Διδακτικά Βιβλία του Παιδαγωγικού Ινστιτούτου

Αναζήτηση

Βρες
Εμφάνιση

Πώς λειτουργούν

Με τη βοήθεια της διάταξης laser ρουβιδίου θα προσπαθήσουμε να κατανοήσουμε τον τρόπο λειτουργίας οποιασδήποτε διάταξης laser και το ρόλο κάθε τμήματός της. Το ενεργό υλικό σ΄ αυτό τον τύπο laser είναι το ρουβίδιο (ρουμπίνι), δηλαδή το τριοξείδιο του αργιλίου (Al2Ο3) με προσμείξεις χρωμίου. Οι ενεργειακές στάθμες του ρουβιδίου που προσφέρονται για την παραγωγή ακτίνων lasers είναι τρεις.

Σε συνηθισμένες συνθήκες τα περισσότερα άτομα βρίσκονται στη θεμελιώδη στάθμη (Ε1). Φωτίζοντας το ρουμπίνι με πράσινο φως, τα ιόντα του διεγείρονται και ανέρχονται στη στάθμη Ε3. Η διαδικασία αυτή ονομάζεται άντληση (σχήμα 4-46α, β). Στη στάθμη Ε3 παραμένουν απειροελάχιστο χρόνο και μεταπίπτουν αυθόρμητα στην Ε2, που είναι στάθμη χαμηλότερης ενέργειας. Η διάρκεια παραμονής τους στην Ε2 είναι πολύ μεγαλύτερη από ό,τι στην Ε3. Τέλος επιστρέφουν στη θεμελιώδη Ε1.

Η μεγάλη σχετικά διάρκεια παραμονής των ατόμων στην Ε2 έχει ως αποτέλεσμα να βρίσκονται στην ενεργειακή αυτή κατάσταση περισσότερα άτομα από ό,τι στη θεμελιώδη. Η κατάσταση αυτή είναι αντίθετη από τη φυσιολογική, λέγεται αντιστροφή πληθυσμών (σχήμα 4-46γ) και συντηρείται με την αδιάκοπη άντληση από τη στάθμη E0 στη στάθμη Ε2.

4-46 (α), (β) Διαδικασία άντλησης και (γ) αντιστροφή πληθυσμών.

Όταν ένα άτομο μεταπίπτει από τη στάθμη Ε2 στην Ε1, εκπέμπει φωτόνιο συχνότητας f=(Ε2Ε1)/h. Το φωτόνιο αυτό στην πορεία του συγκρούεται με ένα άλλο άτομο, που βρίσκεται στη στάθμη Ε2. Το άτομο αυτό με τη σειρά του εκπέμπει ένα πανομοιότυπο φωτόνιο και μεταπίπτει στη θεμελιώδη στάθμη Ε1. Τα δύο φωτόνια τώρα συγκρούονται με άλλα δύο άτομα, οπότε εκπέμπονται νέα φωτόνια κ.ο.κ. Η διαδικασία λοιπόν αποδιέγερσης από τη στάθμη Ε2 στη στάθμη Ε1 μοιάζει με χιονοστιβάδα και η ενέργεια που χάνουν τα άτομα μεταφέρεται από το εκπεμπόμενο φως. Από τις ακτίνες αυτού του φωτός άλλες ακολουθούν πορεία κατά μήκος της ράβδου ρουβιδίου και άλλες όχι, βγαίνοντας τελικά από τη ράβδο.

Η ράβδος ρουβιδίου τοποθετείται μεταξύ δύο επίπεδων κατόπτρων, όπως φαίνεται στο σχήμα 4-48. Η επιλογή των επίπεδων κατόπτρων είναι τέτοια, ώστε το οπίσθιο (Α) να αντανακλά όλα τα φωτόνια, ενώ το εμπρόσθιο (Β) (κάτοπτρο εξόδου) να είναι ημιπερατό και να επιτρέπει την έξοδο ενός ποσοστού φωτονίων. Το σύστημα των δύο αυτών κατόπτρων ονομάζεται οπτικό αντηχείο. Οι ακτίνες που ακολουθούν πορεία κατά μήκος της ράβδου, φτάνοντας στο κάτοπτρο Β, ανακλώνται και γυρίζουν πίσω. Στο δρόμο τους αποδιεγείρουν και άλλα άτομα και η δέσμη τους γίνεται πιο ισχυρή. Φτάνοντας στο κάτοπτρο Α ανακλώνται και, ακολουθώντας πορεία προς το κάτοπτρο Β, αποδιεγείρουν στο δρόμο τους πολλαπλάσια άτομα. Έτσι η ισχύς της δέσμης μεγαλώνει τόσο, ώστε ένα μέρος της καταφέρνει να διαπεράσει το ημιδιαφανές κάτοπτρο (Β). Η δέσμη του φωτός που εξέρχεται από το κάτοπτρο (Β) είναι το φως laser (σχήμα 4-48).

4-47 Σχηματική παράσταση εξαναγκασμένης αποδιέγερσης και δημιουργίας φωτός laser.

Οπίσθιο κάτοπτρο Κάτοπτρο εξόδου Έναυσμα Δέσμη laser

4-48 Σχηματική παράσταση της διαδικασίας παραγωγής φωτός laser. 4-49 Εργαστηριακά "κανόνια" lasers με διαφορετικά χρώματα.