Svelas - Svensk laserteknik
 
   
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Sökning
Ange sökord
 
E-postadress:   Lösenord:
Laserteori
En laser är en optisk strålkälla. Den kan ge strålning inom det
ultravioletta, det synliga eller det infraröda området.

En viss lasertyp är oftast begränsad till att stråla på en viss
våglängd som bestäms av lasermediet, vilket är
laserns "hjärta".
Lasermediet består av ett material som har förmågan att
skapa och förstärka ljus eller strålning av en bestämd våglängd.
Förmågan
att förstärka ljus ger de två första bokstäverna i ordet laser -
Light Amplification (Figur 2.1).



Figur 2.1 Ljusförstärkningens princip

Genom att placera två parallella speglar på var sin sida om laser
mediet kan man få ljus, som går vinkelrätt mot speglarna, att
studsa fram och tillbaka (Figur 2.1). De förstärks vid varje
passage genom lasermediet. För att lasern skall kunna släppa
ut någon ljusstråle är den ena spegeln, utkopplingsspegeln,
delvis genomskinlig. Strålens riktning bestäms av speglarna.

I princip kan alla atomer, molekyler och joner förstärka ljus. Det
gäller bara att få atomerna, jonerna eller molekylerna i
rätt "tillstånd". En titt på de processer som är inblandade då
optisk strålning växelverkar med material behövs för att kunna
bestämma vad som menas med tillstånd. Figur 2.2 visar två
energinivåer i en jon, atom eller molekyl. I fortsättningen
kommer dock bara atomer att nämnas, men samma
resonemang gäller för joner och molekyler.


Figur 2.2 Definition av energinivåer,och excitation

På varje nivå är markerat hur många atomer som det finns på
respektive nivå. Då optisk strålning faller in mot en samling
atomer kan en foton absorberas genom att en av atomerna får
en högre energi. Atomen "lyfts upp" till en högre energinivå, dvs
exciteras. (En foton är det minsta energipaket ljuset kan ha.)

Antalet atomer eller molekyler som befinner sig i det högre
energitillståndet E2, beror dels på antalet i det ägre
energitillståndet E1, dels på temperaturen. Vid termisk jämvikt
är det alltid fler atomer/molekyler som befinner sig i det lägre
energitillståndet än i det högre.

En förstärkare enligt Figur 2.1 kan endast fungera om energi
tillförs. M.Planck påvisade 1905 att atomära system inte kan
anta vilka energi tillstånd som helst. Energin är
alltid "kvantifierad" och en atom/molekyl kan endast befinna sig
i vissa diskreta energitillstånd.

Villkoret för att absorptionen skall kunna äga rum är att
energiskillnaden mellan de två nivåerna är lika stor som
fotonens energi. Fotonens energi beror på ljusets våglängd.
Absorptionen sker alltså vid en bestämd våglängd. Om en atom
befinner sig i det övre energitillståndet kan den spontant falla
ner till det lägre tillståndet. Genom att sända ut en foton gör
den sig av med sin överskottsenergi. Fotonen har en våglängd
som motsvarar energiskillnaden mellan de två nivåerna.

Den ur lasersynpunkt intressanta processen kallas stimulerad
emission. Om en foton med rätt energi träffar en atom i sitt
övre tillstånd, kan den atomen stimuleras till att sända ut en ny
foton som har samma våglängd, fas och riktning som den
ursprungliga fotonen. Denna stimulerade strålningsemission har
givit de tre sista bokstäverna i ordet laser–Stimulated
Emission
of Radiation
.

Det var Einstein som påvisade att det förhåller sig på det här
sättet. Han visade dessutom att sannolikheten för absorptionen
och stimulerad emission är lika stor. För att uppnå förstärkning
krävs det att det finns fler atomer i det högre tillståndet än i det
lägre. Detta kallas inverterad population. Det är en onaturlig
företeelse men kan upprätthållas med diverse knep. Einstein
har 1917 presenterat ett arbete om den stimulerade
emissionen, som visade sig helt riktigt. (Laserprincipen var
beskriven, men det dröjde över 40 år innan den första lasern
fungerade!)

Pumpning
Vid termisk jämvikt finns det alltid fler atomer på den lägre
energi nivån. Genom att använda fler av energitillstånden hos
en atom kan man dock få flera atomer i ett högre
energitillstånd än i ett lägre. Det kallas för inverterad
population. Figur 2.3 visar hur en struktur av energitillstånd kan
se ut för att kunna ge inverterad population. Genom att tillföra
energi till atomen kan man få atomen i ett högre energi
tillstånd. Fortfarande finns dock de flesta atomerna på sin
grundnivå och man har därför inte uppnått någon
populationsinversion mellan nivå 4 och grundnivån.

I energinivådiagrammet på Figur 2.3 hamnar atomen snabbt på
nivå E3, vilket är ett tillstånd med lång livslängd. Här uppnås
därför en populationsinversion mellan nivå E3 och E2. Om
livslängden på nivå E2 är mycket kort, kan man uppnå den
eftersträvade inversionen ganska enkelt. För att bibehålla
inversionen måste nya atomer hela tiden exciteras till nivå E4.
Det brukar kallas att man pumpar upp atomerna till en högre
nivå.



Figur 2.3 Energinivåer i en laser.

Tillföra energi
Det finns två vanliga metoder för att tillföra energin. Den ena
metoden är genom elektrisk urladdning i en gas, där
gasmolekylerna är det lasrande mediet. Den andra metoden är
att lysa på lasermediet (t ex en kristall) med en blixtlampa eller
en lampa med kontinuerligt ljus.

De vanligast förekommande lasrarna för bearbetning, neodym-
och koldioxidlasrarna, är exempel på de båda pumpprinciperna.
CO2-lasern är en gasurladdningslaser och neodymlasern är en
optisk pumpad laser som pumpas med t ex en blixtlampa. I
neodymlasern är det jonen Nd3+ som är laseraktiv. Jonen
dopas in i något fast material.

LoginRegistrera dig här
Skapa ny
Redigera
Ta bort

Medlem på Svelas.nu
Som registrerad medlem kan du publicera och kommentera rapporter och artiklar. Dina bidrag är värdefulla för att Sverige och Svelas ska hålla sig längst fram inom området för laserteknik.
© 2002 SVELAS - Svensk laserteknik
Avd för produktionsutveckling vid LTU
» Allmänna villkor
  Adress:
 
 
Luleå tekniska universitet
Avd för produktionsutveckling
971 87 Luleå.
E-post:
Tel:
Fax:
info@svelas.nu
0920-491 000
0920-492 228
Luleå tekniska universitet