Eseu

Introducere
Laserul este un dispozitiv optic care genereaza un fascicul coerent de lumina. La origine termenul laser este acronimul LASER format in limba engleza de la denumirea 'Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation' (amplificare a luminii prin stimularea emisiunii radiatiei) denumire construita pe modelul termenului maser care inseamna un dispozitiv similar, functionand in domeniul microundelor.

Scurt istoric
-Principiile de functionare ale laserului au fost enuntate in 1916 de Albert Einstein;
-in 1953 fizicianul american Charles Townes si, independent, Nikolai Basov si Aleksandr Prohorov din Uniunea Sovietica au reusit sa produca primul maser, rezultat pentru care cei trei au fost rasplatiti cu Premiul Nobel pentru Fizica in 1964;
-Primul laser functional a fost construit de Theodore Maiman in 1960 si 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 in 1960 folosind un amestec de heliu si neon.

Primul laser romanesc
Romania a fost a patra tara din lume in care s-au realizat laseri, in urma unor cercetari intreprinse de un colectiv condus de Ion I. Agarbiceanu (fiul scriitorului Ion Agarbiceanu). Rezultatul lor a fost raportat in 1961.

Laserul cu rubin
a.Componente
Acest tip de laser este format din:
~Cristal de rubin;
~Tub de racire;
~Tub de descarcare;
~Condensator de mare putere;
~Acumulator;
~Intregul ansamblu este introdus intr-un cilindru acoperit cu un strat reflectant.

b.Alcatuirea laserului
-Primul laser a fost realizat de catre Maiman in 1960, avand drept substanta activa rubinul, format din corindon impurificat in proportie de 0.05% cu ioni de crom trivalent, in cazul rubinului roz si cu 0.5% pentru rubinul rosu.
- Din monocristalii obtinuti au fost realizate bare cilindrice cu lungimea intre 2 si 10 cm si diametrul de la 0.5 la 1 cm, ale caror fete terminale au fost argintate; unul pana la opacitate completa, iar celalalt pana la o transparenta de 4%.
- Bara de rubin este introdusa in lungul axului unui tub de racire, iar mai apoi intr-un tub cu descarcare in neon, sau amestec de neon si cripton, care emite lumina verde
- Intreg ansamblul este introdus intr-un cilindru acoperit cu un strat reflectant din oxid de magneziu.

c.Principiile de functionare ale laserului cu rubin
- Tubul de descarcare, in forma de spirala, umplut cu neon, xenon sau amestecuri de neon si cripton este conectat la un condensator si functioneaza asemenea blitz-urilor de la aparatele fotografice;
- Tubul de descarcare emite intr-un timp foarte scurt, de ordinul miimilor de secunda, o lumina obisnuita, dar intensa, care provoaca inversiunea populatiilor in cristalul de rubin;
- in desfasurarea acestui proces o importanta deosebita il au impuritatile de crom din compozitia cristalului de rubin;
- Ionii de crom au trei nivele energetice. Studiul nivelelor energetice ale cromului arata ca daca se iradiaza cristalul de rubin cu lumina verde cu lungimea de unda egala cu 0,560nm, produsa de tubul de descarcare, o parte din ionii de crom din starea fundamentala isi vor mari energia datorita absorbtiei radiatiei luminii verzi, trecand intr-o stare energetica superioara cu 2 nivele starii de echilibru.
- Se spune ca ionii de crom trec prin pompaj optic pe nivelul 2 de energie. Apoi revin foarte repede pe nivelul 1, dupa care incepe procesul de emisie spontana :la momente aleatorii de timp, unii dintre acesti ioni revin in mod natural la starea fundamentala, emitand in cadrul acestui proces o cuanta de lumina (foton) intr-o directie aleatorie. Ocazional, fotoni vor fi emisi paralel cu lungimea mediului activ. in acest caz, acesta va circula repetat intre cele 2 oglinzi. Pe parcursul deplasarii sale, va intalni ioni excitati si va stimula emisia altor fotoni cu aceleasi caracteristici de frecventa, faza si directie de deplasare ca ale sale. Procesul se va multiplica pe parcurs in cascada, dand nastere unei raze monocromatice si coerente. Daca dispozitivul care realizeaza pompajul poate mentine inversiunea de populatie in timp ce se produce emisia stimulata in cascada, generarea razei laser poate fi prelungita in timp.

d.Proprietatile radiatiei laser
Inainte de a trece la analiza proprietatilor radiatiei electromagnetice emise de laseri trebuie sa avem in vedere principalele fenomene ce stau la baza producerii acestora:
~radiatia emisa de laser reprezinta o fractiune din radiatia electromagnetica generata in interiorul cavitatii rezonante in baza proceselor de emisie stimulata si spontana ce caracterizeaza mediul activ laser;
~radiatia spontana apare in mediul cuantic din interiorul cavitatii, in mod haotic, la momente diferite si reprezinta prin aspectul incoerent ce o caracterizeaza o sursa de zgomot;
~ca si in cazul oscilatiilor din radiotehnica, fondul de zgomot prezent la intrarea amplificatorului - mediul cuantic amplificator este elementul ce permite amorsarea oscilatiilor in prezenta unei reactii pozitive puternice - cavitatea rezonanta;
~caracterul aleatoriu al procesului de emisie spontana va determina ca in conditiile real de functionare ale dispozitivelor laser, radiatia emisa de acestea sa nu mai poata fi considerata perfect monocromatica, ci o radiatie de inalta puritate spectrala, dar de largime de banda finita;
~cavitatea rezonanta ce asigura reactia pozitiva aplicata intre iesirea si intrarea mediului cuantic amplificator impune prin modul sau specific de functionare, ca singurele unde capabile sa-si aduca o contributie importanta in procesul de amplificare prin emisie stimulata sa fie undele ce se propaga in lungul axei de simetrie a acesteia; undele care formeaza un unghi oarecare cu axa cavitatii se vor reflecta de un numar foarte mic de ori, dupa care vor iesi din cavitate prin peretii laterali fara sa participe in procesul de amplificare.
Constituita deci numai din undele ce se propaga paralel cu axa cavitatii, radiatia laser va prezenta proprietati directionale deosebite, proprietati ce sunt impuse in prima instanta de parametrii ce descriu campul de unde stationare existent in interiorul cavitatii rezonante.
In procesul de emisie stimulata, mediul cuantic emite fotoni in faza cu fotonii stimulatori - radiatia stimulanta fiind deci in baza relatiilor de faza ce o caracterizeaza - o radiatie coerenta de mare intensitate.
Directionalitatea, monocromaticitatea, intensitatea si coerenta radiatiilor laser, ce rezulta din insusi procesul specific de functionare a dispozitivelor laser, sunt proprietatile fundamentale ce confera 'luminii' laser un caracter unic in raport cu celelalte surse de lumina obisnuite.

d.1.Directionalitatea
Directionalitatea reprezinta proprietatea radiatiei laser de a se propaga rectiliniu cu o imprastiere sau divergenta foarte coborata.

d.2.Monocromaticitatea
Majoritatea laserilor au un spectru de emisie foarte ingust, ca urmare a modului lor de functionare, in care numarul mic de fotoni initiali este multiplicat prin 'copiere' exacta, producand un numar mare de fotoni identici. in anumite cazuri spectrul este atit de ingust (lungimea de unda este atit de bine determinata) incit fasciculul isi pastreaza relatia de faza pe distante imense.

d.3.Intensitatea
In functie de tipul de laser si de aplicatia pentru care a fost construit, puterea transportata de fascicul poate fi foarte diferita. Astfel, daca diodele laser folosite pentru citirea discurilor compacte este de ordinul a numai 5 mW, laserii cu CO2 folositi in aplicatii industriale de taiere a metalelor pot avea in mod curent intre 100 W si 6000 W. In mod experimental sau pentru aplicatii speciale unii laseri ajung la puteri mult mai mari; cea mai mare putere raportata a fost in 1996 de 1,25 PW.

d.4.Coerenta
-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.
-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

Aplicatiile laserului
Astazi laserul poate fi intalnit in cele mai diverse domenii, de la transmiterea gigabitilor de informatie - la suturi pe retina, de la topirea materialelor refractare - la masurarea distantelor interplanetare, de la inregistrarea holografica a imaginilor - la separarea izotopilor si fuziunea nucleara dirijata.Astfel, 'lumina' laser - considerata initial de catre cei ce nu-i intuiau aplicatiile potentiale, drept 'o solutie in cautarea unei probleme', ne apare astazi prin prisma confirmarii prezentului si a generalizarii previzibile in viitorul apropiat, ca simbolizand generic 'lumina de maine'.

Raspandirea larga a dispozitivelor laser a facut ca in ultimii ani un numar tot mai mare de oameni, din cele mai diverse domenii de activitate, sa-si manifeste interesul pentru cunoasterea si intelegerea functionarii acestora, a principalelor aplicatii ce le caracterizeaza.

Dispozitivul cu retea de difractie

a.Componentele retelei
-banc optic
-retea de difractie
-laser (p=50mW)
-panou opac gradat

b.Difractia luminii
Difractia luminii se poate face cu ajutorul unei retele de difractie.Reteaua este un sistem de fante de difractie drepte,paralele si foarte apropiate intre ele.Intervalele dintre doua zgarieturi succesive de pe o fata a retelei se numesc fante de difractie.

Lucrand cu unghuri mici aproape de incidenta normala, diferenta de drum δ dintre cele doua raze care interfereaza este data de relatia:

Care la atingerea valorilor maxime de difractie satisface conditia:

Distanta dintre doua minime si maxime consecutive nu depinde de ordinul de difractie:

Relatia de mai sus este bazata pe formula experimentala de determinare a lungimii de unda a radiatiei laser monocromatice:

Laser Christmas Fest
a.Tema proiectului
Crearea unei imagini reprezentand 'Magia Craciunului' folosind pointeri laser, oglinzi, filtre foto, fibre optice , prisme optice, lentile, polarizator sau materiale fluorescente.
b.Metoda
S-au folosit lentile, laseri, fibre optice, retea de difractie pentru impodobirea unui brad.
Cu ajutorul lentilelor s-au creat decoratiuni precum globurile, fibra optica a fost folosita pentru a reprezenta fulgii de nea, iar reteaua de difractie a fost folosita pentru ornamente , in acelasi sens ca lentilele.
c.Concluzii
Se poate ajunge la rezultate mult mai bune, chiar excelente daca se folosesc cat mai multe medii optice.Acest lucru impreuna cu editarea pe computer pot duce la un rezultat final foarte bun, putandu-se crea scene complexe de iarna.
Materiale de referinta
Adobe Photoshop http://www.adobe.com/products/photoshop/compare/