Lasery w nowoczesnej poligrafiiczęœć II
6 gru 2016 14:42

W pierwszej częœci zasygnalizowaliœmy istotne cechy œwiatła laserowego oraz wykazaliœmy, jak szerokie zastosowanie znajdujš lasery w nowoczesnej poligrafii. Podaliœmy także typy istniejšcych laserów i ich rodzaje najczęœciej wykorzystywane w poligrafii. Nie omówiliœmy jednak jeszcze Đ jak działa laser, a œciœlej, co jest niezbędne, aby powstało promieniowanie elektromagnetyczne o właœciwoœciach tak specyficznych i przydatnych do zastosowań. I znowu pominiemy wielkš fizykę, skomplikowane wzory i złożone przeliczenia. Postaram się stosować język najprostszy, bez skomplikowanych wzorów matematycznych. Najważniejsze będš schematyczne rysunki i prosta analogia, z których wyłoni się istota zagadnienia. Na poczštek analogia. WyobraŸmy sobie, że spadzisty dach budynku zakończony jest bezodpływowš poziomš rynnš, a na dach pompujemy z dołu wodę (rys. 1). Woda uderza w różne częœci dachu i spływa do rynny, w której się gromadzi. Zgromadzona woda znajduje się w pewnej odległoœci od ziemi, dlatego ma możliwoœć wykonania okreœlonej pracy, gdyby np. spadła na ziemię. Co istotnego może się wydarzyć? W częœciach, gdzie rynna jest szczelna, woda pozostaje lub odparowuje. W innych częœciach, gdzie rynna jest przerdzewiała i dziurawa jak sitko, woda samoistnie (spontanicznie) wykapuje powoli na ziemię wykonujšc niezauważalnš pracę. Natomiast w miejscu, gdzie na dużej powierzchni otworzymy gwałtownie dno rynny, woda gwałtownie wypłynie i wykona zauważalnš pracę. Tyle analogii. Substancję, w której powstawać będzie œwiatło laserowe, nazwiemy oœrodkiem aktywnym. Nie jest istotne, czy tworzy go zbiór atomów, jonów, molekuł, czy też jest on cieczš, gazem itp. Jeżeli na oœrodek aktywny nie oddziałuje z zewnštrz żadne pole energetyczne (dostarczajšce albo ăpompujšceÓ energię), wtedy znajduje się on w tzw. równowadze i nic istotnego w nim nie zachodzi. Jeżeli jednak oœrodek aktywny znajdzie się w jakimœ polu oddziaływań, wtedy np. elektrony w atomach mogš przejšć energię z tego zewnętrznego pola. Mówi się, że elektrony sš wzbudzone, gdyż ăwpompowanoÓ do nich energię, a wspomniane pole energetyczne nazywa się układem pompujšcym. Okazuje się, że elektrony nie mogš przyjmować dowolnych iloœci energii, a jedynie okreœlone jej porcje (absorpcja kwantów), co powoduje ich przejœcie na wyższe, konkretne poziomy energetyczne. Jeżeli elektron znajdzie się już na takim wzbudzonym poziomie majšc energię E2, wtedy może powrócić do stanu poczštkowego E1, czyli przejœć na niższy poziom energetyczny. Przechodzšc na ten poziom musi jednak oddać energię w postaci porcji (emisja kwantu) równej różnicy poziomów energetycznych (E2 Đ E1). Oznaczymy tę różnicę jako iloczyn dwu liczb: h oraz n E2 Đ E1 = hn gdzie: h jest stałš fizycznš (Plancka, ť 6,63 x 10-34 Js), zaœ n jest takš częstotliwoœciš fali elektromagnetycznej, aby zależnoœć była spełniona. Oczywiste jest, że aby przenieœć elektron z poziomu podstawowego E2 na E1, należy mu dostarczyć (absorpcja kwantu hn) takiej samej porcji energii. Sytuację omówionych powyżej stanów energetycznych elektronu ilustruje rys. 2. Jeżeli emisja kwantu hn zachodzi w sposób samoistny, wtedy mówi się o emisji spontanicznej. Może się jednak zdarzyć, że wzbudzony elektron długo trwa w stanie wzbudzonym E2, a chcemy spowodować, aby przeszedł do stanu podstawowego E1. Wtedy należy wymusić emisję. Okazuje się, że wymuszenie emisji jest możliwe, jeœli elektronowi temu dostarczymy dokładnie takš samš porcję energii hn, jakš go wzbudziliœmy (rys. 3). W wyniku oddziaływania powstanš więc dwa kwanty hn (padajšcy i wyemitowany). Mówi się w takim przypadku o wzmocnieniu œwiatła majšcego częstotliwoœć n. I teraz najważniejsze, determinujšce dalsze rozważania! Otóż okazuje się, że wymuszony kwant hn nie tylko ma takš samš częstotliwoœć n, jak kwant wymuszajšcy, ale także ma identycznš jak on fazę drgań i kierunek propagacji. Zgodnoœć tych trzech czynników (częstotli-woœć, faza i kierunek) determinuje podstawowš właœciwoœć œwiatła laserowego Đ spójnoœć (koherentnoœć), o której mówiliœmy w częœci pierwszej. Powróćmy teraz do konstruowania lasera. Przypomnijmy, że jak na razie mamy w nim oœrodek aktywny i układ pompujšcy. Teraz problem polega na tym, aby znaleŸć kwant hn, którym wzmocnimy œwiatło o tej samej energii hn, a następnie wzmocnionym œwiatłem wzmocnimy to samo œwiatło, a następnie É itd. Đ czyli spowodujemy sprzężenie zwrotne. Ponadto wzmocnione œwiatło należy wyprowadzić na zewnštrz, aby wykorzystać je do wykonania okreœlonej pracy. Tutaj sprawa jest już prosta. Otóż kwant hn powstaje w wyniku emisji spontanicznej, a odpowiedni układ zwierciadeł pozwala utrzymać go w obszarze wzbudzonego oœrodka aktywnego, powodujšc dalsze wzmocnienie œwiatła. Aby móc wyprowadzić koherentne œwiatło, jedno ze zwierciadeł jest półprzepuszczalne. Takie dwa równoległe zwierciadła tworzš tzw. rezonator optyczny. Oczywiste jest, że jeœli powstanš promienie œwietlne, które nie będš propagowały się wzdłuż osi rezonatora, wtedy nie będš brały udziału w generowaniu œwiatła laserowego i opuszczš oœrodek aktywny. Ideowy schemat lasera Đ generatora promieniowania elektromagnetycznego o specyficznych właœciwoœciach Đ przedstawiono na rys. 4. Przyjrzyjmy się pokrótce czasom utrzymywania się np. elektronów na poziomach wzbudzonych, czyli tzw. czasom życia. Nie sš one stałe i zależš od budowy oœrodka aktywnego. Jeżeli oœrodek aktywny emituje œwiatło widzialne, wtedy dla większoœci poziomów wzbudzonych En czas powrotu do stanu podstawowego E1 trwa ok. 10-8s. Sš jednak substancje, które oprócz powyższych majš stany wzbudzone o czasie życia znacznie dłuższym, np. 10-3s. Sš to tzw. poziomy metastabilne. Właœnie te poziomy wykorzystywane sš do emisji œwiatła laserowego. W laserach emitujšcych dłuższe fale czasy życia sš dłuższe, np. dla mikrofal sięgajš one nawet 104s, a dla laserów o falach krótszych czasy życia sš niezmiernie małe, np. dla promieni rentgenowskich wynoszš 10-17s. Jak działa układ pompujšcy? Otóż dostarcza on oœrodkowi aktywnemu energii w szerokim zakresie energetycznym (widmie), tzn. dostarcza kwantów o różnych energiach: hn1, hn2, hn3 itd. Wzbudzajš one oœrodek na różnych poziomach energetycznych. Dzięki emisji spontanicznej wzbudzenie bardzo szybko przechodzi do stanu metastabilnego o energii hn i tam wykonana zostaje akcja laserowa. Wœród układów pompowania w praktyce stosuje się tzw. układ trójpoziomowy i czteropoziomowy (rys. 5). Układ czteropoziomowy jest korzystniejszy, ale nie będziemy tego bliżej uzasadniać. W ten sposób omówiliœmy zasadę generowania œwiatła laserowego. Pozostały nam do omówienia istotne cechy działania wybranych w poczštkowym artykule typów laserów, tzn. na ciele stałym, gazowych i półprzewodnikowych, które najczęœciej sš wykorzystywane w zastosowaniach poligraficznych. Zrealizujemy to jednak w częœci trzeciej, w kolejnym numerze Poligrafiki. cdn.

error: Kopiowanie zabronione!
cript>