W pierwszej częci zasygnalizowalimy istotne cechy wiatła laserowego oraz wykazalimy, jak szerokie zastosowanie znajdujš lasery w nowoczesnej poligrafii. Podalimy także typy istniejšcych laserów i ich rodzaje najczęciej wykorzystywane w poligrafii. Nie omówilimy jednak jeszcze Đ jak działa laser, a cilej, co jest niezbędne, aby powstało promieniowanie elektromagnetyczne o właciwociach 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. Wyobramy sobie, że spadzisty dach budynku zakończony jest bezodpływowš poziomš rynnš, a na dach pompujemy z dołu wodę (rys. 1). Woda uderza w różne częci dachu i spływa do rynny, w której się gromadzi. Zgromadzona woda znajduje się w pewnej odległoci od ziemi, dlatego ma możliwoć wykonania okrelonej pracy, gdyby np. spadła na ziemię.
Co istotnego może się wydarzyć? W częciach, gdzie rynna jest szczelna, woda pozostaje lub odparowuje. W innych częciach, 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 wiatło laserowe, nazwiemy orodkiem aktywnym. Nie jest istotne, czy tworzy go zbiór atomów, jonów, molekuł, czy też jest on cieczš, gazem itp. Jeżeli na orodek 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 orodek aktywny znajdzie się w jakim 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 iloci energii, a jedynie okrelone jej porcje (absorpcja kwantów), co powoduje ich przejcie 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 przejć 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), za n jest takš częstotliwociš fali elektromagnetycznej, aby zależnoć była spełniona.
Oczywiste jest, że aby przenieć 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, jeli elektronowi temu dostarczymy dokładnie takš samš porcję energii hn, jakš go wzbudzilimy (rys. 3). W wyniku oddziaływania powstanš więc dwa kwanty hn (padajšcy i wyemitowany). Mówi się w takim przypadku o wzmocnieniu wiatła majšcego częstotliwoć n.
I teraz najważniejsze, determinujšce dalsze rozważania! Otóż okazuje się, że wymuszony kwant hn nie tylko ma takš samš częstotliwoć n, jak kwant wymuszajšcy, ale także ma identycznš jak on fazę drgań i kierunek propagacji. Zgodnoć tych trzech czynników (częstotli-woć, faza i kierunek) determinuje podstawowš właciwoć wiatła laserowego Đ spójnoć (koherentnoć), o której mówilimy w częci pierwszej.
Powróćmy teraz do konstruowania lasera. Przypomnijmy, że jak na razie mamy w nim orodek aktywny i układ pompujšcy. Teraz problem polega na tym, aby znaleć kwant hn, którym wzmocnimy wiatło o tej samej energii hn, a następnie wzmocnionym wiatłem wzmocnimy to samo wiatło, a następnie É itd. Đ czyli spowodujemy sprzężenie zwrotne. Ponadto wzmocnione wiatło należy wyprowadzić na zewnštrz, aby wykorzystać je do wykonania okrelonej pracy.
Tutaj sprawa jest już prosta. Otóż kwant hn powstaje w wyniku emisji spontanicznej, a odpowiedni układ zwierciadeł pozwala utrzymać go w obszarze wzbudzonego orodka aktywnego, powodujšc dalsze wzmocnienie wiatła. Aby móc wyprowadzić koherentne wiatło, jedno ze zwierciadeł jest półprzepuszczalne.
Takie dwa równoległe zwierciadła tworzš tzw. rezonator optyczny. Oczywiste jest, że jeli powstanš promienie wietlne, które nie będš propagowały się wzdłuż osi rezonatora, wtedy nie będš brały udziału w generowaniu wiatła laserowego i opuszczš orodek aktywny. Ideowy schemat lasera Đ generatora promieniowania elektromagnetycznego o specyficznych właciwociach 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 orodka aktywnego. Jeżeli orodek aktywny emituje wiatło widzialne, wtedy dla większoci 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. Włanie te poziomy wykorzystywane sš do emisji wiatła 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 orodkowi aktywnemu energii w szerokim zakresie energetycznym (widmie), tzn. dostarcza kwantów o różnych energiach: hn1, hn2, hn3 itd. Wzbudzajš one orodek na różnych poziomach energetycznych. Dzięki emisji spontanicznej wzbudzenie bardzo szybko przechodzi do stanu metastabilnego o energii hn i tam wykonana zostaje akcja laserowa. Wród 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 omówilimy zasadę generowania wiatła laserowego. Pozostały nam do omówienia istotne cechy działania wybranych w poczštkowym artykule typów laserów, tzn. na ciele stałym, gazowych i półprzewodnikowych, które najczęciej sš wykorzystywane w zastosowaniach poligraficznych. Zrealizujemy to jednak w częci trzeciej, w kolejnym numerze Poligrafiki. cdn.
