8.6 Lasery - Fizyka dla szkół wyższych. Tom 3

Cel dydaktyczny

W tym podrozdziale nauczysz się:

opisywać procesy fizyczne niezbędne do wytwarzania światła laserowego;
wyjaśniać różnicę między światłem spójnym i niespójnym;
na czym polega zastosowanie laserów w odtwarzaczach CD i Blu-Ray.

Laser (ang. laser ) jest urządzeniem, które emituje światło monochromatyczne i spójne. Światło jest spójne, jeśli fotony, które tworzą to światło, mają tę samą fazę, a monochromatyczne (ang. monochromatic light ), jeśli fotony mają tę samą, jedną częstotliwość (kolor). Gdy gaz w laserze absorbuje energię, elektrony w atomach gazu są wzbudzane na różne wyższe poziomy energetyczne. Większość elektronów natychmiast powraca do stanu podstawowego, ale niektóre pozostają w stanie wzbudzonym; taki stan nazywa się stanem metastabilnym (ang. metastable state ). Możliwe jest umieszczenie większości elektronów w atomach w stanie metastabilnym – sytuacja taka nazywa się inwersją obsadzeń (ang. population inversion ).

Gdy foton o odpowiedniej energii oddziałuje z elektronem w stanie metastabilnym (Ilustracja 8.28), elektron przechodzi („spada”) do stanu o niższej energii i emituje dodatkowy foton. W rezultacie oba fotony – wymuszający i wyemitowany – poruszają się razem. Proces ten nazywany jest emisją wymuszoną (ang. stimulated emission ). Występuje on ze stosunkowo dużym prawdopodobieństwem, gdy energia fotonu wejściowego jest równa różnicy między energią wzbudzonego i podstawowego poziomu energetycznego elektronu ( $\prefop{\Delta}E=h\nu$ ). Stąd foton wymuszający przejście elektronu i foton wytwarzany mają taką samą energię, $h\nu$ . Te dwa poruszające się razem fotony napotykają kolejne elektrony w stanie metastabilnym i proces się powtarza. Rezultatem jest kaskada (lub reakcja łańcuchowa) kolejnych aktów emisji wymuszonej. Światło lasera jest spójne, ponieważ w jego przypadku wszystkie fale świetlne mają taką samą częstotliwość (kolor) oraz tę samą fazę (dowolne dwa punkty w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku ruchu fali znajdują się w tym samym miejscu fali). Schemat spójnej i niespójnej fali świetlnej jest pokazany na Ilustracji 8.29.

Ilustracja pokazuje wzmocnienie światła w laserze. Liniami przerywanymi pokazano dwa stany energetyczne, leżące jeden nad drugim dla różnych chwil czasu. Elektrony będące w wyższym stanie, tak zwanym stanie metastabilnym przechodzi do stanu niższego. Fala o energii h f wymusza przejście elektronu do stanu o niższej energii. Emitowane są dwa fotony o tych samych energiach h f i są adsorbowane przez elektrony w stanach metastabilnych. Te elektrony przechodzą do stanów o niższych energiach, emitując cztery fotony o niższych energiach h f, które są adsorbowane przez kolejny, trzeci już zbiór elektronów. Te elektrony przechodzą na niższy stan energetyczny i emitują osiem fotonów o identycznych energiach h f.

Ilustracja 8.28 Fizyka lasera. Padający foton o częstotliwości

\nu

wywołuje kaskadę fotonów o tej samej częstotliwości.

Ilustracja wzoru fali światła spójnego i niespójnego. Światło spójne składa się z fali o tej samej długości, fazie i amplitudzie, stąd wszystkie linie szczyty i doliny się pokrywają. Światło niespójne składa się z fal o różnych długościach, fazach i amplitudach, stąd szczyty i doliny linii się nie pokrywają.

Ilustracja 8.29 Spójna fala świetlna zawiera fale o tej samej częstotliwości i tej samej fazie. Fala niespójna składa się z fal o różnych częstotliwościach i różnych fazach.

Lasery mają szeroki zakres zastosowań, np. w komunikacji (światłowodowe linie telefoniczne), w rozrywce (laserowe pokazy świetlne), w medycynie (usuwanie guzów i kauteryzacja naczyń w siatkówce) oraz w sprzedaży detalicznej (czytniki kodów kreskowych). Lasery mogą być wytwarzane z szerokiej gamy materiałów, w tym z gazów (gazowych mieszanin helu i neonu), jak również substancji stałych (na przykład z kryształu rubinu) i płynów (barwniki organiczne). Ostatnio laser został skonstruowany z zastosowaniem jadalnej żelatyny! Poniżej omówimy szczegółowo dwa praktyczne zastosowania laserów: odtwarzacze CD i Blu-Ray.

Odtwarzacz CD

Odtwarzacz CD (ang. CD player ) odczytuje cyfrową informację zapisaną na płycie kompaktowej (CD). Płyta CD to płyta o średnicy $\SI{12}{\centi\metre}$ , zawierająca nośnik z tworzywa poliwęglanowego, na którego powierzchni znajdują się miliony mikroskopijnych wgłębień kodujących dane (Ilustracja 8.30). Wgłębienia te układają się w kształt bardzo cienkiej spirali, rozciągającej się w kierunku zewnętrznej krawędzi nośnika. Szerokość toru nie sięga $1/20$ szerokości ludzkiego włosa, a wysokości wgłębień są jeszcze mniejsze. Płyta składa się z czterech warstw: warstwy nośnej z poliwęglanu (plastikowa tarcza), warstwy barwnej (topi się podczas zapisu), aluminiowej (lub złotej) warstwy odbijającej i ochronnej warstwy lakieru.

Obraz szczegółów płyty CD. Wiązka laserowa pada na dysk od dołu pod kątem prostym. Dysk składa się z trzech warstw. Dolna warstwa jest wykonana z poliwęglanu i posiada naprzemiennie rozłożone wgłębienia i wybrzuszenia. Cienka warstwa aluminium jest napylona na tę warstwę. Dysk pokryty jest warstwą lakieru, wypełniającego wgłębienia i wybrzuszenia i tworzącego gładką warstwę. Cały dysk, ma grubość 1.2 m m.

Ilustracja 8.30 Płyta kompaktowa jest płytą z tworzywa sztucznego, która wykorzystuje wgłębienia w pobliżu powierzchni w celu zakodowania informacji cyfrowych. Powierzchnia płyty zawiera wiele warstw, łącznie z warstwą aluminium i jedną z tworzywa poliwęglanowego.

Odtwarzacz CD wykorzystuje laser do odczytu informacji cyfrowej zakodowanej na płycie. Światło laserowe nadaje się do tego celu, ponieważ spójne światło może być skupiane na niezwykle małym obszarze. Szerokość wiązki laserowej przy wejściu do warstwy plastiku wynosi $\SI{0,8}{\milli\metre}$ , ale warstwa ta wspomaga skupianie wiązki lasera, działając jak soczewka i redukując szerokość wiązki do $\SI{0,001}{\milli\metre}$ , a zatem pozwala odróżnić wgłębienia w płycie. Wiązka lasera zostaje skupiona na warstwie aluminium nieco ponad powierzchnią dolnej części dysku, tak więc drobne rysy i uszkodzenia nie powodują utrudnień w odczycie. Światło lasera zostaje odbite od warstwy i trafia ponownie do czujnika optycznego w odtwarzaczu, przy czym światło odbite od powierzchni warstwy (poza wgłębieniem) jest jedynie odbite, a światło, które trafia we wgłębienie, ulega destruktywnej interferencji, która wygasza światło powracające (szczegóły tego procesu nie są ważne dla tej dyskusji). Odbite światło jest interpretowane jako „ $1$ ”, a brak odbicia (wygaszenie) – jako „ $0$ ”. Uzyskany sygnał cyfrowy przekształcany jest na sygnał analogowy, a sygnał analogowy wprowadzany do wzmacniacza, który zasila urządzenie, takie jak para słuchawek. System laserowy odtwarzacza CD jest pokazany na Ilustracji 8.31.

Ilustracja 8.31 Odtwarzacz CD z będącym jego częścią laserem.

Odtwarzacz Blu-Ray

Podobnie jak odtwarzacz CD, odtwarzacz Blu-Ray (ang. Blu-Ray player ) odczytuje informację cyfrową (wideo lub audio) zapisaną na dysku, a laser jest używany do nagrywania tej informacji. Wgłębienia na płycie Blu-Ray są znacznie mniejsze i ściślej upakowane niż na CD, tak że można na niej przechowywać więcej informacji. Z tego powodu zdolność rozdzielcza lasera musi być większa. Osiąga się to za pomocą niebieskiego (stąd nazwa „Blu-Ray”) lasera o mniejszej długości fali, $\lambda = \SI{405}{\nano\metre}$ (CD i DVD korzystają z czerwonego światła laserowego). Porównanie rozmiarów wgłębień, konfiguracji sprzętowych odtwarzaczy CD, DVD i Blu-Ray i związanych z tym rozdzielczości zostało pokazane na Ilustracji 8.32. Wielkości wgłębień na dysku Blu-Ray są więcej niż dwa razy mniejsze od wgłębień na płycie DVD lub CD, co daje przynajmniej czterokrotnie większą gęstość zapisu (gęstość zapisu jest w przybliżeniu proporcjonalna do kwadratu długości fali lasera). W odróżnieniu od płyt CD Blu-Ray przechowują dane na warstwie poliwęglanu, która umieszcza dane bliżej obiektywu i pozwala uniknąć problemów z ich odczytem.

Różnej wielkości otwory w CD, DVD i Blu-Ray. Wkażdym przypadku wielkość otworu jest mniejsza niż szerokość wiązki lasera na powierzchni urządzenia do zapisu informacji. Po lewej pokazano CD o pojemności 0.7 GB. Długość fali wiązki lasera lambda równa się 780 nanometrów, odpowiada fali czerwonej. Fala jest skupiana przez soczewkę, penetruje materiał CD na głębokość 1.2 m m i tworzy stosunkowo dużą plamkę na powierzchni CD. W środku umieszczono DVD o pojemności 4.7 GB. Laser DVD ma długość fali lambda równa się 650 nanometrów, co odpowiada fali pomarańczowo- czerwonej. Fala jest skupiana przez soczewkę i penetruje materiał DVD na głębokość 0.6 m m tworząc małą plamkę na powierzchni DVD. Po prawej stronie rysunku pokazano Blue-Ray o pojemności 25 GB. Laser Blue-Ray laser ma długość fali lambda równa się 405 nanometrów, co odpowiada fali niebieskiej. Fala jest skupiana przez soczewkę, penetruje materiał dysku blue-raya na głębokość 0.1 m m tworząc małą plamkę na powierzchni dysku.

Ilustracja 8.32 Porównanie rozdzielczości lasera w CD, DVD i Blu-Ray.