Lézerek működése A LASER egy mozaikszó: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation azaz fény erősítése a sugárzás stimulált/indukált emissziójával. Az atommag körül az elektronok csak bizonyos sugarú pályákon mozognak. Minél távolabb helyezkedik el az elektron az atommagtól (azaz nagyobb sugarú pályán tartózkodik) annál nagyobb energiával rendelkezik. Ezen pályák átjárhatóak. Ha egy elektron az atommaghoz közelebbi pályára kerül akkor energiát veszít. Ha pedig a magtól távolabbi pályára lép energiát vesz fel környezetétől. Minden elektronnak meghatározható egy a tartózkodási helyhez kötödő állapota. Ha ez a lehető legalacsonyabb energiájú pálya akkor ez az elektron alapállapota. Minden más ennél nagyobb energiájú pályán való tartózkodáskor az elektron gerjesztett állapotáról beszélünk. Gerjesztés akkor következik be (azaz az elektron magasabb pályára juthat) ha egy alapállapotú elektron egy nagy energiájú fotont (mely nekiütközött) nyel el. Ezen foton pontosan a két pálya közti energia különbségel rendelkezik. Ez a jelenség az abszorpció.
A gerjesztett állapotú alapállapotába:
elektron
két
féle
módon
térhet
vissza
Spontán emisszió folytán. Ilyenkor az elektron bizonyos idő elteltével a gerjesztett állapotból ismét alapállapotba kerül fotonkibocsájtás kíséretével. A foton energiaszintjére itt is igaz az energia-rezonancia elve. A foton pontosan a két pálya közti energia különbséggel rendelkezik a kibocsájtás pillanatában. A spontán emisszió kiváltó oka ismeretlen ezért
bekövetkezése sem határozható meg. Lehetséges ok a kozmikus sugárzás, egyéb háttérsugárzás. Fontos azonban tudni, hogy a gerjesztett állapot nem egy stabil állapot. A magasabb pályán való tartózkodás energiát emészt fel mely veszteség egy bizonyos idő elteltével spontán emisszióhoz vezet.
Idukált emisszió esetén az elektron külső hatás következtében energiát bocsájt ki foton formájában, tehát nem spontán módon következik be. Ennek kiváltó oka lehet egy másik foton, mely a gerjesztett elektronnal találkozik. Ezt követően az elektron visszatér alapállapotába. A besugárzott foton és az emittált foton haladási iránya, fázisa, polarizációja és energiája megegyezik.
Az indukált emisszió fogalma alapján nagy intenzitású fény létrehozásához nagy mennyiségben kell gerjesztett állapotú atomokat létrehoznunk egy adott anyagban. Ezt az anyagot lézer aktív anyagnak hívjuk, mely lehet szilárd illetve gáz halmazállapotú. A gerjesztést energia bevitellel érjük el. Három fajta módszer létezik: hevítés, villanófény (optikai), elektromos. Legjobban elterjedt az optikai módszer. A végső cél a populáció inverzió azaz a lézer aktív anyagban az alapállapotú elektronoknál lényegesen több gerjesztett állapotú elektront kell létrehozni.
A lézer hatásfoka egészen eddig a jelenségig vezethető vissza. Ha a lézer aktív anyagot széles spekrtumú fénnyel (Kr vagy Xe töltésű villanó lámpával) gerjesztünk, akkor egy nagy része a bevitt energiának hővé alakul melyet el kell tánvolítani a rezonátorból hőcserélővel. Ez jelentősen rontja a hatásfokot. Csak egy kis hányada fog ennek a besugárzásnak lézer fénnyé alakulni. A spektrumnak csak egy szűk része nyelődik el a gerjesztési hullámhosszon más néven a rezonancia frekvencián. A hatásfok növelése a besugárzási hullámhossz leszűkítésével érhető el. Lámpa helyet monokromatikus dióda alkalmazásával. A lézer aktív anyag tartalmaz egy hordozó közeget és egy gerjesztésre alkalmas szennyezőt. Geometriája szilárdtest (kristály) esetében általában 5-7 mm átmérőjű, 150-220 mm hoszú hengeres rúd. Ezt egy optikai rezonátorban helyezzük el és a rúd palástfelületén villanó lámpával vagy diódával sugározzuk be. Az általános optikai rezonátor felépítése két tükörből és a közte elhelyezett lézer aktív anyagból áll. A két tükör közül az egyik a rezonancia frekvencián (egy specifikus hullámhosszon) teljesen visszaverő a másik tükör részben áteresztő, reflexiója kb. 98%-os.
Rövid impulzusok esetén optikai Q-kapcsolót is találhatunk a részben áteresztő tükör és a lézer aktív anyag között.
Fény erősítése esetén az első lépés a populáció inverzió létrehozása, széles vagy szűk spektrumú fény meghatározott frekvenciájú villogtatásával, pumpálásával. Ezt a gerjesztett populációt további energia bevitellel, a rezonancia frekvencián villogtatással, indukált emisszióra kényszerítünk. Ebben az esetben a fotonok gerjesztett atommal való találkozáskor sokszorozódnak. Az optika geometriai felépítése miatt a keletkezett fotonok azonos frekvenciájú, fázisú polarizációjú és terjedési irányúak lesznek. Ezen tulajdonságok megfelelnek a koherencia kritériumoknak. A létrehozott felerősödött fénnyaláb a kristály tengelyével megegyező irányítottságú (párhuzamos). A nyaláb egyrésze a féligáteresztő tükörhöz érve visszaverődik a lézer aktív anyagba, egy része átjut a tükrön és kilép a rezonátorból. Ez az általunk megfigyelt lézer fény. A visszaverődött nyalábban fotonjai folyamatosan indukált emisszióra késztetik a közben ismételten villanó fénnyel gerjesztett állapotba pumpált lézeraktív anyagot. A két tükörből visszaverődő fénysugár, továbbá a tükrök felé haladó fénysugarak találkozásakor interferálódnak. Fontos, hogy a sugarak találkozásakor erősödés lépjen fel, azaz a két hullám azonos fázissal találkozzon. Ez csak akkor lehetséges ha az optikai rezonátor tükrei közötti távolság a hullámhossz egész számú többszöröse. Az ipari lézereket működési elvük alapján két nagy csoportba sorolhatjuk: I. Folyamatos üzemű lézerek II. Impulzus üzemű lézerek
E két említett csoportot számos párhuzamos alcsoportra oszthatjuk különböző tulajdonságaik alapján. Folyamatos üzemű lézerek esetén a gerjesztés elve alapján két csoportot nevezhetünk meg: 1. Lámpa pumpált 2. Dióda pumpált Lámpa pumpált lézerek esetében egyfajta optikai geometriai elrendezés fordul elő a leggyakrabban. “Side pump” konfiguráció, azaz a villanó lámpa, mely Xe vagy Kr töltésű a szilárd kristály alapú lézeraktív anyagot a palástfelületén világítja meg. Maga a lézer aktív anyag (kristály) kör vagy négyszög alapú hasáb mely egy parabola tükör gyújtópontjában helyezkedik el, körülötte pedig a lámpa/ák. A pumpa forrása a lámpa széles spektrumú, nagy hullámhossz tartományú. Ez a lézer típus a pumpálás módja miatt a legrosszabb hatásfokú. Multi kW-os rendszerekben alkalmazzák. Dióda pumpált lézer esetében két elrendezés lehetséges. Az egyik verzió a már említett “Side pump” palást oldali besugárzás. Másik lehetőség az “End pump” azaz kristály végén történő besugárzás. Ez esetben sokkal kisebb felület van kitéve sugárzásnak. A relatív felület és az energia sűrűség limitálja a rezonátorba jutó fotonok számát. Kisebb átlagos lézer teljesítményű eszközök esetében alkalmazott pumpálási mód ld. jelölő lézerek. A pumpa forrása a dióda szűk spektrumú, kis hullámhossz tartományú. Ez a lézer típus a pumpálás módja miatt a lényagesen job hatásfokú. Multi kW-os rendszerekben is alkalmazzák disk felépítésű rezonátor kristályoknál. Impulzus üzemű lézerek esetén a gerjesztés elve alápján szintén két csoportot különböztetünk meg. Impulzus üzemű lámpa pumpált lézerekre ugyan az jellemző mint a folyamatos üzemű, lámpa pumpált lézerekre. Egy lényeges különbség van a működési elvvel kapcsolatban melyet fontos megemlíteni. Az impulzust két fajta módon hozhatjuk létre. Egyik ilyen mód a lámpa periódikus villogtatásával létrehozott impulzus. Ez lehet a tápegység kibe kapcsolgatása, a tápegység kontaktjának megszakítása vagy egy perforált lemez forgatása a lézersugár előtt. A másik a Q kapcsoló használata. Az iparban 3 típus fordul elő: 1. Forgó tükör 2. Elekrooptikai Q kapcsoló 3. Akusztooptikai Q-kapcsoló
A Q kapcsoló általános feladata a rezonátorban keletkezett fénysugár visszacsatolás, ezáltal a lézerműködés periódikus megakadályozása, majd felengedése. Így a populáció inverzió növelésével a létrehozott lézer impulzus teljesítményének rövid időn belüli fokozása a cél. Q kapcsoló nélkül csupán a lámpa villogtatása által létrehozott gyenge fény erősítő cavityn keresztül éri el a kívánt teljesítményt, mely típus a végerősítéses lézer. Impulzus üzemű dióda pumpált alcsoportokról beszélhetünk:
lézerekesetében
a
következő
Létezik itt is mint a folymatos üzem esetés “side pump” és “end pump” verzió. A impulzus létrehozása a dióda modulálásával és Q kapcsolással is lehetséges. Típusai megegyeznek a lámpa pumpált lézerek eseteivel.
További csoportosítás lehetséges a lézeraktív anyagok összetétele halmazállapota és felépítése alapján. Az iparban három csoport terjedt el igazán: I. II. III.
Gázlézerek Szilárdtest lézerek Dióda lézerek
I. A gázlézerek össztétel alapján (mely meghatározza a sugárzási hullámhoszt is) lehetnek: 1. Szén-dioxid lézerek (Sugárzási tartomány: távoli infra 9300 nm, 10600 nm) 2. Eximer lézerek (Sugárzási tartomány: főként UV, 126-351 nm-ig) További csoport határozható meg a gázlézerek működési elve alapján: 1. Áramoltatott “flow” gázközegű lézer (turbó ventillátoros), maximum 20kW 2. Lezárt tartályos, “sealed” gázlézer. Max 400 W, Kvázi zárt maximum 1 kW. II. Szilárdtest lézerek esetében a legelterjedtebb lézer aktív anyag az Nd:YAG lézer. A dinamikusabb igényeket a Nd:YVO4 kristály elégíti ki. A kristály és a rezonátor felépítése alapján három fajta szilárdtest lézer elvet különböztetünk meg:
1. Kristály rúd formában (Átmérő 5-7 mm, hossz 140-220 mm). Hagyományos rezonátor felépítés optikai asztalon. (Side pump, End pump)
2. Kristály disk fomában (Érme alakú kb. 20 mm átmérőjú, 100 mikron körüli vastags) Különleges rezonátorban elhelyezett, hagyományos optikai kicsatoló asztalon felépített eszköz.
3. Fiber laser, száll lézer. A lézer aktív anyag az optikai kábelben található meg, ez az úgynevezt aktív kábel. A klasszikusan vett rezonátor nem lelhető fel minden elem a mikronos optikai kábelben lett elhelyezve.
III. Dióda lézerek: A lézer alkalmazások az iparban az általános felhasználás felé kezdtek el nyitni. Ez a folyamat létrehozott egy új szegmenst. Az alacsonyabb minőségi követelmények és az olcsó ár eredményezte a diódalézer előretörését. A gyenge sugárminőség nem volt akadály olyan alkalmazásoknál mint a forrasztás (single pin soldering), vagy a műanyag hegesztés. Alacsony lézerteljesítmény, nagy foltátmérő, kis energiasűrűség volt a fő jellemzője a termékcsaládnak. A diódák fejlődésével azonban megjelentek más eddig magas minőségi
követelményű területen is mint az autóipar (fém karosszéria hegesztés). Itt már nagy teljesítményű 6000 W-os hegesztőlézerek is megtalálhatóak. Két alcsoport jött létre az évek folyamán: 1. Direkt diódalézer. Optikai asztal és rezonátor nélkül csak a dióda által kibocsájtott fény végez közvetlenül munkát. A lézer sugárzás a diódából kilépve néhány optikai eszközön keresztül (fordítótükör, fókuszlencse) jut el közvetlenül a munkadarabra.
2. Kábelcsatolt diódalézer. Optikai asztal és rezonátor nélkül csak a dióda által kibocsájtott fény végez közvetlenül munkát. Nagyobb teljesítményű diódák esetében a dióda kiterjedése miatt nehéz a munkadarab megközelítése a gépsoron. Mivel ezek a teljesítmények már optikailag összekötött diódasorokkal érhetőek el logikus volt egy kábelbe történő becsatolásuk. Így a végoptikával szerelt “munkakábel” könnyedén eljuttatható a munkadarabig.
Bella Szabolcs
Budapest, 2015.03.12.
