foarte îngust, ca urmare a modului lor de funcționare, în care numărul mic de fotoni inițiali este multiplicat prin „copiere” exactă, producînd un număr mare de fotoni identici. În anumite cazuri spectrul este atît de îngust (lungimea de undă este atît de bine determinată) încît fasciculul își păstrează relația de fază pe distanțe imense. Aceasta permite folosirea laserilor în metrologie pentru măsurarea distanțelor cu o precizie extrem de bună, prin interferometrie. Aceeași calitate permite folosirea acestor laseri în holografie. Direcționalitate În timp ce lumina unei surse obișnuite (bec cu incandescenț ă, tub fluorescent, lumina de la Soare) cu greu poate fi transformată într-un fascicul paralel cu ajutorul unor sisteme optice de colimare, lumina laser este în general emisă de la bun început sub forma unui fascicul paralel. Aceasta se explică prin acțiunea cavității optice rezonante de a selecta fotonii care se propagă paralel cu axa cavității. Astfel, în timp ce un reflector obișnuit de lumină, orientat de pe Pămînt spre

Lună, luminează pe suprafața Lunii o suprafață de aproximativ 27.000 km în diametru, fasciculul unui laser nepretențios cu heliu-neon luminează pe Lună o suprafață cu diametrul mai mic de 2 km. Folosind laseri mai performanți și avînd la dispoziție pe suprafața Lunii retroreflectoare (colțuri de cub, care reflectă lumina incidentă pe aceeași direcție) a fost posibilă determinarea cu foarte mare precizie a distanței de la Pămînt la Lună.

LASER-ul cu semiconductori. Aprecieri teoretice.

Laserul cu semiconductori este constituit ca si celelalte tipuri de laser tot pe sablonul mediu activ, sistem de excitare, rezonator optic. In acest caz un amestec semiconductor este folosit ca mediu activ. Cel mai adesea se folosesc combinatii de metale din aceleasi perioade ale grupelor IIIa si Va. Dintre acestea semiconductorul cel mai folosit este cel format din Galiu si Arsenic (GaAs). Alte medii active au fost obtinute atat din amestecuri ale elementelor grupelor IIa si Via (Zinc si Seleniu – ZnSe) cat si din amestecuri de trei sau patru elemente. Ultimele doua sunt mai ades folosite pentru emisia unor radiatii mult mai precise din punct de vedere al lungimii de unda. Sistemul de excitare este constituit din doua straturi de semiconductori, unul de tip p si unul de tip n. Pentru a intelege mai bine aceste doua notiuni trebuie amintite cateva considerente teoretice cu privire la fizica solidului, in special principiul semiconductorilor.

Semiconductorii sunt o clasa de materiale larg folosita in electronica datorita posibilitatii controlului proprietatilor electrice. Rezistivitatea electrica a unui semiconductor scade odata cu cresterea temperaturii iar valoarea ei poate fi modificata in limite foarte largi (10-2 – 108 W cm). Intr-un semiconductor foarte pur, conductibilitatea electrica este data de electronii proprii, numita si conductibilitate intrinseca, iar in cazul materialelor impurificate avem de-a face cu o conductibilitate extrinseca. Conductibilitatea intrinseca poate fi explicata pe scurt astfel. La 0K, electronii sunt asezati in legaturile covalente formate intre atomii semiconductorului intrinsec. Odata cu cresterea temperaturii unii electroni se rup din legaturi fiind liberi sa circule in tot volumul cristalului. Se produce un fenomen de ionizare, iar in locul electronului plecat ramane un gol. Imediat el se ocupa cu un alt electron alaturat, golul se deplaseaza o pozitie. Daca aplicam un camp electric in semiconductor, electronii liberi se vor misca in sens invers campului, dar si golurile vor forma un curent pozitiv de acelasi sens cu campul. Cel mai interesant fenomen il reprezinta modificarea spectaculoasa a rezistivitatii electrice a semiconductorilor prin impurificare. Astfel, daca din 105 atomi de Siliciu unul este inlocuit cu un atom de Bor, rezistivitatea siliciului scade, la temperatura camerei, de 1000 de ori !!! Impurificare reprezinta o problema specifica si fundamentala a fizicii si tehnologiei semiconductorilor. Daca impurificam Germaniul (grupa IVa, patru electroni de valenta) cu un element din grupa a 5-a (cinci electroni de valenta) vom obtine un amestec cu un electron de valenta liber. Aceasta impuritate constituie un donor. Semiconductorul astfel impurificat este de tip n, iar nivelul sau de energie este mai aproape de zona de conductie. Daca impurificarea este facuta cu atomi din grupa a 3-a (trei electroni de valenta), acesta se va integra

in reteaua cristalina cu doar trei legaturi covalente, ramanand, deci, un gol capabil de a captura electroni in jurul atomului trivalent. Din aceasta cauza atomii acestui tip de impuritati au primit numele de acceptori. Intr-un semiconductor astfel impurificat vor predomina sarcinile pozitive, de unde numele de semiconductor de tip p. Jonctiunile p – n sunt ansambluri formate prin alipirea unui semiconductor de tip p cu unul de tip n . Zona de separare, interfata, are marimi de ordinul 10-4 cm. La suprafata semiconductorului n apare un surplus de electroni iar la suprafata semiconductorului p un surplus de goluri. Astfel apare tendinta de compensare a acestora prin difuzia electronilor de la un semiconductor la celalalt. Laserul cu semiconductori. Construire. Consideratii practice.

Revenind la laserul cu semiconductori, avand stabilita o baza teoretica minimala putem trece la detalierea practica a principiilor enuntate anterior.

Laserul cu conductori este, de fapt, un sandwich format din 3 straturi de semiconductori la care se adauga elementele sistemului de excitare. La acest tip de laser energia necesara excitarii sistemului de atomi din mediul activ cat si factorul declansator sunt date de curentul electric care se aplica, conform figurii. Datorita faptului ca acest sandwich corespunde modelului clasic de dioda, de aici incolo se va folosi si termenul de dioda.

Randamentul unei astfel de diode este in jurul a 30% dar amplificarea este destul de mare. Curentul necesar trebuie sa aiba o densitate de cateva mii de amperi pe centimetru dar avand in vedere ca o dioda laser are marimi foarte mici, curentul necesar este adesea sub 100mA. Pentru a obtine rezultate satisfacatoare, in practica se folosesc mai multe straturi decat se prezinta in figura. Cat priveste stratul activ, lungimea lui nu depaseste 1 mm, iar grosimea sa este, in functie de model, de la 200 pana la 10 nm. In general grosimea stratului activ variaza intre 200 si 100 nm. Datorita faptului ca este atat de subtire, fascicului emis este foarte divergent (pentru un laser) si astfel laserul cu semiconductori se bazeaza foarte mult pe rezonatorul optic ce trebuie ales cu mare grija si trebuie pozitionat foarte precis pentru a obtine performante maximale. De obicei un sistem format din doua lentile plan-convexe pozitionate cu fetele convexe una spre cealalta la anumite distante calculabile este suficient pentru a obtine un fascicul destul de bine colimat cu razele aproape perfect paralele. Din desenul de mai sus se poate observa ca emisia laser se face in doua directii. Acest fenomen este tratat in mod diferit in functie de necesitati. Se poate crea o cavitate rezonanta prin pozitionarea unei oglinzi perfecte si a uneia semitransparente, se poate folosi emisia “din spate” pentru a masura proprietatile fasciculului principal, se poate folosi aceeasi emisie din spate pentru a masura si controla curentul ce trece prin dioda. Diodele laser sunt foarte sensibile la curenti si de aceea controlul strict asupra acestora este absolut necesar. Uneori este necesara doar o variatie mica a tensiunii sau a puterii si dioda se va arde. Mai jos este un prezentat un montaj clasic de dioda cu posibilitate de control a curentului:

Diodele laser sunt poate, cele mai fragile dispozitive de emisie laser. Faptul ca stratul activ are, de fapt, marimea unei bacterii este cel ce sta la baza afirmatiei anterioare. Acest strat poate fi usor distrus prin supunerea la curenti neadecvati, prin influente electrostatice, prin incalzire excesiva. Stratul activ se poate autodistruge chiar si fara prezenta vre-unuia din factorii enumerati mai sus. Simpla emisie a luminii poate vaporiza acest strat minuscul daca lumina emisa este prea puternica. O dioda, desi minuscula, poate dezvolta puteri ale luminii de pana la 3-5 mW. Desi sunt mai rare si mult mai scumpe, diodele ce dezvolta zeci de mii de mW exista si se gasesc in inscriptoarele de CD si in alte instrumente si aparate de profil. In ceea ce priveste divergenta fasciculului, in prezent, majoritatea pointerelor reusesc performanta de a pastra divergenta la sub un mm la fiecare 5 metri. Spectrul de culori acoperit de laserii cu semiconductori este in zona rosie 630-780 nm dar nu este limitat numai aici. Laseri verzi sau chiar albastri exista si sunt intens cercetati. Problema este ca diodele de verde si albastru au o viata efemera (cele mai performante ating doar cateva sute de ore) si functioneaza la temperaturi scazute (apropiate de 0K). Fata de clasicul GaAs (care emite in rosu-IR), pentru laserii albastri se prefera ZnSe si GaN. Primul a fost exclus treptat din cercetari datorita rezistivitatii mari, consumului mare de energie, randamentului mic si a multor altor factori descoperiti experimental. Ultimele cercetari s-au concentrat pe GaN, iar de cand prof. Shuji Nakamura a realizat primul montaj practic si fiabil pentru generarea laserului albastru, cercetarile au luat amploare. Un fapt inedit, la data realizarii diodei pentru laserul albastru, in 1993, Shuji

Nakamura nu avea nici macar un doctorat in buzunar, era doar un simplu cercetator pierdut intr-un laborator al unei firme japoneze obscure. Recent, prof. Nakamura s-a alaturat colectivului profesoral de la Colegiul de Inginerie al Universitatii Californiene din Santa Barbara, SUA. Revenind la laserii uzuali, trebuie mentionate si o serie de pericole ce pot apare chiar si pe langa laserii cu semiconductori care sunt cunoscuti a fi mai putin puternici. S-a calculat ca o dioda obisnuita are o putere mult mai mare chiar si decat a soarelui la ecuator. Toate amestecurile din stratul activ au o putere de emisie mult mai mare decat a aceleiasi cantitati de suprafata solara. Diodele prezente pe piata fac parte din clasele II si IIIa, ceea ce inseamna ca prezinta risc scazut de vatamare la operarea conforma cu manualul si la expunerea fugara, efemera a ochiului in raza laser. Totusi, trebuie avut in vedere ca orice expunere indelungata produce vatamari punctiforme ale retinei si nu este nevoie de efecte immediate pentru ca retina sa fie vatamata. Regula numarul unu in lucrul cu laserii, nu se priveste direct in raza laser chiar daca nu se simte nici o durere sau chiar daca raza este palida. CULOAREA SI STRALUCIREA RAZELOR LASER NU AU NICI O LEGATURA CU PUTEREA RADIATIEI. Aceste doua proprietati sunt date de lungimea de unda a radiatiei care nu influenteaza in mod decisiv puterea laserului. Pot exista laseri cu o culoare roz palida care sa fie mai nocivi decat cei mai aprinsi si rosiatici laseri. Intre “laseristi” exista o gluma: “Regula numarul unu in lucrul cu laserii: Nu te uita niciodata direct in raza laser cu unicul ochi ramas intreg !”. Utilizarea laserilor cu semiconductori. Aspecte pozitive si negative ale acestei tehnologii.

Diodele sunt larg raspandite. Faptul ca sunt ieftin de produs, usor de folosit si foarte ieftin de folosit duce la producerea lor in masa si includerea lor in cele mai multe aparate electronice ce au nevoie de laseri. Lecturatoarele de cd, fie ele CD-ROM-uri sau CD-playere, sunt toate prevazute cu diode laser. Playerele DVD au, deasemenea, diode laser, doar ca acestea emit fascicule mult mai fine. CD-Writer-ele si CD-ReWriter-ele folosesc diode ce emit laseri apropiati de IR (800 nm) si puteri de cativa W. Aceleasi diode, dar de puteri ceva mai mici, sunt prezente si in imprimantele cu laser. Alte produse care folosesc laseri emisi de diode sunt cititoarele de coduri de bare (Bar-Code Readers), unele Scannere, Pointerele etc. Poate cel mai important folos, dupa CD/DVD-playere, este cel adus in comunicatiile prin fibra optica. In cadrul fiecarui emitator pe fibra optica se afla o dioda laser. Mai nou s-a inceput folosirea diodelor si in medicina si in holografie. Diodele nu sunt folosite in aplicatiile militare (Radar, ghidare rachete, transmisiuni de date prin eter etc.), aplicatiile astronomice (distante cosmice si determinari de compozitii), efectele speciale de anvergura si holografia de mare intindere datorita puterii limitate relativ mici pe care o dezvolta. Concluzii. Laserul cu semiconductori este o alternativa ieftina si fiabila la laserii cu gaz. Marimile reduse, costurile mici de fabricatie si utilizare cat si longevitatea lor confera diodelor atuuri importante in “lupta” cu celelalte dispozitive de emisie laser. Singurele dezavantaje fiind puterile relativ mici si fragilitatea, diodele sunt si vor fi cercetate extensiv pentru a fi imbunatatite. Pentru noi

este important sa intelegem cum functioneaza un astfel de dispozitiv, la ce este folosit si incotro se indreapta cercetarile pentru a ne familiariza inca de pe acum cu acest tip de laser pe care il vom intalni din ce in ce mai des in viata noastra de zi cu zi. Este important sa cunoastem pericolele pe care le aduce cu sine o dioda laser precum si factorii care pot perturba buna functionare a acesteia pentru a sti cum sa ne aparam si cum sa o protejam. Laserul cu semiconductori este un domeniu ale carui orizonturi abia acum ni se deschid, cu un viitor sigur si cu implicatii puternice in viata de zi cu zi. Bibliografie

1. D.Ciobotaru si colectivul, Manual de fizica, clasa a XII-a, EDP, Bucuresti, 1997

Atomii şi lumina Lumina este o formă de radiaţie electromagnetică emisă când unii dintre electronii care orbitează în jurul nucleului unui atom cedează o parte din energia lor sub forma fotonilor. Electronii se pot afla (pot orbita, aşa cum, din dorinţa de a populariza concepte greu reprezentabile din fizica modernă, este impropriu descrisă mişcarea electronilor în multe surse), conform modelelor atomice din mecanica cuantică, în anumite zone distincte localizate în jurul nucleului atomic şi emit energie (fotoni) atunci când părăsesc o zonă (orbită) exterioară, de

energie mai mare, revenind astfel la starea naturală, de energie mai mică, pe o orbită inferioară. În prealabil atomii trebuiesc "excitaţi", adică trebuie să îşi modifice starea naturală de echilibru din punct de vedere energetic, fenomen care presupune saltul unor electroni pe orbite superioare şi care se întâmplă atunci când o substanţă este încălzită (primeşte energie sub formă de căldură), când este străbătută de un câmp electric intens sau când este bombardată cu un curent de electroni liberi.

În funcţie de diferenţele de energie dintre orbitele electronilor, cu valori care depind de substanţele folosite, variază şi lungimea de undă a radiaţiilor electromagnetice emise de atomi. Fenomenul descris anterior este omniprezent. De la înroşirea rezistenţei unui reşou (atomii excitaţi eliberează fotoni cu lungimea de undă specifică culorii roşu), continuând cu ecranele televizoarelor, lămpile fluorescente sau cu gaz, până la becurile cu incandescenţă, toate aceste fenomene al la bază saltul energetic al electronilor, proces însoţit de eliberarea unor fotoni cu o anumită lungime de undă. Doi atomi identici, cu electronii situaţi pe aceleaşi niveluri

energetice, vor elibera fotoni cu aceeaşi lungime de undă.

Lumina laserului

Lumina emisă de un aparat laser are câteva caracteristici diferite semnificativ de cele ale luminii albe (cea emisă de surse precum stelele sau becul cu incandescenţă). În primul rând, lumina emisă de sursele naturale sau de becuri se împrăştie pe măsură ce se îndepărtează de sursă astfel încât, cu cât distanţa faţă de sursă creşte, din ce în ce mai puţină lumină atinge o anumită zonă a spaţiului. Lumina laserului nu se împrăştie, ci are proprietatea de direcţionalitate, adică se propagă pe distanţe mari cu o divergenţă foarte mică şi, ca urmare, poate fi focalizată într-un fascicul cu diametrul dorit. n al doilea rând, lumina laserului este monocromatică şi coerentă. Lumina albă este de fapt un amestec de unde electromagnetice cu diverse lungimi de undă caracteristice culorilor fundamentale ce constituie spectrul vizibil. Fiecare culoare are o lungime de undă caracteristică aparţinând spectrului vizibil. Dacă am filtra toate lungimile de undă cu excepţia uneia singure, lumina rămasă ar fi monocromatică. Monocromaticitatea şi coerenţa luminii laserului sunt caracteristicile care fac un astfel de dispozitiv ideal pentru înregistrarea informaţiilor pe medii optice precum CD-urile, dar şi pentru a fi folosit ca sursă de lumină pentru comunicaţiile de date prin mediu de fibră optică. Emisia stimulată Laserul foloseşte un proces numit emisie stimulată pentru a amplifica radiaţia electromagnetică din spectrul vizibil. Cum am spus la început, într-un dispozitiv laser, atomii sau moleculele mediului activ – un cristal de rubin, un gaz sau chiar un lichid - sunt excitaţi astfel încât

majoritatea să se găsească într-o stare de energie superioară celei de echilibru. Consecinţa creşterii energiei unui asemenea mediu activ este emisia bruscă de lumină coerentă. Procesul se numeşte emisie stimulată şi a fost descris de către Albert Einstein în 1917. Cum funcţionează un laser? În componenţa unui laser există în mod uzual 2 oglinzi, un mediu activ şi un dispozitiv care realizează pompajul energetic al mediului activ. Mediul activ poate fi solid (de exemplu un cristal de rubin), gazos (amestec de heliu şi neon), dar şi din materiale semiconductoare. Ca exemplu, un laser cu cristal de rubin este alcătuit dintr-un cristal cilindric de rubin, două oglinzi paralele, argintate sau aurite, şi un tub de descărcare, în formă de spirală, umplut cu un gaz nobil şi conectat la un condensator de mare capacitate.

În mod natural, majoritatea atomilor, ionilor sau moleculelor mediului activ se află, din punct de vedere energetic, în starea fundamentală. Pentru a genera raza laser, dispozitivul care realizează pompajul energetic trebuie să genereze ceea ce se numeşte o inversiune de populaţie în mediul activ, adică să se formeze o majoritate de atomi/ioni/molecule (după caz, în funcţie de mediul activ) care se găsesc pe nivele de energie superioare stării fundamentale. La momente aleatorii de timp, unii dintre aceşti atomi, ioni sau molecule, revin în mod natural la starea fundamentală, emiţând în cadrul acestui proces o cuantă de lumină (foton) într-o direcţie aleatorie. Este vorba despre fenomenul de emisie spontană şi nu reprezintă un proces foarte folositor în funcţionarea laserului. În esenţă, este acelaşi fenomen care asigură funcţionarea reclamelor luminoase pe bază de neon, a lămpilor fluorescente sau a ecranelor CRT. Einstein a arătat însă că dacă unii dintre aceşti fotoni emişi spontan întâlneşte un atom/ion/moleculă excitat al mediului activ într-un anumit mod, acesta va reveni la starea fundamentală, iar fotonul eliberat va avea proprietăţi similare celui care a grăbit emisia, deci care a generat emisia stimulată (aceeaşi lungime de undă, aceeaşi fază, aceeaşi direcţie de deplasare). Aşadar, mediul activ va emite la început în mod spontan fotoni în toate direcţiile la momente aleatorii de timp. Ocazional, fotoni vor fi emişi paralel cu lungimea mediului activ. În acest caz, acesta va circula repetat între cele 2 oglinzi. Pe parcursul deplasării sale, va întâlni atomi/ioni/molecule excitaţi şi va stimula emisia altor

fotoni cu aceleaşi caracteristici de frecvenţă, fază şi direcţie de deplasare ca ale sale. Procesul se va multiplica pe parcurs în cascadă, dând naştere unei raze monocromatice şi coerente. Dacă dispozitivul care realizează pompajul poate menţine inversiunea de populaţie în timp ce se produce emisia stimulată în cascadă, generarea razei laser poate fi prelungită în timp.

Trebuie precizat că majoritatea laserelor sunt sisteme bazate pe 3 sau 4 nivele de energie. Aceasta înseamnă că pentru a se realiza, în primă fază, inversiunea populaţiei şi, ulterior, emisia stimulată, este nevoie ca atomii mediului activ să fie excitaţi astfel încât să ajungă cu 2 sau 3 nivele energetice peste starea fundamentală. De exemplu, într-un laser cu cristal de rubin, atomii sunt aduşi cu 2 nivele energetice peste starea fundamentală,

revin foarte repede în mod natural la nivelul 1 (considerând starea fundamentală nivelul 0), iar emisia stimulată are loc în cadrul tranziţiei de la nivelul 1 la nivelul 0. Revenind la funcţionarea laserului cu cristal de rubin, trebuie precizat că rubinul este un oxid de aluminiu care conţine mici cantităţi de ioni de crom. Cilindrul de rubin utilizat are câţiva centimetri lungime şi un diametrul de câţiva milimetri. Cele două oglinzi plane şi paralele, şlefuite cu mare grijă, sunt argintate sau aurite în aşa fel încât una dintre ele este complet opacă, iar cealaltă parţial transparentă, ca să poată permite razelor laser să părăsească instalaţia. Ele sunt aşezate la cele 2 capete ale cilindrului de rubin. Capetele cilindrului se metalizează. Tubul de descărcare, în formă de spirală, umplut cu neon, xenon sau amestecuri de neon şi cripton este conectat la un condensator şi funcţionează asemenea blitz-urilor de la aparatele fotografice. Tubul de descărcare emite într-un timp foarte scurt, de ordinul miimilor de secundă, o lumină obişnuită, dar intensă, care provoacă inversiunea populaţiilor în cristalul de rubin. În desfăşurarea acestui proces o importanţă deosebită îl au impurităţile de crom din compoziţia cristalului de rubin. Ionii de crom au trei nivele energetice. Studiul nivelelor energetice ale cromului arată că daca se iradiază cristalul de rubin cu lumină verde cu lungimea de undă egala cu 0,560nm, produsă de tubul de descărcare, o parte din ionii de crom din starea fundamentală îşi vor mări energia datorită absorbţiei radiaţiei luminii verzi, trecând într-o stare energetică superioară cu 2 nivele stării de echilibru. Se spune că ionii de crom trec prin pompaj optic pe nivelul 2 de energie. Apoi revin foarte repede pe nivelul 1, după care

începe procesul de emisie spontană şi de generare a razei laser, descris anterior. Bibliografie http://science.howstuffworks.com/laser.htm/printable http://www.repairfaq.org/sam/laserfaq.htm#faqilp2 http://www.aps.org/publications/apsnews/200508/history. cfm http://technology.niagarac.on.ca/courses/tech238g/Laser s.html