Laseri CU Semiconductori Folositi In Tehnica

CUPRINS

Pag

Capitolul 1 – INTRODUCERE 5

Capitolul 2 – DESCRIEREA TEHNICÃ… ……. ……. ……. …. 8

2.1 principii de operare…………………………… ….. 8

2.2 coerența luminii …………………………………… 9

2.3 excitarea electronilor………………………………. 10

2.4 emisia de fotoni……………………………………………… 10

2.5 pǎrțile componente ale laserului…………. 11

2.6 modul de funcționare al unui laser………. 13

2.7 CAVITĂȚI REZONANTE OPTICE……………………… 18

2.8 CONDIȚIA DE OSCILAȚIE PENTRU LASER………… 21

2.9 METODE DE INVERSIUNE APLICATE LASERILOR… 23

2.9.1 CAZUL LASERILOR SEMICONDUCTORI………. 23

2.10 ZGOMOTUL LASERILOR……………………………….. 26

2.11 PROPRIETĂȚILE RADIAȚIEI LASER……………………. 26

2.12 TIPURI ȘI STRUCTURI DE DIODE LASER…………….. 28

2.12.1 Dioda laser cu homojoncțiune…………. 28

2.12.2 Dioda laser cu monoheterojoncțiune (SH-CC)………………………………………………………………………………… 28

2.12.3 Dioda laser cu dublă heterojoncțiune 29

2.12.4 Dioda laser cu dublă heterojoncțiune

cu cavitate optică largă (LOC)…………………………… 30

2.13 Aprecieri teoretice ale laserului cu semiconductori……………………………………………………………. 31

2.14 Construire și consideratii practice ale

laserului cu semiconductori…………………………………… . 33

Capitolul 3 – UTILIZÃRI ALE LASERILOR CU SEMICONDUCTORI……………………………………….. 37

3.1 aplicații ale laserilor cu semiconductori….. 39

3.1.1 Structuri optice integrate………………… 39

3.1.2 Comunicații cu diode laser………………….. 40

3.1.3 Telemetria cu laseri cu semiconductori……. 41

3.1.3.1 Mǎsurarea distantelor cu laseri convenționali 42

3.1.3.1.1. Metoda Interferometricǎ ……………… 43

3.1.3.1.2. “Radarul” cu LASER (LIDAR)……….. 45

3.1.3.1.2.1. Comparatie LIDAR – RADAR………. 47

3.1.4 Teleghidajul și urmărirea obiectelor cu ajutorul laserilor cu semiconductori……………… 48

3.1.5 Metode de analizǎ spectralǎ cu ajutorul laserilor acordabili, cu semiconductori……… 49

3.1.5.1 Tehnici de măsurare cu detecție de fază…….. 50

Capitolul 4 – EFICIENȚA ECONOMICÃ………………… 51

4.1 studiu de caz – Utilizarea laserilor cu semiconductori. Aspecte pozitive si negative……. 51

4.2 studiu de caz – ARMA LASER…………………………… 52

4.2.1 FACTORI CARE INFLUENȚEAZĂ ASUPRA EFICIENȚEI ACȚIUNII ARMEI LASER……………………. 56

Capitolul 5 – IMPACTUL CU MEDIUL……………………….. 62

5.1 ACȚIUNEA RADIAȚIEI LASER ASUPRA MATERIALELOR ȘI APARATURII………………………………………………………… 62

5.2 Protecția împotriva radiației laser……………. 68

5.2.1. Nivelele de expunere ale ochiului și pielii 69

5.2.2 Programe de protecție………………………… 70

5.2.3. Efectele biologice ale radiației laser…. 73

5.2.3.1 Efecte retinale ale radiației laser……………. 74

5.2.3.2 Efectele radiației laser la nivelul corneei si pielii 75

Capitolul 6 – CONCLUZII……………………………… 76

6.1 STADIUL REALIZĂRILOR ÎN DOMENIU…………………. 76

6.2 STUDIU DE CAZ- LASERUL CU SEMICONDUCTORI…… 77

6.3 perspective În tehnologia laser……………. 78

BIBLIOGRAFIE………………………………………… 80

BIBLIOGRAFIE

Oros C., Roum. J. Of Optoelectronics, 8, 2000

1964 Nobel Prize Winners, Nobel Prizes, Internet, 2000

Sam Goldwasser, Sam Goldwassers Lasers Frequently Asked Questions, Internet, 16 Martie 2000

Semiconductor Laser Diodes, Internet

Eaton S.M., Zhang H., Herman P.R., Yoshino F., Heat Accum.Effects in Fs Laser Written Waveguid. With Var. Rep. Rate, Opt. Express 13, 2005

Julean A.N., Analysis of Vaporiz. and Superf Melt. Phen. During Metal’s Laser Process., Rev. Rom. de Mec. Fină , Opt. și Mecatron., 28 ,2005

Julean A.N., Consid.Concern. Hard Mater. Holes Perf. Using Laser Technol, Rev. Rom. de Mec. Fină, Opt. și Mecatron., 28, 2005

Munce N.R., Li J.Z., Herman P.R., Microf. Sys. for Par. Single-Cell Cap. Electrophoresis, Anal. Chem. 76, 2004

Tarasov L.V., Laserii – realitate și speranțe, Editura Tehnicǎ, București, 2001

Doicaru Vl., Niculesu Cl.R., Laseri cu semiconductori și aplicații, Editura Tehnicǎ, București, 2000

=== Capitolul 1 ===

Capitolul 1

INTRODUCERE

Scopul lucrării este să asigure viitorului inginer cunoștințele de bază privind teoria și practicabilitatea laserilor cu semiconductori cât și o viziune managerialǎ, tehnicǎ și de mediu, precum și unele domenii de aplicabilitate a acestor cunoștințe.

Studiul interacțiunii radiației laser cu substanța prezintă atât un interes fundamental privind înțelegerea și explicarea fenomenelor ce au loc, cât și un interes practic, referitor la multitudinea de aplicații posibile.

Apariția sistemelor laser cu o aplicație preponderent industrială, avînd puteri medii și mari, a făcut ca aceste dispozitive să fie folosite pe scară tot mai largă, la început în aplicații militare și apoi în industrie, medicină, telecomunicații, metrologie și, nu în ultimul rând, în artă.

Folosirea laserilor în prelucrări de materiale se justifică însă numai atunci când tehnicile clasice nu dau satisfacție în ceea ce privește productivitatea sau calitatea operației.

Procedeele, având la bază schimbarea stării termice a materialului de prelucrat, au un câmp larg de aplicare industrială pentru operații de tratamente termice, alieri de suprafață ale pieselor metalice, realizarea asamblărilor sudate pentru lamele, micro-contacte și fire, găuriri, tăieri, trimerizări, marcări-gravări, echilibrări statice și dinamice.

Despre efectul LASER se cunosc deja foarte multe. Aceasta ramura a științei s-a dezvoltat foarte mult de la începuturile sale (1955-1965) si pana in
ziua de astǎzi. Deși bazele teoretice erau mai mult sau mai puțin stabilite, primii care reușesc sa concretizeze toate teoriile si presupunerile au fost doi ruși si un american.

În ordine sunt prezentați Charles H. Townes (Massachusetts Institute of
Technology (MIT), Cambridge, MA, USA; nascut in 1915), Nicolay Gennadiyevich Basov (Lebedev Institute for Physics Akademija Nauk Moscow, USSR; nǎscut in 1922) și Aleksandr Mikhailovich Prokhorov (Lebedev Institute for Physics Akademija Nauk Moscow, USSR; nǎscut in 1916). Cei trei au împǎrțit premiul Nobel atribuit in 1964 pentru "cercetǎrile fundamentale in domeniul electronicii cuantice care au condus la construirea oscilatoarelor si a
amplificatorilor bazati pe principiul maser-laser".

Laserii cu semiconductori au apărut în anul 1962, la doi ani după anunțarea realizării emisiei stimulate optice de către Maiman . Ei au fost realizați practic, aproape simultan, de către Hali și colaboratorii, la „General Electric Comp", de Nathan și colaboratorii, la IBM, și de Quist și colaboratorii, la MIT Lincoln Laboratory.

Apariția laserilor cu semiconductori fusese de altfel pregătită teoretic de apariția câtorva lucrări în care se făceau considerații asupra posibilității realizării emisiei stimulate în semiconductori, dintre care amintim lucrările lui Basov și colaboratorii , Bernard cu Duraffourg și Dumke. Primii laseri cu semiconductori realizați au fost diodele laser, cu joncțiuni p-n din GaAs, numiți deseori „laseri cu injecție". Aceste diode au rămas până astăzi tipul cel mai utilizat, datorită proprietăților optime ale GaAs pentru obținerea emisiei stimulate, a unei tehnologii bine puse la punct, a cunoașterii amănunțite a proprietăților GaAs și a simplității excitării prin injecție de curent. Diodele laser din GaAs reprezintă sursa cea mai atractivă pentru comunicațiile prin fibre optice; dimensiunile lor sunt mici și comparabile cu cele ale ghidului de undă dielectric, utilizează un consum de energie electrică scăzut și sunt relativ ușor de modulat, direct prin intermediul curentului electric, astfel că nu necesită folosirea unor modulatori electro-optici scumpi și sofisticați.

Realizarea în ultimii ani a diodelor laser GaAs care funcționează în regim continuu la temperatura camerei, folosind curenți direcți de ordinul sutelor de miliamperi a deschis noi perspective comunicațiilor optice prin medii dielectrice transparente.

Lucrarea își propune ca obiectiv principal o prezentare succintǎ a laserilor cu semiconductori și aspectele legate de dezvoltarea și aplicabilitatea acestora.

Lucrarea conține urmǎtoarele capitole:

Lucrarea prezentatǎ este compusǎ din 5 capitole.

Capitolul 1 cuprinde partea introductivǎ în care s-au definit scopul, obiectivele urmǎrite și un scurt istoric asupra laserilor.

Capitolul 2 cuprinde partea tehnicǎ a lucrǎrii în care sunt prezentate caracteristici ale laserilor cu semiconductori, tipuri și structuri, principii de funcționare și tehnologii actuale.

Capitolul 3 prezintǎ eficiența economicǎ în utilizarea sistemelor de laseri cu semiconductori.

Capitolul 4 oferǎ viziuni asupra impactului cu mediul, aspecte pozitive și negative, precum și a protecției împotriva radiației laser.

Capitolul 5 cuprinde concluziile finale.

În ultima parte s-a prezentat materialul bibliografic consultat pentru realizarea lucrǎrii.

=== capitolul 2 ===

Capitolul 2

DESCRIEREA TEHNICÃ

Cuvântul LASER provine din limba engleză, el fiind ancronimul pentru "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation". Un laser este o sursă de lumină, dar total diferită față de un bec normal. Primul laser a fost făcut de Theodore H Maiman în 1960. El a montat o bucată de rubin tratată special intr-un bliț folosit pentru făcut fotografii. Când lampa bliț-ului a fost aprinsă, o pulsație intensă de lumină roșie a ieșit de la capătul rubinului. Această pulsație a fost monocromatică și coerentă. Diferența dintre lumina emisă de un bec normal și un laser este ca și aceea dintre zgomotul alb și un ton curat.

La inceput, laserul a fost considerat o "soluție" la multe "probleme". "Problemele" insă nu existau incă. Dar cu timpul, ele au inceput sa apară, în numar tot mai mare. Nu ne-am putea imagina lumea de astăzi fără lasere: folosite peste tot, de la CD playere la imprimante cu laser, fibre optice, comunicații, tăierea și sudura industrială, tratamente și operații medicale, holografie, spectacole luminoase (lasershows), cercetare în mai multe domenii, măsurare "fără atingere", chiar și armament. Caracteristicile unice ale unui laser – monocromaticitatea, coerența și paralelismul razei – îl fac potrivit pentru multe aplicații.

2.1 Principii de operare

Laserul foloseste atomii pentru a emite lumina intr-un mod coerent. Electronii atomilor aflati in mediul laserului sunt intai absorbiti, sau energizati, intr-o forma excitata de catre o sursa de energie. Ei sunt apoi ”stimulati” de catre fotonii externi pentru a emite energie in forma de fotoni, un proces numit emisie stimulata. Fotonii emisi au o frecventa caracteristica atomilor si se produc in etape cu fotonii stimulati. Acesti fotoni in miscare actioneaza asupra altor atomi pentru a se produce alti fotoni. Amplificarea luminii este realizata atunci cand fotonii se deplaseaza inainte si inapoi intre doua oglinzi paralele, emitand o raza stimulata. Lumina laserului intensa, directionata si monocromatica iese in final prin una dintre oglinzi, argintata partial.

Emisia stimulata, procesul de baza pentru actiunea laserului, a fost propusa pentru prima oara de Albert Einstein in 1917. Principiile functionarii laserului au fost studiate de catre fizicienii americani Arthur Shawlow(1921) si Charles Hard Torunes(1915) in aplicatia pentru acordarea patentului din 1985. Patentul le-a fost acordat, dar le-a fost disputat mai tarziu de catre fizicianul si inginerul american Gordon Gould. In 1960, fizicianul american Theodore Maiman a observat prima actiune a laserului in rubin. Un an mai tarziu fiziciaznul american Ali Javan(1926) a construit un laser bazat pe heliu si neon. Apoi, in 1966 fizicianul american Peter Sorokin (1931) a construit un laser lichid. Oficiul pentru patentarea inventiilor din America a recunoscut in 1977 una dintre tezele lui Gould asupra principiilor de functionare a laserului.

2.2 coerența luminii

Lumina albă, provenită de la soare sau de la un bec electric obișnuit, creează impresia că ar fi aproape pură. Dar acest fapt este departe de a fi adevărat. Lumina este o formă de radiație în unde, iar lumina albă conține un amestec de radiații de diferite lungimi de undă. Văzută separat, fiecare lungime de undă dă o senzație diferită de culoare. Dar amestecul de raze din lumina solară pare alb. Uneori razele de diferite lungimi de undă din lumina albă sunt separate, când lumina soarelui bate pe picături de ploaie. În acele momente putem vedea culorile componente ale luminii albe sub forma unui curcubeu.

Lumina în care toate undele au aceeași lungime are o culoare distinctă și poate fi considerată pură. În lumina colorată, obișnuită, undele se ridică și coboară în timpuri diferite și se spune că lumina este incoerentă. Un laser emite lumină de o singură lungime de undă, în așa fel încât ea să fie coerentă – toate undele se ridică și coboară în același timp. Acesta este faptul care conferă luminii laser proprietățile sale deosebite.

Lumina incoerentă se împrăștie întotdeauna pe măsură ce se îndepărtează de sursa ei. Astfel intensitatea sa scade, treptat, o dată cu distanța. Lumina coerentă nu se împrăștie aproape deloc, astfel încât un fascicul subțire de lumină, provenit de la un laser, poate fi transmis pe o distanță foarte mare cu o pierdere de energie foarte mică. De aceea, un fascicul laser puternic ar putea fi folosit drept armă – „raza mortală” din povestirile science fiction.

2.3 excitarea electronilor

Lumina este o formă de radiație electromagnetică ce se produce atunci când electronii care se rotesc în jurul nucleului unui atom cedează o parte din energia lor. Electronii pot să se în anumite zone distincte și emit energie dacă trec dintr-o exterioară, de energie mai mare, pe o orbită interioară, de energie mai mică. Întâi electronii trebuie excitați, adică trebuie să primească energie în plus. Aceasta se poate face pe mai multe căi, cum ar fi încălzirea substanței, suprapunerea sa la un câmp electric intens sau bombardarea sa cu un curent de electroni liberi.

2.4 emisia de fotoni

Când electronii sunt excitați, ei absorb energie și sar pe orbite exterioare. De obicei ei revin la întâmplare la orbita lor interioară. În acest proces, fiecare electron emite o particulă de energie luminoasă numită foton. Producerea luminii are loc, în mod normal, în acest fel și se numește emisie spontană.

În cazul laserului, electronii excitați dintr-un solid sau gaz sunt bombardați cu fotoni. Acest fapt determină trecerea electronilor pe orbite de energie mai mică și o emisie de fotoni. Acest proces se numește emisie stimulată. Fiecare foton emis sa deplasează în același timp, sau coerent, cu fotonul care a stimulat emisia sa. Această pereche poate să stimuleze apoi emisia altor fotoni de către orice alt electron cu care se ciocnește. La un laser, majoritatea electronilor prezenți sunt în stare excitată și acest fapt asigură creșterea rapidă sau amplificarea numărului de fotoni prin stimularea succesivă a electronilor excitați. Rezultatul este un fascicul intens de lumină coerentă.

Fig 2.1. O lanternă emite lumină incoerentă. Această lumină constă dintr-un amestec de unde luminoase de diferite lungimi de undă. Un laser emite lumină coerentă. Toate undele au aceeași lungime și același traseu. Lumina provenită de la lanternă formează un fascicul care se împrăștie treptat. Fasciculul laser rămâne aproape paralel.

2.5 pǎrțile componente ale laserului

Cu toate că LASER sugerează faptul că laserul este un "amplificator" (dispozitiv pentru mărirea puterii unui semnal), majoritatea laserelor sunt de fapt niște oscilatoare (surse de lumină). Cu toate acestea, lasere în adevăratul sens al cuvântului există. Puterea unui laser poate varia de la mai puțin de un mW la milioane de W. De asemenea, el poate lucra în impulsuri sau continuu. Dar toate laserele au cateva lucruri în comun:

1) Un mediu laser. Acesta poate fi solid, lichid, gaz sau un material semiconductor care poate fi excitat la un nivel mai mare de energie. Trebuie sa fie posibilă excitarea majorității particulelor la un nivel mai ridicat de energie. Aceasta se numeste inversie de populație. Trebuie ca emisia stimulată să declanșeze o tranziție pe un nivel inferior de energie.

2) Un mod de a energiza mediul laser. Acesta poate fi optic, chimic, electric. Laserele cu gaz folosesc descărcările electrice, excitarea RF externă, bombardamentul cu electroni sau o reacție chimică. Dar descărcarea electrică este cea mai des folosită la laserele de putere mică (HeNe). Exista și un laser chimic, numit Mid-Infra Red Advanced Chemical Laser (MIRACL), care folosește deuteriu și fluorină ca și reactanți. Mai este descris ca și un "motor de rachetă între oglinzi". De asemenea, mai există unul care este încă în stadiul de cercetare, montat pe un Boeing 747 modificat, numit AirForce's AirBorne Laser. Este un Chemical Oxygen Iodine Laser (COIL), care a fost construit pentru doborârea rachetelor de croazieră cu rază medie de acțiune, în faza de lansare. Laserele solide folosesc de obicei lămpi cu descarcare cu xenon (ca și lămpile de bliț) pentru amorsare sau o matrice de lasere semiconductoare (diode). Laserele semiconductoare de obicei sunt alimentate cu energie electrică, dar este posibilă si cu bombardare cu electroni sau optică. Laserii lichizi sunt de obicei amorsați optic, iar cei cu raze X cu mici dispozitive nucleare. Cu toate că s-au facut teste (secrete) există controverse în privința funcționării lor. Există si lasere cu electroni liberi (FEL – Free Electron Laser) care sunt alimentate folosind acceleratoare de particule (de sute de milioane de dolari).

3) Un rezonator. De cele mai multe ori acesta este sub forma unei cavități Fabry-Perot, o pereche de oglinzi, câte una la fiecare capăt al laserului. Acestea ajută fotonii să treacă de mai multe ori prin mediul rezonator, mărind șansele de a lovi și alți electroni. De obicei, una din oglinzi este total reflectorizantă, iar cealaltă este parțial transparentă pentru a da voie razei laser să treacă prin ea. Ele sunt ori perfect plane, ori puțin concave. Dar sunt posibile si alte configurații. Unele lasere au oglindă numai la un capat (laserele cu azot) sau nici o oglindă (laserele cu raze X pentru ca este aproape imposibilă reflectarea radiației la această lungime de undă). De asemenea, este posibilă și prezența altor elemente în rezonator, cum sunt prisme, modulatoare etc.

Cele mai mari lasere care funcționează continuu sunt urmatoarele:

– Unul bazat pe CO2 la Troisk Institute for Thermonuclear Research (în Troisk, cam la 150km de Moscova). Se zice că puterea sa ar fi de 10MW.

– Încă un laser de tipul CO2 la Institute of Physics, Savanoriu, Lithuania. Acest laser a fost așa de puternic încât a avut o linie de curent special pentru el trasă de la centrala electrică.

Cele mai mici lasere sunt cele folosite în mod curent în CD playere, în scannere de bare și echipamente de telecomunicații. Regiunea activa este lunga de o fracțiune de milimetru și 1 x 3 micrometrii de lata și înalta. Întreg chip-ul este de marimea unui fir de praf. Chiar și lasere mai mici sunt în producție. În teorie, chiar și un atom poate fi suficient pentru a putea realiza efectul laser.

2.6 modul de funcționare al unui laser

Funcționarea unui laser este bazată pe inversia de populație. De obicei, aproape toți atomii, ionii, moleculele al mediului laser sunt în cel mai scăzut nivel de energie (Anexă fig. 1).

Pentru a produce emisia stimulată, energia care alimentează laserul trebuie sa fie destul de mare pentru a realiza o inversie de populație. Aceasta înseamnă că majoritatea particulelor din mediul laser trec pe un nivel energetic superior (Anexă fig. 2).

La un moment dat, câteva din particulele excitate (atomi/ioni/molecule) vor trece pe un nivel energetic inferior. În acest proces, fiecare vor emite cate un foton într-o direcție aleatoare. Acest lucru se numește "emisie spontană", dar fenomenul ca atare nu este foarte folositor. Este același proces prin care se aprinde o lampă cu neon (Anexă fig. 3).

Cu toate acestea, Einstein a arătat că dacă unul din acești fotoni se întamplă să se ciocnească cu o particulă excitată, aceasta va trece si ea pe un nivel energetic inferior si va emite un foton cu niște proprietați foarte utile: noul foton va avea exact aceeasi lungime de undă, fază, direcție și polarizare. Polarizarea nu este importantă pentru crearea unui laser, dar daca rezonatorul favorizează o anumită polarizare (printr-un camp magnetic, printr-o fereastră la unghiul Brewster) atunci si raza laser va fi polarizată. Ne imaginăm mediul laser emițănd spontan fotoni în toate direcțiile. Cei mai mulți se vor pierde ieșind sub diferite unghiuri din rezonator. Cu toate acestea, unii vor avea o traiectorie paralelă cu direcția rezonatorului. (Anexă fig. 3)

În acest caz vor ajunge până la oglinzi, de unde vor fi reflectați în rezonator. De-a lungul rezonatorului aceștia întalnesc alte particule excitate, pe care le stimulează să cedeze fotoni.(Anexă fig. 4)

În acest mod, ceea ce a fost doar un foton este o "avalanșă" de fotoni. Raza rezultantă este monocromă și coerentă, aproape paralelă și poate fi manipulată foarte ușor, ceea ce cu lumină normală este imposibil. (Anexa fig. 5)

Dacă sursa de energie are destulă putere și destule particule sunt aduse pe nivelul superior de energie, acțiunea laserului va continua la nesfârșit. Acesta va fi un laser continuu. Daca energizarea nu poate fi menținută, rezultatul va fi un laser care lucrează în impulsuri.

Anexǎ

Orice corp iradiat va emite o putere mai mică decât puterea incidență, datorită pierderilor, care până la urmă, duc la încălzirea corpului. Sa examinăm însă cu mai multă atenție bilanțul energetic al fenomenelor. Să presupunem că trimitem asupra unui corp o radiație electromagnetică ai cărei fotoni au energie h, egală cu diferența dintre energiile E2 și E1 (E2 > E1) a doua nivele. Daca notăm cu I numărul de fotoni incidenți, de energie h, în unitatea de timp, atunci puterea radiației incidente este Pinc = I h. O parte din acești fotoni vor fi absorbiți de atomii aflați pe nivelul inferior E2, provocând tranziția acestora pe nivelul E2. Desigur, numărul tranzițiilor E1E2 în unitatea de timp va fi proporțional cu numărul fotonilor incidenți / și cu numărul N1 de atomi aflați în starea E1. Notând coeficientul de proporționalitate cu B12, puterea absorbită (consumată pentru excitarea atomilor) este Pexcit = B12 IN1h. O parte din atomii aflați în starea energetică E2 vor reveni spontan pe nivelul E1 fie radiativ, fie neradiativ. Pentru simplificare, vom analiza numai dezexcitările radiative. Fotonii emiși cu această ocazie au aceeași energie h, iar numărul lor va fi evident proporțional cu numărul N2 de atomi aflați pe nivelul energetic E2. Dacă vom nota cu A21 coeficientul de proporționalitate, atunci puterea emisă de corp prin

Fig 2.2 PRINCIPIUL de funcționare al unui laser

dezexcitare spontană va fi Pspont= A21N2h depinde de intensitatea radiației incidente I. O altă parte din atomii de pe nivelul E2 se vor dezexcita în urma acțiunii fotonilor incidenți (emisie stimulată). luând tot numai cazul radiativ, numărul fotonilor astfel formați va fi proporțional de asemenea cu N2, dar și cu numărul I al fotonilor ce provoacă această emisie stimulată. Notând cu B21 coeficientul de proporționalitate, puterea emisa prin tranziții induse va fi Pind = B21 I A21N2h. Mǎrimile B12, A21, B21 se numesc coeficienții lui Einstein și au, printre altele, proprietatea B21 = B12. Din schema dată în fig.2.2. se vede ușor că puterea emisă de sistemul iradiat este:

Pemis = Pinc + Pspont + Pind – Pexcit (2.1)

de unde

Pemis = Pinc + A21N2h + B21 I ( N2 – N1) (2.2)

În cazul surselor obișnuite (corpuri incandescente, descărcări în gaze, flăcări etc), cel mai important termen este cel corespunzător emisiei spontane. însă pentru a realiza o sursă în care puterea emisă să fie mai mare decât puterea incidență, în primul rând trebuie ca ultimul termen — singurul care ar putea aduce o contribuție negativă la sumă — să fie pozitiv adică N2 > N1 cu alte cuvinte, este necesar în primul rând să se realizeze o inversiune a populațiilor între cele două nivele. în al doilea rând, pentru a avea, practic, numai emisie stimulată sau, cu alte cuvinte pentru ca emisia spontană să fie neglijabilă, trebuie ca termenul A21N2h sa fie neglijabil față de ultimul. Aceasta se poate realiza mărind considerabil intensitatea radiației incidente I. Valoarea lui I pentru care se realizează condiția de mai sus se numește intensitate de prag. Ea se calculează pentru fiecare dispozitiv în parte, iar în calculul ei intră și coeficienții de reflexie ai suprafețelor. Așadar, dacă, folosind d anumită sursă de energie, realizăm inversiunea de populație între două nivele energetice ale atomilor unui mediu dat (care în acest caz se mai numește și mediu activ), iar intensitatea, radiației incidente depășește intensitatea de prag, puterea radiată de mediul activ poate deveni mai mare decât puterea incidență și obținem în acest fel un amplificator cuantic de radiație prin emisie stimulată (laser).

Daca în urma iradierii mediului activ cu o radiație de o anumita frecvență, el furnizează o radiație laser de o alta frecvență (în general, mai mică) însă de asemenea mult mai intensă, dispozitivul se numește generator cuantic de radiație.

2.7 CAVITĂȚI REZONANTE OPTICE

Cavitățile rezonante optice se deosebesc de cavitățile utilizate în maseri prin aceea că dimensiunile lor nu mai sunt comparabile cu lungimea de undă, ci mult mai mari. De aceea, într-o asemenea cavitate, numărul modurilor de oscilație este foarte mare. Pentru micșorarea numărului modurilor de oscilație se poate utiliza proprietatea de directivitate a propagării undei într-un spațiu cu dimensiuni mult mai mari decât lungimea de undă. După cum s-a văzut, în acest sens se întrebuințează o cavitate formată din două oglinzi plane, paralele, numită interferometru plan-paralel sau interferometru Fabry-Perot. Studiul acestuia a folosit la posibilitatea de a considera că în interiorul cavității se propagă numai unde după direcții perpendiculare pe planul oglinzilor, deoarece celelalte unde după un număr de reflexii părăsesc cavitatea. Cavitatea oscilează așadar în modul axial TEM00n.

În realitate, oglinzile neavând dimensiuni infinite, trebuie luate în considerare fenomenele de difracție. Aceste fenomene dau naștere la pierderi suplimentare de energie și determină apariția modurilor de oscilație transversale. Datorită însă proprietăților de directivitate ale cavității sunt favorizate modurile axiale.

Frecventele de rezonanță pe modurile axiale dominante corespund condiției ca distanța dintre oglinzi să fie un număr întreg de semi-lungimi de undă, adică;

c =n c/ 2d (2.3)

unde: n este un număr întreg; c — viteza luminii; d — distanța dintre oglinzile
cavității.

Dacă oscilația apare pe frecvența n c/ 2d , atunci frecventa imediat următoare va fi:

c1 =(n+1) c/ 2d (2.4)

ceea ce înseamnă că frecvențele de oscilație ale interferometrului sunt separate între ele prin mărimea:

c1 =c/ 2d (2.5)

Pierderile de energie în interiorul interferometrului se datoreazǎ, în principal, pierderilor prin reflexia undelor pe oglinzi (în aceste pierderi se include și energia care părăsește cavitatea prin fasciculul emis), prin difracție și pierderi de volum.

La evaluarea factorului de calitate Q pentru oscilația de frecvență c, se admite că pierderile se datorează numai reflexiei radiației electromagnetice pe oglinzi. Energia acumulată în interferometru scade după legea:

W=W0exp[ -c / Q] (2.6)

unde: Wo este energia inițială, iar c = 2c.

Pierderea de energie în intervalul de timp t = d/c, necesar undei să străbată distanța de la o oglindă la oglinda opusă, fiind dată de pierderea prin reflexie la oglinda opusă. Rezultă pentru coeficientul de reflexie al oglinzilor (presupus același pentru ambele):

= exp[ – c/ Q d/c] 1 – c/ Q d/c (2.7)

Efectuând calculele se obține:

Q c = 2d / λ (1-) (2.8)

Exemplu: pentru λ = 10-3 m, = 0,99 și d = 1 m se obține Qc = 6,3 108, adică o valoare foarte mare a factorului de calitate.

Semi-lărgimea liniei de rezonanță a interferometrului are valoarea:

c = c/ 2 Q c λ (1-)/ 2d ½ c (2.9)

În cazul considerat semi-lărgimea liniei de rezonanță a interferometrului este 0,5 MHz.

Date fiind dezavantajele pe care le prezintă interferometrul plan-paralel, dintre care mai importante sunt pierderile mari prin difracție și necesitatea asigurării unui înalt grad de paralelism între plăci, în construcția laserilor se utilizează interferometrul, mai perfecționat, „sferic confocal", cu pierderi prin difracție mai mici și o mai bună stabilitate a alinierii oglinzilor.

Pentru ca fasciculul luminos să poată părăsi cavitatea laserului, una din oglinzi este parțial argintată, iar cealaltă, total argintată. Rezultate mai bune s-au obținut prin depunerea alternativă pe sticla optică a unor straturi subțiri din două materiale transparente cu indici de refracție diferiți (de exemplu ZnS de indice 2,3 și MgF2 de indice 1,38). Cu 13 straturi, de exemplu, depuse pe oglinzi de siliciu, s-a putut obține într-o bandă a lungimilor de undă de la 1,1 m la 1,2 m, o putere de reflexie = 0,989, cu o transmisie de 0,3%, deci o absorbție de 0,8%. Randamentul în lumină transmisă nu depășește deci 0,3/ 1,1 = 0,28%, dar se tinde desigur spre îmbunătățirea acestuia.

Deoarece în interiorul cavității undele se propagă în principal perpendicular pe planul oglinzii, unghiul de împrăștiere a fasciculului ar rezulta nul. Datorită însă fenomenelor de difracție, unghiul de împrăștiere nu este nul. Dacă D este diametrul oglinzii care constituie suprafața radiantă, se calculează că unghiul de împrăștiere a fasciculului emergent nu poate fi mai mic decât λ/D). Laserii au unghiuri de împrăștiere a fasciculului de ordinul a 10-3 rad pentru laserii solizi, 10-4 rad în cazul laserilor gazoși și 10-2 10-1 rad în cazul laserilor semiconductori.

Unghiul de împrăștiere poate fi redus prin sisteme optice adecvate. în general se utilizează sisteme optice cu oglinzi și lentile. Cu acestea se poate obține, de exemplu, o divergență a fasciculului de până la 10-5 rad (pentru diametrul oglinzii de 1 m și o prelucrare a planeității acesteia cu o precizie de ordinul λ/30).

2.8 CONDIȚIA DE OSCILAȚIE PENTRU LASER

Pentru ca laserul să poată oscila este necesar să existe un asemenea grad de inversiune a populațiilor, încât energia cedată de către sistemul activ să compenseze cel puțin pierderile de energie în cavitate.

O rază luminoasă de intensitate I0, după parcurgerea într-un mediu a unei distanțe z, se atenuează potrivit cunoscutei relații:

I = I0 exp( – z) (2.10)

unde este constanta de atenuare a mediului respectiv.

În cazul laserilor, raza luminoasă nu se atenuează, ci dimpotrivă se amplifică, ceea ce înseamnă că mediul se caracterizează printr-o constantă de atenuare negativă (<0).

Constanta de atenuare negativă la frecvența , determinată de tranzițiile între nivelurile 1 și 2, se demonstrează că este dată de relația:

(2.11)

în care: λ este lungimea de undă a radiației în vid; n — indicele de refracție a mediului activ; g1,g2 — ponderile statistice ale nivelurilor 1 și 2; ฑ1, ฑ2— concentrațiile particulelor de pe nivelul 1, respectiv 2; A21 — probabilitatea tranzițiilor spontane între nivelurile 2 și 1 ; S(,0) — forma liniei spectrale.

În interferometru apar pierderi de putere datorită reflexiei pe oglinzi, difracției și pierderilor de volum. Menționăm însă că în cele ce urmează, pierderile prin difracție vor fi neglijate.

Pentru ca laserul să poată oscila este necesar ca puterea cedată de către sistemul activ să depășească pierderile de putere. La determinarea condiției de prag de oscilație corespunzătoare acestor puteri se consideră o rază luminoasă de intensitate I0, care se propagă din dreptul unei oglinzi înspre oglinda opusă. În dreptul celei de a doua oglinzi intensitatea razei este:

I = I0 exp [( – p -)d] (2.12)

unde: p este valoarea de prag a constantei de atenuare a mediului; p — constanta de atenuare datorită pierderilor de volum. După reflexie intensitatea este:

I’ = I0 exp [( – p -)d] (2.13)

În cazul pragului de oscilație intensitatea inițială a razei trebuie să fie egală cu intensitatea acesteia după reflexia pe oglinda a doua. Din această condiție se obține, după simplificare prin I0, că:

exp [( – p -)d]=1, (2.14)

de unde:

– p – = ln / d (2.15)

Puterea de pompaj la limita de oscilație are valoarea:

Pp = A21ฑ2 hV (2.16)

unde V este volumul interferometrului. Ea depinde natural de probabilitatea tranzițiilor spontane A21 între nivelurile 2 și 1, de concentrația ฑ2 a particulelor aflate pe nivelul stării excitate 2, de valoarea cuantei de radiație h și de volumul mediului activ pompat.

Din relațiile (2.10) și (2.16), la sistemele cu patru niveluri energetice pentru care se poate considera ฑ1 = 0, rezultă că puterea de pompaj necesară laserului să oscileze trebuie să satisfacă inegalitatea:

P′p 8Π V h n²³ Λ / 0² [ – ln /d + ] (2.17)

unde: Λ este semi-lărgimea liniei spectrale; — eficiența cuantică definită de raportul între numărul fotonilor emiși și numărul fotonilor absorbiți.

Dacă atomii de pe nivelul 2 pot să treacă pe nivelul 1 prin tranziții neradiative, atunci puterea de pompaj de prag trebuie să aibă o valoare mai mare decât cea dată de relația (2.17).

2.9 METODE DE INVERSIUNE APLICATE LASERILOR

Metodele de inversiune ale populațiilor sunt determinate de structura nivelurilor energetice ale sistemului activ utilizat.

2.9.1 CAZUL LASERILOR SEMICONDUCTORI

Metoda cea mai folosită pentru inversia populațiilor la semiconductoare este injecția de purtători minoritari. De aceea acești laseri se mai numesc și laseri cu injecție.

Principiul metodei poate fi urmărit în fig. 2.3, unde sunt reprezentate nivelurile energetice ale joncțiunii p-n utilizată în calitate de laser. Se observă că regiunile p-n au fost puternic dopate astfel încât semiconductoarele au devenit „degenerate" în care diodei i se aplică o polarizare directă , în regiunile p-n sunt injectați purtători minoritari.

Joncțiune

Stǎri ocupate de electroni

Fig. 2.3. Nivelurile energetice ale joncțiunii p—n utilizate la funcționarea laserului: a – pentru polarizare nulă; b – pentru polarizare apropiată de valoarea V = Eg/e.

Agitația termică determină ca un număr mic de purtători minoritari să

traverseze joncțiunea și în sens invers. Dacă tensiunea aplicată de-a lungul diodei se apropie de valoarea corespunzătoare diferenței de energie între cvasinivelurile Fermi, atunci în situația prezentată în fig.2.3, electronii traversează direct regiunea de trecere înspre semiconductorul de tip p.

În alte cazuri de degenerare poate să apară trecerea golurilor în regiunea n. Când curentul prin diodă este suficient de mare, atunci în vecinătatea regiunii de trecere ia naștere o regiune cu populație inversă, adică o temperatură negativă. Pentru ca să se obțină oscilații este necesar ca numărul cuantelor emise să fie mai mare decât numărul cuantelor absorbite, ceea ce depinde de electronii din banda de valență care trec pe nivelurile libere din banda de conducție, adică este proporțional cu

пabs = a pi (1 – ps ) (2.18)

unde: ps reprezintă probabilitatea ca un electron să ocupe nivelul energetic Es din banda de conducție: pi — probabilitatea de ocupare a nivelului Ei din banda de valență.

Pentru ca o cuantǎ să fie emisă este necesar ca un electron din banda de conducție să se recombine cu un gol din banda de valență, ceea ce înseamnă că numărul cuantelor emise, пemis , este proporțional cu:

пemis = b ps (1 – pi ) (2.19)

Mai exact, numărul cuantelor absorbite și emise sunt date de relațiile:

пabs = AWvc pi (1 – ps )() (2.20)

пemis = AWcv ps (1 – pi )() (2.21)

în care: пabs,пemis reprezintă numărul cuantelor de energie h, absorbite, respectiv emise, în unitatea de timp; Wvc = Wcv — probabilitatea de apariție a unei tranziții în unitatea de timp, între un nivel energetic din banda de valență și un nivel energetic din banda de conducție (nivelurile fiind separate prin energia h), egală cu probabilitatea în sens invers; p() — densitatea fotonilor de energie h; A – o constantă.

Considerând expresiile probabilităților ps și pi :

pentru banda superioară:

ps = 1/ 1 + exp [Es – Fs / kT] (2.22)

(Es fiind un nivel din banda de conducție, iar Fs — energia cvasinivelului Fermi pentru electronii din banda superioară de conducție);

pentru banda inferioară:

pi = 1/ 1 + exp [Ei – Fi / kT] (2.23)

Din (2.22), (2.23) și (2.20), (2.21) rezultă că, pentru ca numărul cuantelor emise să fie mai mare decât numărul cuantelor absorbite, este necesar ca:

Fs – Fi h (2.24)

unde: h = Es — Ei reprezintă energia fotonilor emiși.

În practică, inversia de populație în semiconductori s-a obținut cu ajutorul a patru metode. în materialele omogene, excitația (pompajul) se produce, în general, prin bombardament cu fascicul de electroni, prin pompaj optic cu ajutorul unei radiații monocromatice intense sau prin excitație cu un câmp electric puternic aplicat cristalului, câmp care generează un efect de avalanșă.

Cel de-al patrulea și cel mai practic mod de excitație constă în aplicarea unei tensiuni electrice directe unei joncțiuni p-n semiconductoare. Această metodă presupune deci injectarea purtătorilor, electroni și goluri în joncțiune, prin trecerea unui curent prin diodă.

Avantajul diodelor laser semiconductoare, numite și „diode laser cu injecție" constă în: dimensiunea lor redusă, posibilitatea de conversie directă a energiei electrice în energie optică și ușurința de a modula fasciculul de radiație emis, prin simpla modificare a curentului prin diodă.

Din nefericire este încă dificil de fabricat joncțiuni p-n din materiale semiconductoare cu bandă directă, în care lățimea benzii interzise să corespundă cu frecvențe de emisie în domeniul spectral ultraviolet și vizibil. Astfel de laseri semiconductori, emițând în acest domeniu de frecvențe, s-au realizat folosind numai excitația cu fascicul de electroni sau pompajul optic.

2.10 ZGOMOTUL LASERILOR

Așa cum s-a arătat în domeniul radiațiilor optice, zgomotul termic generat de mediul activ este neglijabil în comparație cu zgomotul tranzițiilor spontane.

Condiția : h > kT este ușor îndeplinită, ceea ce înseamnă că puterea de zgomot determinată de tranzițiile spontane în banda de frecvență d este dată de h • d și că este valabilă relația:

Pzg = h/ k ln2 (2.25)

Temperatura de zgomot dată de această relație are o valoare foarte mare. Din cauza zgomotului foarte puternic, laserii lucrează aproape numai în regim de generare.

2.11 PROPRIETĂȚILE RADIAȚIEI LASER

Într-o sursă obișnuită atomii excitați emit radiații electromagnetice complet întâmplător și independent unul de altul. între semnalele luminoase ale atomilor nu exista deci vreo diferență de fază constantă în timp; ele se întăresc și se slăbesc reciproc în mod haotic, conducând la o intensitate medie și, de aceea se spune că lumina emisă de sursele obișnuite nu este coerentă. Într-o cavitate laser, deși emițătorii de lumină sunt tot atomi individuali, ei emit, în fazǎ cu radiația stimulatoare. Lumina astfel emisă este coerentă. Fără a intra în detalii, datorită coerenței, undele laser nu vor mai interfera haotic, ci numai prin adunare, ceea ce face ca intensitatea fasciculului laser să devină foarte mare. La creșterea intensității contribuie si faptul că marea cantitate de fotoni (deci de energie) este emisă într-un timp extrem de scurt prin de-excitarea stimulată a unui număr imens de atomi excitați. Valoarea intensității emise depinde desigur de tipul de laser folosit. Până în prezent, intensitățile cele mai mari au fost obținute cu laserii cu solid. Dacă, de exemplu, lumina emisă, la vârful impulsului, de către un laser obișnuit, de 100 kW, este concentrată, cu ajutorul unui sistem optic, pe o suprafață de aproximativ 0,008 mm2, se obține o iluminare a acestei suprafețe de aproximativ 5∙104 ori mai mare decât iluminarea obținută de la Soare cu același sistem optic, iar intensitatea luminoasă este cam de 20 de ori mai mare decât intensitatea emisă de o arie egală din suprafața Soarelui. Dispozitivele laser speciale, care produc așa numitele pulsuri gigantice, pot da intensități de 1000 000 de ori mai mari decât laserii obișnuiți. Intensitatea focalizată pe o suprafață pe care lumina solară ar produce 10 W/cm2, este, în cazul acestor laseri, de peste 10 000 000 000 W/cm2.

O altă calitate a fasciculului laser este monocromaticitatea sa, rezultată printre altele, din faptul că tranzițiile atomilor de pe nivelul suprapopulat sunt practic, simultane. Fasciculul cel mai apropiat de monocromatismul ideal îl dau laserii cu gaz. Urmează cei cu solid (rubin, sau sticlă cu neodiu, de exemplu), apoi cei cu semiconductori.

În sfârșit, o proprietate foarte importantă a radiației laser este direcționalitea sa extrem de pronunțată. în timp ce lumina unei surse obișnuite poate fi transformată într-un fascicul paralel numai cu ajutorul unor sisteme optice colimatoare, lumina laser este emisă de la început sub forma unui fascicul paralel. Paralelismul fasciculului emergent este un rezultat al acțiunii oglinzilor rezonatorului, datorită cărora multiplele reflexii din cavitate pot avea loc, practic, numai după direcția axei sale. În timp ce un reflector obișnuit de lumina, orientat de pe Pământ spre Iună, ar lumina pe suprafața acesteia o arie de aproximativ 27 000 km în diametru, un fascicul laser lumineazǎ
o porțiune cu un diametru mai mic de 3 km. Aceasta a permis, de exemplu
determinarea cu foarte mare precizie a distanței de la Pămînt pîna la Iună,
După domeniul spectral în care funcționează, dispozitivele de generare și
amplificare a radiației prin emisie stimulată poartă, uneori, denumiri diferite.
Astfel, dacă în domeniul vizibil, ei se numesc laseri, în domeniul microundelor
ei poartă numele de maseri, iar în infraroșu — iraseri (microundă — microwave, infraroșu = infrared).

2.12 TIPURI ȘI STRUCTURI DE DIODE LASER

În principiu, o diodă laser constă dintr-o joncțiune p-n cu o rezistența serie cât mai mică. Pentru obținerea unui randament bun, au fost realizate structuri de diode laser mai complicate, unele descrise în acest paragraf:

2.12.1 Dioda laser cu homojoncțiune

Termenul de laser cu homojoncțiune se referă la o structură cristalină omogenă, în care se utilizează un singur material semiconductor. Aceste dispozitive constau dintr-o structură gen sandwich (1 p) – (2 p) – ( 3 n) în care regiunea activă, de recombinare, de tip „p" (2) este slab dopată cu impurități acceptoare (Zn). Regiunea (1) superioară regiunii (2) este de tip „p" și are o concentrație de goluri de circa (13) X 1019 cm-3.

Concentrația de electroni în substratul GaAs tip „n" (3) este de circa (24) x1018cm-3. Din cauza variației concentrației de impurități, indicele de refracție pentru fotonii emiși cu energia corespunzătoare pragului laser este mai ridicat în centrul regiunii active (2), decât indicele de refracție din regiunile înconjurătoare.

Figura (2.4) reprezintă schematic variația indicelui de refracție n și a benzii interzise W într-un plan perpendicular pe planul joncțiunii. Discontinuitățile în variația lui Wi și a lui n sunt abrupte (ca în figurǎ),în cazul laserilor cu homojoncțiune realizați prin creștere epitaxială, dar pot fi și gradate, ca în situația realizării prin difuzie a acestor diode laser.

2.12.2 Dioda laser cu monoheterojoncțiune (SH-CC)

Diodele laser cu monoheterojonctiune cu configurație închisă SH-CC („Single Heterojonction Close Confinement") nu mai au o structură cristalină omogenă, ci heterogenǎ datorită apariției în structura lor a unui strat subțire din (AlGa)As, crescut epitaxial pe un substrat de GaAs. Principala caracteristică a laserului cu monoheterojoncțiune este faptul că lățimea benzii interzise în regiunea tip p(1) a cristalului semiconductor (AlGa)As este mai ridicată decât cea a regiunii active tip p(2) confecționată din GaAs. Din cauza că Wi1 > Wi2, regiunea 1 are un indice de refracție cu mult mai mic decât regiunea activa 2, aceasta producând un efect de ghid de undă optică mai pronunțat decât în cazul laserului cu homojoncțiune. Efectul respectiv reduce mult pierderile interne de fotoni, împiedicând scurgerea radiației în regiunea p+ puternic absorbantă, lipsită de inversiune de populație (fig. 2.4 b). Un alt avantaj al structurii la care ne referim este îmbunătățirea configurației distribuției de purtători. Electronii injectați în regiunea activă îngustă (2) a joncțiunii sunt împiedicați să difuzeze în restul semiconductorului prin bariera de potențial de la interfața p-p+. În acest fel se vor recombina numai în regiunea (2) de tip „p", dând efect de emisie laser. Rezultă un curent de prag mai redus Ip și un randament cuantic mai ridicat față de laserii cu homojoncțiune.

2.12.3 Dioda laser cu dublă heterojoncțiune

În timp ce un laser SH-CC are o discontinuitate pronunțată a indicelui de refracție la interfața dintre regiunile p+-p, discontinuitatea la interfața p—n este relativ redusa. Din acest motiv o fracțiune importantă a fluxului de radiație intră în regiunea tip „n" (3) a joncțiunii, producând pierderi interne prin absorbție în această regiune.

Câstigul diodei laser depinde de valoarea gradului de pierderi și deci de asimetria indicelui de refracție. Din această cauză, în laserii cu dublă heterojoncțiune se adaugă o a doua heterostructură (AlGa)As-GaAs la interfața dintre regiunile tip „p" (2) si tip „n" (3) provocând o discontinuitate pronunțată a indicelui de refracție n și reducând scurgerile de fotoni în regiunea tip „n" (3), (fig. 2.4). Faptul permite o reducere constructivă a lățimii (3) regiunii active (2) care determină o denote, de curent de prag mai redusă, față de valoarea acesteia pentru laserii SH-CC.

În fig 2.5 se schițează structura joncțiunii p+-p-n a unui laser cu
dublă interjoncțiune si principiul de funcționare al acestei diode. Se observǎ
modul în care purtătorii, electronii și golurile sunt constrânși sa se recombine
numai în regiunea activǎ (2) datorita discontinuitǎților energetice și a fasciculului de radiație generat la o grosime a regiunii active d = 0,1-0.3 mm permite obținerea unor densități de curent de prag de 1 000 A/cm².

2.12.4 Dioda laser cu dublă heterojoncțiune cu cavitate optică largă (LOC)

Dioda laser cu dublă heterojoncțiune LOC („Large Optical Activity”) îmbinǎ avantajele diodei cu dublă heterojoncțiune cu posibilitatea de ghidare a fascicului optic într-o regiune care depășește cu mult marginile regiunii active a jonctiunii permitând obținerea unei densități de flux de radiație redusa mult fată de laserii DH. Aceasta arată că dioda laser LOC lucrează cu randament ridicat, ca și diodele laser DH. dar pot da puteri de ieșire în fascicul cu mult mai mari decât ele. O secțiune prin o astfel de dioda LOC ește aratată în figura 2.6 a și constă în principal din doua regiuni din (AlGa)As intercalate cu alte două regiuni mai slab dopate, din GaAs. Regiunea activa (2) de tip „p" a diodei laser primește electronii injectați din regiunea (3) de tip „n" doptată moderat și generează radiația laser în urma recombinărilor. Grosimea d2 a regiunii active este extrem de redusă (d 1 m), ca și la laserii DH, permitând emisie laser la o densitate de curent de prag foarte redusă.

Fascicul optic generat în regiunea (2) trece și în regiunea (3) de tip „n",
al cărei coeficient de absorbție este mic față de al regiunii adiacente (4), formându-se astfel un ghid de undă.

2.13 Aprecieri teoretice ale laserului cu semiconductori

Laserul cu semiconductori este constituit ca si celelalte tipuri de laser tot pe sablonul mediu activ, sistem de excitare, rezonator optic. In acest caz un amestec semiconductor este folosit ca mediu activ. Cel mai adesea se folosesc combinatii de metale din aceleasi perioade ale grupelor IIIa si Va. Dintre acestea semiconductorul cel mai folosit este cel format din Galiu si Arsenic (GaAs). Alte medii active au fost obtinute atat din amestecuri ale elementelor grupelor IIa si Via (Zinc si Seleniu – ZnSe) cat si din amestecuri de trei sau patru elemente. Ultimele doua sunt mai ades folosite pentru emisia unor radiatii mult mai precise din punct de vedere al lungimii de unda. Sistemul de excitare este constituit din doua straturi de semiconductori, unul de tip p si unul de tip n. Pentru a intelege mai bine aceste doua notiuni trebuie amintite cateva considerente teoretice cu privire la fizica solidului, in special principiul semiconductorilor.

Semiconductorii sunt o clasa de materiale larg folosita in electronica datorita posibilitatii controlului proprietatilor electrice. Rezistivitatea electrica a unui semiconductor scade odata cu cresterea temperaturii iar valoarea ei poate fi modificata in limite foarte largi (10-2 – 108 cm). Intr-un semiconductor foarte pur, conductibilitatea electrica este data de electronii proprii, numita si conductibilitate intrinseca, iar in cazul materialelor impurificate avem de-a face cu o conductibilitate extrinseca. Conductibilitatea intrinseca poate fi explicata pe scurt astfel. La 0K, electronii sunt asezati in legaturile covalente formate intre atomii semiconductorului intrinsec. Odata cu cresterea temperaturii unii electroni se rup din legaturi fiind liberi sa circule in tot volumul cristalului. Se produce un fenomen de ionizare, iar in locul electronului plecat ramane un gol. Imediat el se ocupa cu un alt electron alaturat, golul se deplaseaza o pozitie. Daca aplicam un camp electric in semiconductor, electronii liberi se vor misca in sens invers campului, dar si golurile vor forma un curent pozitiv de acelasi sens cu campul. Cel mai interesant fenomen il reprezinta modificarea spectaculoasa a rezistivitatii electrice a semiconductorilor prin impurificare. Astfel, daca din 105 atomi de Siliciu unul este inlocuit cu un atom de Bor, rezistivitatea siliciului scade, la temperatura camerei, de 1000 de ori !!! Impurificare reprezinta o problema specifica si fundamentala a fizicii si tehnologiei semiconductorilor. Daca impurificam Germaniul (grupa IVa, patru electroni de valenta) cu un element din grupa a 5-a (cinci electroni de valenta) vom obtine un amestec cu un electron de valenta liber. Aceasta impuritate constituie un donor. Semiconductorul astfel impurificat este de tip n, iar nivelul sau de energie este mai aproape de zona de conductie. Daca impurificarea este facuta cu atomi din grupa a 3-a (trei electroni de valenta), acesta se va integra in reteaua cristalina cu doar trei legaturi covalente, ramanand, deci, un gol capabil de a captura electroni in jurul atomului trivalent. Din aceasta cauza atomii acestui tip de impuritati au primit numele de acceptori. Intr-un semiconductor astfel impurificat vor predomina sarcinile pozitive, de unde numele de semiconductor de tip p. Jonctiunile p – n sunt ansambluri formate prin alipirea unui semiconductor de tip p cu unul de tip n . Zona de separare, interfata, are marimi de ordinul 10-4 cm. La suprafata semiconductorului n apare un surplus de electroni iar la suprafata semiconductorului p un surplus de goluri. Astfel apare tendinta de compensare a acestora prin difuzia electronilor de la un semiconductor la celalalt.

2.14 Construire și consideratii practice ale laserului cu semiconductori

Revenind la laserul cu semiconductori, avand stabilita o baza teoretica minimala putem trece la detalierea practica a principiilor enuntate anterior.

Fig 2.7 Laserul cu semiconductori – construire

Laserul cu conductori este, de fapt, un sandwich format din 3 straturi de semiconductori la care se adauga elementele sistemului de excitare. La acest tip de laser energia necesara excitarii sistemului de atomi din mediul activ cat si factorul declansator sunt date de curentul electric care se aplica, conform figurii. Datorita faptului ca acest sandwich corespunde modelului clasic de dioda, de aici incolo se va folosi si termenul de dioda.

Randamentul unei astfel de diode este in jurul a 30% dar amplificarea este destul de mare. Curentul necesar trebuie sa aiba o densitate de cateva mii de amperi pe centimetru dar avand in vedere ca o dioda laser are marimi foarte mici, curentul necesar este adesea sub 100mA. Pentru a obtine rezultate satisfacatoare, in practica se folosesc mai multe straturi decat se prezinta in figura. Cat priveste stratul activ, lungimea lui nu depaseste 1 mm, iar grosimea sa este, in functie de model, de la 200 pana la 10 nm. In general grosimea stratului activ variaza intre 200 si 100 nm. Datorita faptului ca este atat de subtire, fascicului emis este foarte divergent (pentru un laser) si astfel laserul cu semiconductori se bazeaza foarte mult pe rezonatorul optic ce trebuie ales cu mare grija si trebuie pozitionat foarte precis pentru a obtine performante maximale. De obicei un sistem format din doua lentile plan-convexe pozitionate cu fetele convexe una spre cealalta la anumite distante calculabile este suficient pentru a obtine un fascicul destul de bine colimat cu razele aproape perfect paralele.

Din fig 2.7 se poate observa ca emisia laser se face in doua directii. Acest fenomen este tratat in mod diferit in functie de necesitati. Se poate crea o cavitate rezonanta prin pozitionarea unei oglinzi perfecte si a uneia semitransparente, se poate folosi emisia “din spate” pentru a masura proprietatile fasciculului principal, se poate folosi aceeasi emisie din spate pentru a masura si controla curentul ce trece prin dioda. Diodele laser sunt foarte sensibile la curenti

Fig 2.8 Dioda laser

si de aceea controlul strict asupra acestora este absolut necesar. Uneori este necesara doar o variatie mica a tensiunii sau a puterii si dioda se va arde. Mai jos este un prezentat un montaj clasic de dioda cu posibilitate de control a curentului:

Diodele laser sunt poate, cele mai fragile dispozitive de emisie laser. Faptul ca stratul activ are, de fapt, marimea unei bacterii este cel ce sta la baza afirmatiei anterioare. Acest strat poate fi usor distrus prin supunerea la curenti neadecvati, prin influente electrostatice, prin incalzire excesiva. Stratul activ se poate autodistruge chiar si fara prezenta vre-unuia din factorii enumerati mai sus. Simpla emisie a luminii poate vaporiza acest strat minuscul daca lumina emisa este prea puternica.

O dioda, desi minuscula, poate dezvolta puteri ale luminii de pana la 3-5 mW. Desi sunt mai rare si mult mai scumpe, diodele ce dezvolta zeci de mii de mW exista si se gasesc in inscriptoarele de CD si in alte instrumente si aparate de profil. In ceea ce priveste divergenta fasciculului, in prezent, majoritatea pointerelor reusesc performanta de a pastra divergenta la sub un mm la fiecare 5 metri. Spectrul de culori acoperit de laserii cu semiconductori este in zona rosie 630-780 nm dar nu este limitat numai aici.

Laseri verzi sau chiar albastri exista si sunt intens cercetati. Problema este ca diodele de verde si albastru au o viata efemera (cele mai performante ating doar cateva sute de ore) si functioneaza la temperaturi scazute (apropiate de 0K). Fata de clasicul GaAs (care emite in rosu-IR), pentru laserii albastri se prefera ZnSe si GaN. Primul a fost exclus treptat din cercetari datorita rezistivitatii mari, consumului mare de energie, randamentului mic si a multor altor factori descoperiti experimental. Ultimele cercetari s-au concentrat pe GaN, iar de cand prof. Shuji Nakamura a realizat primul montaj practic si fiabil pentru generarea laserului albastru, cercetarile au luat amploare. Un fapt inedit, la data realizarii diodei pentru laserul albastru, in 1993, Shuji Nakamura nu avea nici macar un doctorat in buzunar, era doar un simplu cercetator pierdut intr-un laborator al unei firme japoneze obscure. Recent, prof. Nakamura s-a alaturat colectivului profesoral de la Colegiul de Inginerie al Universitatii Californiene din Santa Barbara, SUA.

Revenind la laserii uzuali, trebuie mentionate si o serie de pericole ce pot apare chiar si pe langa laserii cu semiconductori care sunt cunoscuti a fi mai putin puternici. S-a calculat ca o dioda obisnuita are o putere mult mai mare chiar si decat a soarelui la ecuator. Toate amestecurile din stratul activ au o putere de emisie mult mai mare decat a aceleiasi cantitati de suprafata solara. Diodele prezente pe piata fac parte din clasele II si IIIa, ceea ce inseamna ca prezinta risc scazut de vatamare la operarea conforma cu manualul si la expunerea fugara, efemera a ochiului in raza laser. Totusi, trebuie avut in vedere ca orice expunere indelungata produce vatamari punctiforme ale retinei si nu este nevoie de efecte imediate pentru ca retina sa fie vatamata. Regula numarul unu in lucrul cu laserii, nu se priveste direct in raza laser chiar daca nu se simte nici o durere sau chiar daca raza este palida. CULOAREA SI STRALUCIREA RAZELOR LASER NU AU NICI O LEGATURA CU PUTEREA RADIATIEI. Aceste doua proprietati sunt date de lungimea de unda a radiatiei care nu influenteaza in mod decisiv puterea laserului. Pot exista laseri cu o culoare roz palida care sa fie mai nocivi decat cei mai aprinsi si rosiatici laseri. Intre “laseristi” exista o gluma: “Regula numarul unu in lucrul cu laserii: Nu te uita niciodata direct in raza laser cu unicul ochi ramas intreg !”.

=== capitolul 3 ===

Capitolul 3

UTILIZÃRI ALE LASERILOR CU SEMICONDUCTORI

Utilizările pașnice ale laserelor depășesc numeric aplicațiile lor militare. Datorită faptului că o cantitate mare de energie poate fi concentrată într-un fascicul subțire, lumina laser poate fi folosită la tăierea și sudarea metalelor. Se practică operații spectaculoase în care fascicule extrem de fine de lumină laser sunt tot mai mult folosite pentru tăierea țesuturilor umane. Instrumente de tăiat obișnuite necesită sterilizare și se tocesc repede. Aceste inconveniente sunt eliminate prin folosirea unui fascicul laser, care în plus mai are avantajul că reduce hemoragia, deoarece căldura sa tinde să închidă țesuturile tăiate. Alte utilizări medicale ale luminii laser sunt prevenirea hemoragiei în ulcerele gastrice șu sudarea retinei desprinse la fundul ochiului.

Asemenea undelor radio generate la posturile de emisie, undele de lumină emise de laser pot „transmite” semnale de radio, de televiziune și altele. Fasciculele laser care transmit semnale sunt conduse prin cablaje din fibre optice. Numele de laser rezumă felul în care funcționează acesta, laser fiind prescurtarea pentru Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (Amplificarea Luminii prin Emisie Stimulată a Radiației).

Laserele cu semiconductori sunt alimentate de la o sursă de curent continuu de putere mică. De obicei în aceeași capsulă este inclusă și o fotodiodă care, prin reacție negativă, este folosită la stabilizarea puterii. Lungimile de undă sunt de la 635nm (roșu către portocaliu) la 670nm (roșu intens) și ajung chiar în IR (780n, 800nm, 900nm, 1550nm), pana la câțiva um. Lasere UV, violet și albastru există, dar sunt foarte scumpe. Lasere verzi semiconductoare au fost construite în laboratoare dar funcționeaza doar la temperaturi atinse cu ajutorul azotului lichid și au durată de viață foarte redusă (~100h). Calitatea razei este bună, depinzând de concepție. Raza este eliptică și astigmatică, având nevoie de instrumente optice auxiliare pentru a o focaliza. Puterea de ieșire este de la 0.1mW până la 100W. Puteri mai mari se pot realiza cu o matrice de lasere, iar acestea pot depăși 10.000W. Sunt folosite în CD playere, LaserDisc, MiniDisc, alte sisteme de stocare optică, imprimante cu laser, fax-uri, instrumente de masură, transmisii de date prin fibra optică, scannere de coduri de bare, surse de amorsare pentru alte lasere și în lightshow-uri de putere mică.

Fig 3.1a Diferite tipuri de lasere semiconductoare

Fig 3.1 b – Cap de laser

Fig.3.2 Cap laser de la un CD player SONY

3.1 aplicații ale laserilor cu semiconductori:

3.1.1 Structuri optice integrate

Structurile optice integrate, pe straturi subțiri semiconductoare, constituie celula de bază a oricărui circuit optic integrat. O astfel de structură poate fi formată dintr-un element optic activ, respectiv un laser semiconductor și un element optic pasiv, respectiv o fibră optică plană.

Pe măsura dezvoltării cercetărilor în domeniul opticii integrate s-a trecut de la realizarea de elemente optice separate la structuri optice integrate. Următorul pas îl va constitui circuitul optic integrat, cu structură complexă. Structura optică de bază este cuplajul diodă laser-fibră optică plană. Posibilitatea de cuplare directă a unei diode laser cu o fibră optică, ambele crescute în structuri de straturi subțiri semiconductoare pe un substrat semiconductor comun a fost demonstrată de numeroși cercetători [4.43], [4.44], [4.45]. Astfel, s-a obținut o structură de „ghid cuplat", în care radiația laser emisă de o diodă laser plană GaAs-GaAlAs, este transmisǎ direct într-o fibrǎ opticǎ planǎ ( ghid de undǎ optic), din AlGaAs, situatǎ sub regiunea activǎ a diodei laser.

Prin realizarea unor structuri optice integrate cu dioda laser cu dublă heterojoncțiune și geometrie de bandă se estimează o creștere a performanțelor acestor structuri, o creștere a factorului de calitate a cavității optice rezonante și eliminarea atenuării datorate modurilor circulare interne ca și reducerea curentului de prag prin reducerea grosimii regiunii active.

Îmbunătățirea performanțelor diodelor laser cu reacție distribuită (DFB) va permite de asemenea obținerea unor structuri optice integrate complexe și în final a unor circuite optice integrate cu durate mari de funcționare.

3.1.2 Comunicații cu diode laser

Comunicațiile optice sunt cel mai important domeniu de aplicație al diodelor laser. Folosind diodele laser semiconductoare se pot proiecta sisteme de comunicații optice superioare din multe puncte de vedere celor existente (pe fir sau radio).

De altfel, și în multe alte aplicații, utilizarea acestor diode permite obținerea unor echipamente compacte, eficiente și sigure în exploatare, față de altele care folosesc alte surse de radiație electromagnetică și chiar față de cele înzestrate cu alte tipuri de laseri, cu mediu activ ,gazos sau solid.

Diodele laser Ga As, GaAlAs, sunt indicate în special în telecomunicațiile prin atmosferă, spațiul cosmic sau prin fibre optice.

Față de sistemele clasice de comunicație, pe fir sau radio, un astfel de sistem are următoarele avantaje:

nu prezintă pericolul diafoniei, al interferențelor radio sau dificultăți de instalare a cablurilor telefonice;

nu necesită alocarea unor frecvențe radio sau instalarea unor cabluri telefonice;

direcționalitatea fasciculului laser ușurează alinierea și scurtează timpul de luare a legăturii;

fasciculul laser nu poate fi bruiat, interceptat sau goniometrat fără să se intervină pe traseul acestuia;

5)sistemul de emisie-recepție cu diode laser are dimensiuni reduse,
este ușor de transportat și instalat iar consumul de energie electrică este redus;

6)puterea optică în impuls fiind mare, de ordinul zecilor de wați,
distanța maximă de luare a unei legături sigure este și ea relativ mare,
de ordinul kilometrilor, în ciuda atenuării atmosferice datorată cetii,
ploii, fumului sau zăpezii. Practic, o siguranță de luare a legăturii de
99,9% poate fi obținută la o distanță de 5 km, în diverse condiții meteo.

Această distanță se poate desigur mări în cazul când folosim fibrele optice ca mediu de transmisie și utilizăm repet ori optici pe traseu.

Sistemele de comunicații optice cu diode laser Ga As dau rezultate bune în comunicațiile prin atmosferă, în următoarele cazuri:

în locurile unde folosirea undelor radio este dificilă sau în regiunile unde comunicațiile radio sunt împiedicate de interferențe cum ar fi un oraș mare, o zonă industrială etc.

acolo unde este neeconomic să se instaleze cabluri ca de exemplu peste un râu, o cale ferată, într-un port etc.;

când sunt necesare un număr mare de legături într-o zonă de

suprafață mică.

De aici rezultă un domeniu vast de aplicare al acestor sisteme de comunicații în economie, industrie, agricultură, în domeniul militar

3.1.3 Telemetria cu laseri cu semiconductori

Măsurarea distanțelor, a vitezelor liniare și unghiulare, a deplasărilor și deformărilor mecanice, oferă un câmp vast de aplicare laserilor cu semiconductori, ca și altor tipuri de laseri.

Dintre aceste aplicații, domeniul principal de aplicație în care laserii și-au impus superioritatea față de alte surse de radiație electromagnetică,. ca sursele clasice de lumină, microundele, ultrasunetele, este determinarea cu precizie a distanțelor.

Principalele metode de măsurare a distanțelor sunt: tehnicile interferometrice, telemetria cu fascicul de radiație și radarul optic în impulsuri.

În tehnica radarului optic, diodele laser GaAs s-au impus încă de la apariția lor, datorită posibilității de emisie a unor impulsuri de lumină cu putere mare și durată foarte mică, cât și datorită dimensiunilor lor reduse, greutății mici și a randamentului ridicat etc. în celelalte două tehnici de măsurare, diodele laser au încă posibilități insuficient valorificate față de laserii cu gaze sau laserii cu corp solid care lucrează în regim continuu, din cauza lărgimii de bandă în general mare și a unui grad de coerență redus.

Noile tipuri de diode laser semiconductoare, diodele laser cu dublă heterojonctiune cu geometrie de bandă și diodele laser acordabile din halogenuri de plumb elimină aceste dezavantaje; pot lucra în regim continuu cu un grad ridicat de coerență, fiind surse de radiație laser comparabile din acest punct de vedere cu laserii cu gaze. în plus, au dimensiuni reduse, posibilități de modulație directă în curent și randament ridicat. Ele deschid noi căi de aplicare a laserilor semiconductori în metrologie ca și în multe alte domenii.

Cele trei metode de determinare a distanțelor cu ajutorul laserilor au domenii de măsurare relativ diferite. Tehnicile interferometrice bazate pe proprietatea de coerență a radiației laser nu pot fi folosite, în măsurătorile de distanță în aer liber, la distanțe mai mari de 60 de metri, din cauza neomogenității indicelui de refracție atmosferică, a fenomenelor atmosferice de absorbție, difuzie și turbulență. Celelalte două tehnici de măsură au domenii de aplicare aproape egale, tehnica radarului optic fiind net superioară și utilă în măsurători de distanță mari, de ordinul sutelor de kilometri, în spațiul cosmic de ordinul miilor și sutelor de mii de kilometri. Sunt cunoscute de exemplu: măsurarea distanței Pământ-Lună cu ajutorul telemetrului cu laser etc.

În toate aceste aplicații trebuie îndeplinite două condiții principale: în primul rând radiația emisă de laser trebuie să fie suficient de intensă pentru ca semnalul reflectat să fie suficient de puternic pentru a putea fi detectat și în al doilea rând trebuie să existe un mijloc adecvat de comparație între radiația incidență și cea reflectată din care să se poată determina distanța dintre sursa de radiație laser și obiectul vizat.

3.1.3.1 Mǎsurarea distantelor cu laseri convenționali

Mǎsurarile de distante cu laser se bazeaza pe una din urmatoarele tehnici: interferometrie, telemetrie cu fascicule modulate, radarul optic.

Toate aceste metode pot fi utilizate si cu lumina provenita de la sursele conventionale dar cu rezultate incompatilbil mai modeste. Deoarece coerenta temporala este mult mai mare in cazul laserului decat in cazul luminii clasice, tehnicile interferometrice pot fi utilizate acum pentru distante cu ordine de marime mai mari. Se pot masura cu precizie interferometrica distante de circa 50 m in aer si de 1000 m in spatiu vid. Telemetria cu fascicul modulat a fost utilizata in trecut, dar calitatile de stralucire si directionalitate ridicate caracteristice laserului au marit considerabil domeniul de masurare si precizia. In fine, tehnica radarului optic poate sa functoineze si cu ajutorul unei surse conventionale, dar ea nu a devenit practica decat datorita posibilitatii oferite de laser de a obtine pulsuri luminoase extrem de scurte. Cu un asemenea sistem s-a masurat distanta dintre doua puncte date de pe Pamant si Luna cu o precizie de 1,5m.

Întrucât toate aceste metode sunt bazate pe determinarea timpului de propagare a undei electromagnetice pe distanta de masurat, evaluarea distantei geometrice corecte se va face luand in considertare indicele de refractie a mediului in care are loc propagarea (cel mai adesea atmosfera).

3.1.3.1.1. Metoda Interferometricǎ

În tehnicile bazate pe interfrometrie distantele de masurat sunt compatibile cu lungimea de unda a luminii emise de sursa de referinta. Aparatul cel mai utilizat este interferometrul Michelson.

Fig. 3.3 Interferometrul Michelson

Fasciculul lumionos de la Laserul L este trecut prin sistemul de lentile l1, l2 in scopul de a-i reduce divergenta. Fasciculul este divizat cu ajutorul oglinzii semitransparente S. Cele doua fascicule obtinute vor fi reflectate de oglinzile O1 si respectiv O2, se vor suprapune din nou si vor da nastere unui fenomen de interferenta. Rezultatul interferentei intr-un anumit punct al fasciculului emergent este determinat de defazajul, introdus fie datorita parcurgerii bratelor de lungimi diferite, L1 si L2, fie datorita indicilor de refractie diferiti ai mediilor pe care le parcurg cele doua fascicule, n1 si n2. Defazajul va fi dat de relatia:

= 2d / 0 = 4 / 0 (L1nr1 – L2nr2) (3.1)

unde 0 este lungimea de unda in vid. In cazul cand indicii de refractie a mediilor celor doua brate ale interferometrului sunt egali, nr1 = nr2 = nr ,

= 4nr (L1 – L2) / 0 (3.2)

Consideram ca initial L1 = L2. O anumita lungime asezata dea lungul unuia dintre bratele interferometrului va fi masurata prin deplasarea corespunzatoare a oglinzii respective. In acest caz, defazajul care apare este o masura directa a raportului dintre lungimile de masurat l = L1 – L2 si lungimea de unda a radiatiei de referinta.

Sistemul de franje de interferenta este observat cu doua fotomultiplicatoare. Se realizeaza situatia in care fiecare dintre fotomultiplicatoare primeste lumina de la zone ale sistemului de franje in care faza difera de /2. Aceasta diferenta de faza este independenta de valoarea absoluta a lui . Introducand semnalele de la fotomultiplicatoare pe cele doua axe ale unui osciloscop, spotul acestuia va descrie un cerc intreg atunci cand oglinda mobila se deplaseaza cu 0 / nr , sensul de parcurgere depinzand de sensul deplasarii. Un circuit logic cuplat cu un numarator electronic reversibil analizeaza semnalele de la fotomultiplicatoare adaugand o unitate pentru o deplasare intr-un sens si scazand una pentru celelalt sens. In acest mod poate fi inregistrata corect deplasarea totala, deoarece micile varietati aleatorii datorate vibratiilor mecanice sau variatiilor de indice de refractie nu-si vor aduce aportul. Precizia de masurare prin aceasta metoda poate fi ridicata pana la o valoare de 0 / 8. S-a demonsrat ca se pot pune in evidenta deplasari de 0 / 100 daca se poate obtine un raport semnal / zgomot suficient de bun la detector.

Metoda interferometrica poate fi aplicata numai pentru distante inferioare lungimii de coerenta a radiatiei utilizate. Pentru sursele conventionale aceasta este de ordinul catorva zeci de centimetri in timp ce pentru laseri stabilizati a ajuns la valori de mii de kilometri.

Metoda interferometrica nu se practica pentru distante foarte mari domeniile ei esentiale fiind: metrologia, geodezia si seismologia, precum si la prelucrarile mecanice de inalta precizie.

Sensibilitatea metodei interferometrice poate fi cel putin cu un ordin de marime mai buna decat precizia de stabilitate a frecventei laserului (10-10) daca se utilizeaza metoda interpolarii franjelor.

3.1.3.1.2. “Radarul” cu LASER (LIDAR)

Metoda se bazeaza pe determinarea exacta a duratei de propagare a unui puls de lumina intre locul de emisie si tinta. A devenit de importanta practica dupa crearea laserilor de mare putere in impuls.

Energia emisa poate fi concentrata intr-un fascicul de deschidere foarte mica (de ordinul 10-4 rad) permitand telemetrarea chiar pe distante astronomice. Datorita frecventei ridicate a undelor electromagnetice din domeniul optic ( 4*1014 Hz) sistemul cu laser va fi caracterizat de o precizie superioara sistemului radar cu unde centimetrice. Utilizarea laserului in dispozitivele de telemetrie permite obtinerea unui raport semnal / zgomot ridicat, datorita benzii spectrale extrem de inguste.

Radarul cu laser este utilizat pentru traiectografia obiectelor mobile indepartate: rachete, sateliti, baloane.

Fig. 3.4 Metoda LIDAR

Laserii utilizati sunt cu rubin ( = 694,3 nm) sau cu sticla dopata cu neodim ( = 1060 nm). Sistemul afocal de iesire are rolul de a micsora divergenta fascicolului laser de la valoarea naturala la o valoare ’ legate prin relatia:

G2 = 2 / ’2 = S’ / S (3.3)

unde G este grosismentul sistemului iar S si S’ sunt suprafetele fasciculului inainte, respectiv dupa parcurgerea sistemului afocal.

Iluminarea obiectului tinta, aflat la distanta x de sursa, va fi data de:

E = 4TP / ’2×2 = 4TPG2 / 2×2 (3.4)

unde T este factorul de transmisie al atmosferei pe distanta x iar P este puterea la maxim a pulsului laser. Divergenta fasciculului trebuie sa fie cat mai mica dar in acelasi timp sa aiba o valoare suficienta pentru a tolera erorile inerente de vizare.

Marimea semnalului receptionat si marimea raportului semnal / zgomot depind esential de starea suprafetei tintei. Situatiile posibile se incadreaza intre doua posibilitati extreme: suprafata perfect difuzanta si suprafata acoperita de elemente reflectatoare.

Radiatia reflectata va fi recerptionata cu un telescop a carui suprafata utila de intrare trebuie sa fie suficient de mare pentru asigurarea unei sensibilitati ridicate.

Valorile limita ale distantei depind, in principal, de parametrii instalatiei si sunt functii lent variabile de puterea laser emisa.

Transmisia atmosferica joaca un rol important. Ea limiteaza serios raza de actiune, in special in cazul unei traiectorii orizontale cand absorbtia se produce pe toata distanta dintre aparatul de masura si tinta. In cazul cand obiectul vizat se misca in afara atmosferei absorbtia este importanta numai pe distanta de cativa km

În general trebuie sa se tina seama ca proprietatile fascicolului emis sunt variabile de la un puls la altul.

Determinarea cu precizie a distantei cu ajutorul radarului optic cere cunoasterea cat mai buna a indicelui de refractie a mediului de propagare.

Fotodetectorii conventionali si sistemele de masurare a timpului permit obtinerea unei rezolutii de ordinul nanosecundei, ceea ce corespunde unei precizii absolute asupra distantei de ordinul unui metru. Aceasta inseamna o precizie relativa de 10-3 pentru distante de un km.

Îmbunatatirea semnalului de ecou cere echiparea suprafetei tintelor cu sisteme reflectatoare constituite din piese de tip colt de cub. Un asemenea reflector se afla in prezent plasat si pe Luna .

3.1.3.1.2.1. Comparatie LIDAR – RADAR

LIDAR-ul foloseste radiatia LASER si un telescop cu scaner la fel cum RADAR-ul foloseste emisiile radio si antenele parabolice.

Norii densi precum si precipitatiile pot atenua razele LASER ale LIDAR-ului. Pe de alta parte insa, receptia RADAR-ului se poate constitui din elemente de precipitatie (de exemplu ploaia sau ninsoarea ce au o viteza de cadere, deci de miscare). Intr-un mediu (atmosfera in general) curat din punct de vedere optic, perceptiile RADAR-ului pot varia de la insecte si pasari la alte obiecte reflectatoare radio, precum si variatii de umiditate, temperatura si presiune. Divergenta razei LASER a LIDAR-ului este de 2-3 ori mai mica decat cea radio, sa zicem de la un RADAR cu lungime de unda de 5-10 cm. De exemplu diametrul unei raze LASER a unui LIDAR pentru un singur puls, la o distanta de 10 km este doar de 1 m !!! Aceasta caracteristica permite eliminarea ambiguitatilor in masurarea vitezelor fara suspectarea de anumite erori ce pot surveni la RADAR in conditii de refexie marginala sau grade ridicate de reflexie ale obiectelor reflectatoare.

3.1.4 Teleghidajul și urmărirea obiectelor cu ajutorul laserilor cu semiconductori

Unul din cele mai importante domenii de aplicație al laserilor cu semiconductori în tehnică este teleghidajul și urmărirea obiectelor. Aceste tehnici de ghidaj și urmărire pot fi folosite în spațiul cosmic, în urmărirea si dirijarea sateliților sau ale unor vehicule spațiale.

Tehnicile de ghidare constituie metodele prin care o rachetă este dirijată către un punct ce trebuie atins.

Metodele de teleghidare, care folosesc radarul, laserii sau radiațiile infraroșii sunt grupate în cinci categorii:

ghidare activă

ghidare semi-activă

ghidare pasivă

ghidare cu linie de transmisie de date

ghidare prin urmǎrirea fasciculului

Denumirea primelor trei metode indică poziția sursei de radiație utilizată pentru teleghidare. Într-un sistem activ, de exemplu, emițătorul este plasat în rachetă iar receptorul ghidează racheta după radiația reflectată de cǎtre țintă. Într-un sistem semi-activ, emițătorul este situat la mare distanță de rachetă, pe o aeronavă sau chiar pe sol. Acest lucru are avantajul că nu trebuie dotată fiecare rachetă cu un emițător complicat si scump, dar înseamnă și că sistemul nu poate lucra autonom, și deci emițătorul trebuie să urmărească și să ilumineze tot timpul ținta. Într-un sistem pasiv nu este necesară nici o iluminare, racheta conducându-se după radiația emisă chiar de țintă. Acesta este sistemul cunoscut de urmărirea al radiațiilor infraroșii emise de motoarele aeronavelor, dar poate fi vorba și de microundele sistemului radar al avionului sau chiar de o radiație laser emisă de țintă. Penultima metodă enumerată folosește tehnica transmisiei de date, direcțional către rachetă, ținta și racheta fiind urmărite fie manual de către un operator cu ajutorul unui sistem optic, sau de către un radar automat. în sistemul de ghidare prin urmărirea fasciculului de către rachetă, un fascicul de radiație este emis spre țintă, iar racheta se autocentrează pe acest fascicul. Ambele metode de teleghidare au dezavantajul că precizia unghiulară din direcția operatorului descrește cu creșterea distanței la țintă, și deci precizia în distanță scade cu creșterea acesteia.

Dintre metodele de mai sus, laserii sunt utilizați mai des în procedeul de ghidare semi-activă și în ultimele două metode.

Ghidare activă folosind laserul nu e atractivă din cauza costului ridicat al instalării unui emițător laser pe fiecare rachetă, pe când ghidarea pasivă nu folosește principial un emițător laser separat, și în plus are un domeniu limitat de aplicare.

3.1.5 Metode de analizǎ spectralǎ cu ajutorul laserilor acordabili, cu semiconductori

Poluarea atmosfericǎ prezintǎ un grad de periculozitate ridicat datoritǎ rǎspândirii substanțelor nocive la distanțe foarte mari și acțiunilor directe asupra mediului înconjurǎtor. Metodele clasice de determinare a gradului de poluare au ca dezavantaj principal prelevarea probelor din aerul poluat.

Recent se aplicǎ metode utilizând diferite tipuri de laseri. Metodele de analizǎ spectralǎ cu ajutorul laserilor acordabili sunt urmǎtoarele: absorbția radiaței laser, fluorescența de rezonanțǎ,detecția heterodinǎ, și se bazeazǎ pe fenomenele ce au loc în cazul interacției laser cu materia.

3.1.5.1 Tehnici de măsurare cu detecție de fază

Conform acestor trei metode, detecția poluanților se bazează pe aplicațiile laserului în spectroscopia de emisie și de absorbție.

Avantajele utilizării laserilor acordabili cu semiconductori în acest domeniu

sunt evidente:

posibilitatea obținerii unei rezoluții spectrale ridicate. Astfel sunt cunoscute studii ale moleculelor de CO, NO, S02, HaO, NH3 etc.

mare putere de detecție.

Aceste avantaje, determinate de prezența laserului ca sursă de radiație, duc la rezultate excelente, îndeosebi prin folosirea unor tehnici moderne de măsurare.

=== capitolul 4 ===

Capitolul 4

EFICIENȚA ECONOMICÃ

Eficiența a aproape tuturor laserilor este limitatǎ de la 1% pânǎ la 30% deoarece mecanismul laserilor implicǎ într-un anumit fel excitarea atomilor/moleculelor într-o stare excitatǎ, pǎstrându-i acolo în timp ce sunt radiați simultan cu o lungime de undǎ stimulatoare pentru a cauza de-excitarea simultan. Nu este un proces foarte eficient. Absoarbe o cantitate foarte mare de energie. Cercetǎrile continuǎ pentru a-i face mai eficienți dar implicǎ o muncǎ grea din punct de vedere ingineresc.

Cel mai mare laser este cel construit la Lawrence Livermore National Laboratory. Este un laser care lucrează în impulsuri, produce 1.8Mj per impuls cu o putere de vârf de peste 500TW. Este de mărimea unui stadion, are 192 de raze și conține peste 7,300 componente optice. Costurile de construire estimate depășesc $1,200,000,000, cu un buget de întreținere anual de $60.000.000. Cu toate că poate fi folosit și la vaporizarea instantanee a țânțarilor, cele 192 de raze pot converge într-un punct microscopic și este folosit la studiul fuziunii nucleare.

4.1 studiu de caz – Utilizarea laserilor cu semiconductori. Aspecte pozitive si negative ale acestei tehnologii.

Diodele sunt larg raspandite. Faptul ca sunt ieftin de produs și usor de folosit duce la producerea lor in masa si includerea lor in cele mai multe aparate electronice ce au nevoie de laseri.

Lecturatoarele de cd, fie ele CD-ROM-uri sau CD-playere, sunt toate prevazute cu diode laser. Playerele DVD au, deasemenea, diode laser, doar ca acestea emit fascicule mult mai fine. CD-Writer-ele si CD-ReWriter-ele folosesc diode ce emit laseri apropiati de IR (800 nm) si puteri de cativa W. Aceleasi diode, dar de puteri ceva mai mici, sunt prezente si in imprimantele cu laser. Alte produse care folosesc laseri emisi de diode sunt cititoarele de coduri de bare (Bar-Code Readers), unele Scannere, Pointerele etc. Poate cel mai important folos, dupa CD/DVD-playere, este cel adus in comunicatiile prin fibra optica. In cadrul fiecarui emitator pe fibra optica se afla o dioda laser. Mai nou s-a inceput folosirea diodelor si in medicina si in holografie. Diodele nu sunt folosite in aplicatiile militare (Radar, ghidare rachete, transmisiuni de date prin eter etc.), aplicatiile astronomice (distante cosmice si determinari de compozitii), efectele speciale de anvergura si holografia de mare intindere datorita puterii limitate relativ mici pe care o dezvoltǎ.

4.2 studiu de caz – ARMA LASER

Elaborarea programului de creare a armei cu laser a început în SUA în jurul anului 1960, sub coordonarea Direcției planificării de perspectivă (ARPA) a Departamentului Apărării. În 1966, când s-a reușit o mărire considerabilă a puterii de ieșire a laserului gazodinamic (LGD), s-a hotărît urgentarea lucrărilor proiectului, care a primit denumirea codificată „The Eights Map".

Utilizarea LGD reprezintă numai unul din multiplele proiecte americane
cu privire la folosirea laserilor în scopuri militare. Lucrările la acest proiect se
desfășoară din iunie 1971 la baza aeriană Kirkland, nu departe de locul unde
în anul 1945 a fost experimentată prima bombă atomică.

Alocațiile din bugetul militar pentru cercetările privind realizarea armei laser au crescut vertiginos în ultimii ani: de la 50 milioane dolari în 1971, la 96 milioane dolari în 1973 și la 120 milioane dolari în 1975.

Toate departamentele forțelor militare americane întreprind cercetări de perspectivă, vaste și în concordanță, elaborând laseri de putere extrem de mare în vederea rezolvării unor sarcini tactice concrete: armata terestră elaborează arma cu laser de tip „sol-aer" și „sol-sol", forțele aeriene lucrează la arma de tip „aer-sol", „aer-aer" și „cosmos-cosmos", iar marina — arma de tip „navă-aer".

În paralel cu cercetările privind elaborarea de laseri de mare putere pe care se bazează realizarea acestui tip de arme, se acordă o mare atenție cercetărilor legate de o serie de probleme conexe, cum ar fi absorbția și efectul radiației laser de către și asupra diferitelor materiale și substanțe.

Una din direcțiile principale ale cercetărilor o constituie elaborarea sistemelor care asigură urmărirea automată a țintei, dirijarea razei laser și menținerea acesteia pe țintă, ceea ce solicită o precizie mult mai mare decât în cazul focului cu armamentul de tip clasic.

Prima comunicare în legătură cu realizarea unei „puști cu laser" s-a făcut în luna martie 1964 în SUA și se referea la un produs al firmei „Maser Optics" destinat efectuării de experimentări în domeniul navigației și ridicărilor topografice etc. Această pușcă nu avea nici o valoare tactică.

O a doua variantă de pușcă cu laser mult îmbunǎtǎțitǎ era capabilǎ să producă orbirea soldaților inamici pânǎ la distanța de 1600 m, să aprindă echipamentul acestora și unele obiecte înconjurătoare. Arma urmă să realizeze și o serie de alte sarcini tactice, cum ar fi scoaterea din luptă a tancurilor și blindatelor inamice prin aprinderea rezervoarelor de combustibil și distrugerea depozitelor de muniții din mașinile de luptă. Se estima că introducerea armei de radiație de acest tip în dotarea infanteriei ar ridica substanțial capacitatea de luptă antitanc, un singur soldat înarmat cu pușca cu laser fiind capabil să lupte cu succes contra a 50 de tancuri inamice.

Caracteristicile puștii cu laser „Maser Optics" — varianta a doua (fig.1), produsǎ la arsenalul din Frankford, sunt următoarele:

tipul laserului: cu rubin;

energia de ieșire: 25 J;

puterea de ieșire: 500 MW în impuls;

—cadența de tragere: 1 loviturǎ/10s (poate fi ridicată până la valoarea de 1 lovitură/s);

Fig.4.1. Pușca cu laser „Maser Optics

—alimentare: baterie de acumulatori cu masa de 12 kg, permițând efectuarea a 10 mii de lovituri; energia bateriei: 600 J;

—lungimea de undă a radiației laser: 0,6943 m;

—divergența fasciculului laser emis: 0,5° (0,125° după colimare).

Analizându-se însă în timpul experimentărilor caracteristicile tehnice ale

armei cu laser, s-a constatat că deocamdată efectul asupra țintei este destul de neînsemnat. Numai dacă inamicul privește în direcția armei i se pot produce afecțiuni serioase ale organului vizual. Nici la ora actuală, acțiunea de aprindere a materialelor cu o astfel de armă nu are efecte certe și până la obținerea unor raze cu efect omorâtor mai este un drum lung.

În anul 1965 armata suedeză a elaborat o pușcă cu laser destinată scoaterii din luptă a soldaților inamici și care ar putea fi folosită și pentru operațiuni de cercetare în câmpul tactic. în componența puștii suedeze intră și o serie de elemente proprii telemetrelor cu laser, cum ar fi: dispozitiv de calcul a distanței, emițător și receptor.

În anul 1974 în SUA a fost produsă o mașină blindată pe șenile dotată cu laser, denumită codificat MTU („Mobil Transport Unit"). Ca aspect exterior, MTU arată ca un mobil intermediar între un tanc și un submarin, în interior fiind montată sursa laser prevăzută cu dispozitive de răcire prin ventilare. Radiația laser este transmisă unui dispozitiv de acumulare de forma unui rezervor cilindric umplut cu gaz, care reprezintă partea de lucru a sursei de radiație. Atunci când cantitatea de energie depășește un anumit prag, energia stocată este evacuată sub forma unui impuls luminos scurt, cu o putere de ordinul a câteva sute de kW. Raza de la ieșire produce cu ușurință prin ardere orificii în lemn, în plăcile de oțel de mică grosime și în corpurile oamenilor. Pentru lovirea unor ținte .mobile, turela mașinii se poate roti. Instalația este prevăzută și cu un dispozitiv de urmărire automată a țintelor. Cele mai probabile ținte împotriva cărora este destinat să lupte MTU sunt avioanele și elicopterele. Laserul folosit este de tip gazodinamic, produs de firma „Avco-Everett". Reprezentanții oficiali ai armatei americane au subliniat că crearea MTU nu înseamnă o creștere rapidă a potențialului armamentului cu laser. Chiar dacă experimentările efectuate la Arsenalul Redstone au dat unele rezultate se estima că vor mai trece aproximativ 5 ani până la apariția unui tun cu laser operațional în câmpul tactic.

Lucrări intense se desfășoară pentru realizarea laserilor de mare putere, o importanță deosebită acordându-se laserilor gazodiriamici. În anul 1970 a fost produs un LGD cu o putere de ieșire în regim monomod de 30 kW și în regim multimod de 60 kW. Se presupune că în prezent puterea de ieșire a acestor laseri a atins câteva sute de kW în regim monomod. Principala deficiență a LGD constă în necesitatea încălzirii prealabile a amestecului de lucru, care se poate realiza numai la bordul navelor mari și în cadrul instalațiilor terestre staționare, unde pot fi folosite în acest scop reactoare nucleare sau instalații termoenergetice. Nu este exclusă folosirea acestui tip de laser și pe avioanele mari, unde încălzirea corpului de lucru poate fi realizată chiar de energia termică degajată de motoarele avionului, precum și de cea datorată presiunii dinamice a gazelor evacuate.

În anul 1970 au fost făcute experimentări privind efectul armei cu laser asupra rachetelor cosmice. Prin concentrarea radiației laser pe o porțiune mică a zonei exterioare a învelișului rachetei s-a obținut distrugerea acesteia în mai puțin de o secundă.

În 1971, pe avionul de bombardament B-1 a fost montată o armă cu laser destinată să distrugă avioanele și rachetele inamice. Nu a fost precizat tipul de laser folosit pentru această armă de bord. Prin modificarea avionului cisternă Boeing „KS-135" a fost realizat avionul-laborator „NKC-135", cu care au fost efectuate experimentările unei arme de bord cu laser din clasa „aer-sol”. Pe partea superioară a fuselajului este montat un carenaj al dispozitivului telescopic de bord, care realizează dirijarea razei laser și urmărirea țintei. De asemenea, avionul de vânătoare F-15 a fost dotat experimental cu o armă cu laser destinată luptei cu alte ținte aeriene.

Sistemul cu laser XLD-1, care utilizează un LGD produs de firma „United Aircraft", a fost experimentat la baza aeriană Kirkland. Laserul, lucrând într-un regim de undă continuă cu o putere de ieșire de 60 kW, a creat o zonă cu o divergență de 2,6 secunde de arc. Cu ajutorul acestuia s-a reușit aprinderea unor ținte de lemn de la o distanță de 3,7 km. În anul 1972 au fost efectuate experimentări cu acest sistem la bordul unor avioane telecomandate fără pilot, rezultatele obținute fiind considerate pozitive.

4.2.1 FACTORI CARE INFLUENȚEAZĂ ASUPRA EFICIENȚEI ACȚIUNII ARMEI LASER

Până acum au fost examinate problemele legate de efectul radiației laser asupra diferitelor materiale, indicându-se mărimile densității de energie și ale puterii necesare pentru producerea distrugerii tehnicii militare și a forței vii. Totuși, până în prezent nu s-a ținut cont de factori, cum ar fi coeficienții de absorbție și împrăștiere a atmosferei, coeficientul de reflexie a materialelor etc. indicându-se numai valorile densității de energie necesare pentru distrugerea țintelor și a corpurilor vii, care absorb o parte din fluxul incident.

În general, în calculul puterii radiației laser necesare pentru distrugerea unei ținte, trebuie să se țină cont de efectul factorilor care produc atenuarea fluxului de radiație în drumul lui spre țintă, precum și de caracteristicile țintei. Calculul se face luându-se în considerare faptul că pentru distrugerea țintei este suficientă adesea topirea învelișului acesteia pe porțiuni cu un diametru mediu de 100 mm și cu o grosime în jur de 10 mm și scoaterea din uz a dispozitivelor montate în interior. Cele mai probabile ținte pentru distrugerea cu arma de bord cu laser le constituie avioanele și rachetele intercontinentale construite din aliaje ușoare. Procesul de producere a orificiilor în țintă constă dintr-o încălzire a materialului până la punctul de topire, urmată de topirea acestuia cu ajutorul unei emisii suplimentare de energie.

Pentru o placă de grosimea ℮ = 10 mm, diametrul D = 100 mm și greutatea specifică a materialului aliajului = 2,72 g/cm3, masa G a acestuia va fi:

G = D²/ 4 ℮ = 214 g (4.1)

Dacă temperatura de topire a aliajului este tt = 660°C, căldura specifică c = 0,214 cal/gram.grad și căldura specifică de topire Qt = 18°C, cantitatea de căldură necesară topirii metalului poate fi calculată cu ajutorul relației

Q0 = G[ c ( tt – t0) + Qt ] = 50 Kcal (4.2)

Pentru evaluarea puterii radiației laser trebuie să se țină seama și de durata de iradiere a țintei. Datorită și altor condiții, între care conductibilitatea termică a metalelor, durata iradierii țintei trebuie să fie mai mică de o secundă.

Se cunoaște că energia laser este reflectată parțial de suprafața țintei. Pentru a se asigura protecția față de acțiunea armei laser, coeficientul de reflexie al țintei ar trebui să fie mărit suplimentar. Printr-o polizare și șlefuire adecvată și prin aplicarea unor straturi speciale, coeficientul de reflexie a suprafeței țintei poate fi ridicat până la 99%.

Dacă admitem că pentru țintă coeficientul de reflexie este de 95%, ceea ce practic este posibil, numai 5% din energia razei laser va participa la acțiunea de distrugere. Din acest motiv, pe suprafața țintei este necesară aplicarea unei energii nu numai de 50 Kcal, ci de 1 000 Kcal.

Considerând că raza de acțiune a armei cu laser pentru distrugerea unor ținte aeriene este de câțiva kilometri, trebuie să se țină cont că radiația trebuie să străbată această distanță printr-un strat de aer, pierzând o parte din energie. Pierderile depind de o serie de factori și în primul rând, de condițiile meteorologice. Energia radiației laser este împrăștiată de moleculele de aer ale atmosferei, împrăștierea, datorată moleculelor de aer, denumită difuzie Rayleigh este invers proporționala cu puterea a patra a lungimii de undă de emisie λ a laserului. Din acest motiv radiațiile din domeniul undelor scurte, începînd cu cele ultraviolete, nu trec practic prin atmosferă.

În domeniul infraroșu al spectrului are loc un alt fenomen. Începând cu lungimea de undă de 1 m, atmosfera se caracterizează printr-o serie de benzi de absorbție a radiației datorate bioxidului de carbon și vaporilor de apă. Combinarea acestor efecte duce la trecerea lor prin atmosferă, la atenuarea radiațiilor luminoase în diferite zone ale spectrului, rămânând numai câteva ferestre de bună transparență. Astfel, în domeniul infraroșu există o îngustă fereastră la λ = 1,25 m, o fereastră mai importantă se află în intervalul λ = 3,54 m și o altă fereastră, destul de mare, în domeniul λ = 8,512,5 m.

O altă cauză a atenuării fluxului luminos la trecerea prin atmosferă este difuzia și absorbția datorată aerosolilor din aer, particulelor de praf, picăturilor de apă și altor substanțe chimice aflate în suspensie. De asemenea, ceața și smogul marilor orașe pot absorbi total razele de lumină, chiar și pe distanțe scurte.

Uneori s-a exprimat părerea că raza laser poate să-și creeze prin „ardere" drum prin atmosferă. Acest lucru poate fi considerat numai în cazul ceții, praful mineral neputând fi înlăturat prin încălzire. S-a calculat și verificat experimental că pentru străpungerea a 1 m3 de aer, cu ceață, sunt necesare cea 0,65 Kcal. Dacă un reflector cu diametrul de 1 m îndreaptă radiația laser pe o țintă fixă aflată la distanța de 4 km și concentrează pe suprafața ei un spot cu diametrul de 100 mm, atunci raza laser va străpunge un strat de aer cu un volum de cea 1000 m3. Astfel, numai pentru împrăștierea cetii în acest caz sunt necesare 650 Kcal. De exemplu, energia de ieșire a razei laser, pentru a fi eficace trebuie să fie de 1 650 Kcal.

Există de asemenea și serioase greutăți constructive. Astfel, sistemul optic al emițătorului laser este făcut dintr-o serie de lentile și reflectori care trebuie să prezinte calități deosebite. Este de ajuns să amintim că sunt necesare suprafețe optice asferice reglabile și că, de exemplu, precizia prelucrării optice a suprafeței oglinzilor de focalizare a radiației laser trebuie să fie realizată cu erori mai mici de λ /10.

Cele arătate mai sus impun și o serie de restricții privind crearea unor construcții care să funcționeze în condiții termice permanent variabile și în regim de modificare a sarcinilor mecanice, ambele putând introduce serioase abateri de la precizia sistemului optic.

Cu toate aceste neajunsuri, lucrările privind elaborarea armelor cu laser
continuă în multe țări, majoritatea specialiștilor considerând că nivelul actual
al energiei radiației laser, poate fi simțitor crescut. Se considera că până în
anul 1980, puterea laserilor cu funcționare continuă va ajunge la valori de
ordinul megawaților, iar mai târziu, până în 1990, chiar a sutelor de megawați.

În ultimul timp se constată un interes crescând față de laserii chimici (LC). Astfel, marina militară americană intenționează să folosească acest tip de laser la bordul navelor de război, în cadrul sistemelor de arme antirachetă. Laserii chimici prezintă, în raport cu LGD, avantaje certe legate în primul rând de faptul că radiația lor din spectrul λ = 2,65 m se propaga mult mai bine prin atmosfera marină saturată cu vapori de apă decât radiația la λ = 10,6 m. Totodată, s-a constatat că laserii ce emit la lungimi de undă mai mici sunt mai puțin avantajoși în cazul folosirii lor la altitudini ridicate, unde concentrația vaporilor de apă se micșorează brusc și din acest motiv pentru armele de radiație aeropurtate este indicată în continuare utilizarea LGD. Pe lângă aceasta, presiunea atmosferică scăzută de la înălțimi mari ușurează aspirarea gazelor și permite înlăturarea difuzorului din schema laserului gazo-dinamic, ceea ce dă posibilitatea micșorării dimensiunilor și masei acestuia și a ridicării randamentului său. Mai mult, folosirea laserilor chimici la bordul navelor este complicată și din cauza greutăților legate de înmagazinarea și manipularea lichidului de lucru toxic, pe bază de fluor.

Dezavantajul laserului montat pe platforme statice sau cu mișcare de rotație lentă constă în difuzia termică: aceasta se produce prin încălzirea aerului pe traiectul radiației laser, formând o așa-numită „lentilă negativă", care provoacă defocalizarea și împrăștierea fasciculului. în cazul unei încălziri puternice a aerului se creează zone de plasmă ionizantă care opresc total trecerea razelor laser.

În general, specialiștii au păreri diferite în aprecierea armei laser. Unii consideră că laserii de mare putere au o foarte mare importanță pentru toate genurile de arme, pe când un alt grup afirmă că acești laseri nu reprezintă o armă absolută, în caz de aplicabilitate, ei trebuind să reziste concurenței armamentului clasic.

Interesul față de crearea armei laser este evident dacă, de exemplu, vom aminti următoarele cifre: numai în anul 1974, în SUA forțele marinei militare au alocat pentru realizarea laserilor de mare putere suma de 29,1 milioane dolari, aviația militară — 35 milioane dolari, iar Comitetul planificării de perspectivă al Departamentului apărării—18,5 milioane dolari.

Trebuie menționat, în fine, că programele de cercetare a laserilor de mare putere prevedeau realizarea unor modele experimentale ale armei tactice cu laser pânǎ în anul 1980.

La ora actualǎ rezolvarea unor probleme tehnologice din industria de mașini nu se mai poate face fǎrǎ utilizarea unor tehnologii neconvenționale printre care prelucrarea cu fascicule laser, cu fascicule de electroni, cu fascicule de ioni, ocupǎ un loc tot mai important.

Aceste prelucrǎri cu fascicule dirijate permit obținerea unor decizii de forma si dimensionala ridicate si o buna calitate a suprafețelor realizate.

Deosebit de eficiente se dovedesc prelucrǎrile cu fascicule dirijate in ramurile de vârf ale tehnicii: mecanica finǎ, microelectronica, construcția navelor cosmice, tehnica nucleara, etc. De altfel aceasta cerere crescândǎ de introducere și utilizare a electrotehnologiilor în industria noastrǎ în continuǎ rezolvare a condus la hotǎrârea de a se produce la noi în țarǎ astfel de instalații, cu care sa fie dotate întreprinderile de profil. Avându-se în vedere performanțele tehnico-economice realizate pe plan mondial în domeniul prelucrǎrilor cu fascicule dirijate pe baza anchetelor efectuate de institute de specialitate se pot trage urmǎtoarele concluzii cu privire la perspectivele de amplificare a acestor tehnologii:

toate țǎrile puternic dezvoltate acordǎ o atentie deosebita dezvoltarii tuturor tehnologiilor neconventionale printre care cele de prelucrare cu fascicule dirjate ocupa un loc tot mai important. Aceasta tendinta este reliefata de faptul ca tot mai multe firme se specializeaza in proiectarea si realizarea unor astfel de instalatii;

datoritǎ preciziei ridicate de prelucrare în cazul utilizarii fasciculelor dirijate, atât universale cat si specializate;

se remarcǎ tendinta mereu crescanda de realizare a unor instalatii cu grad înalt de tehnicitate prevǎzute cu comanda program si comanda adaptivǎ;

se manifestǎ o intensǎ preocupare pentru perfecționarea tehnologiilor de prelucrare cu fascicule dirijate.

=== capitolul 5 ===

Capitolul 5

IMPACTUL CU MEDIUL

5.1 ACȚIUNEA RADIAȚIEI LASER ASUPRA MATERIALELOR ȘI APARATURII

În cartea sa „Strong Laser Radiation Actions", G. Reddy arată că: „Orice sistem capabil să producă o acțiune de distrugere, de exemplu topirea și evaporarea metalelor, reprezintă potențial o armă". De aceea, laserii de înaltă energie sau cu putere de radiație mare, cum ar fi cei cu corp solid, unii laseri cu gaze, cei gazodinamici și cei chimici, reprezintă fără îndoială o nouă clasă de arme periculoase. Chiar și laserii de putere mică pot fi folosiți ca armă, întrucât radiația lor poate fi suficientă pentru a provoca distrugerea sau înrăutățirea proprietăților unor dispozitive optice și electrono-optice și a împiedica funcționarea normală a acestora. Același lucru se poate spune și despre influența radiației laser asupra vederii.

Examinând posibilitatea utilizării radiației laser pentru distrugerea țintelor, în perioada 1961 — 1962 specialiștii au ajuns la concluzia că principalul domeniu de aplicație al armelor cu laser îl constituie apărarea anti-rachetă. Aici laserii ar urma să fie folosiți pentru evaporarea metalelor și materialelor refractare constitutive ale învelișului rachetelor intercontinentale și ale componentelor de luptă ale acestora. S-a propus, de asemenea, utilizarea laserilor în spațiul extraatmosferic, evitându-se astfel efectele de atenuare și de difuzie produse de atmosferă. Acest lucru ar permite o mai mică putere necesară a laserilor, ameliorând problema montării lor pe sateliții de cercetare din cadrul unui sistem de apărare anti-satelit. Totuși, în proiectul „Black-1" elaborat în anul 1966 de FAM ale SUA, privind cercetările și prognoza în domeniul sistemelor de arme cu laser pentru următorii 5 ani, se prevedea folosirea laserilor de mare putere pentru scoaterea din uz a detectorilor în infraroșu și a aparaturii de cercetare instalată pe rachetele inamice. În condițiile actuale se consideră că asemenea sisteme cu laser sunt mai eficace decât cele la care laserul este folosit pentru deteriorarea mecanică sau topirea învelișului rachetelor adversarului.

Simultan a fost studiată și utilizarea laserilor în cadrul armatei terestre, pentru nimicirea forței vii și a tancurilor, dar după părerea unor specialiști rezultatele încă nu justifică acest lucru.

Cu toate acestea s-a propus folosirea armelor cu laser pentru crearea unei perdele de radiație optică împotriva forței vii și a tehnicii de luptă. Se consideră că radiația laser trebuie să distrugă metalele și celelalte materiale care reprezintă elementele constructive ale armamentului sau să înrăutățească caracteristicile tehnico-tactice ale acestora, în asemenea măsură, încât să devină inutilizabile în luptă. Armele cu laser ar urma să distrugă sau să înrăutățească caracteristicile unor aparate sau dispozitive sensibile, cum ar fi foto-receptorii, foto-detectorii capetelor pentru auto-dirijare, traductorii și sistemele opto-electronice, tuburile catodice ale display-urilor, traductorii electrono-optici ai aparaturii de vedere pe timp de noapte ș.a. sau să creeze perturbații de natură să împiedice funcționarea acestora.

Armele cu laser trebuie să scoată din luptă forța vie prin acțiune termică directă asupra îmbrăcămintei, pielii și ochilor. Radiația este necesar să aibă o putere suficientă pentru a putea aprinde plasele de mascare, construcțiile din lemn, precum și alte obiective aflate în câmpul tactic.

Acțiunea radiației laser asupra materialelor, elementelor aparaturii și organismului uman depinde atât de caracteristicile proprii laserului utilizat, cât și de cele ale substanțelor din care este alcătuit obiectul spre care este dirijată această radiație.

Întrucât în literatura de specialitate nu au apărut informații privind densitatea de radiație necesară pentru distrugerea metalelor și a materialelor de construcție de către un fascicul laser nefocalizat, datele prezentate în tabelele acestui capitol privind acțiunea distructivă a radiației laser nu sunt concludente. Ele reflectă rezultatele unor cercetări de laborator, permițând totuși evaluarea aproximativă a energiei sau a puterii pe care trebuie să o aibă radiația laser pentru a putea acționa cu eficiență distrugând unele materiale sau sisteme. O parte din datele referitoare la energia termică necesară aprinderii materialelor inflamabile au fost preluate din diverse îndreptare privind acțiunea radiației termice a exploziei nucleare, ceea ce într-o oarecare măsură poate constitui o referință și pentru acțiunea termică a armelor cu laser.

Să examinăm acțiunea radiației laser asupra corpurilor solide. Dacă radiația optică trece printr-un strat omogen al substanței solide, densitatea ei energetică va scade conform legii:

U = U0 e-kl (5.1)

unde: U este densitatea fluxului energetic care a traversat stratul de materiale ; U0 — densitatea fluxului energetic incident pe material; k — coeficientul de absorbție al materialului; l — grosimea stratului de material.

Coeficientul de absorbție k pentru toate substanțele și materialele depinde de lungimea de undă X a radiației laser utilizate. Dacă o substanță solidă conține una sau mai multe incluziuni cu coeficient de absorbție diferit de cel propriu substanței însăși, atunci apar focare locale de absorbție a energiei laser, ceea ce poate modifica substanțial tabloul procesului de distrugere al materialului. în general, sub acțiunea unei radiații laser cu o densitate suficient de mare pentru a provoca distrugerea, materialele de construcție, atât cele transparente cât și cele opace, trec prin trei stadii;

absorbția energiei radiației laser, însoțită de încălzirea materialului;

conversia fazei solide într-o fază lichidă;

difuzia fazei lichide și evaporarea.

Prima fază duce la distrugerea materialului prin modificarea proprietăților sale de reflexie și absorbție, crearea de fisuri, distrugerea stratului superficial și a calităților suprafeței exterioare.

Cea de-a doua fază, de trecere a substanței solide într-o fază lichidă, trebuie însoțită de o evaporare intensă deoarece, în caz contrar, distrugerea materialului cu formarea de cavități se va face destul de încet. Totodată, drept rezultat al acțiunii radiației laser asupra materialului, se vor forma produse de dezagregare, lichide și gazoase, care absorb cu ușurință fasciculul laser, creându-se astfel un fel de ecran specific care împiedică continuarea procesului distructiv. Nimicirea cu radiație laser a unor ținte care se deplasează cu mare viteză este mai eficace decât în cazul unor ținte staționare, deoarece la țintele mobile produsele de dezagregare sunt îndepărtate prin curenții de aer creați de însăși mișcarea acestora.

În tabelul nr. 5.1 sunt date valorile energiei specifice de distrugere și de evaporare pentru diverse materiale și aliaje uzuale.

Tabelul nr. 5.1.VALORILE ENERGIILOR SPECIFICE DE DISTRUGERE ȘI EVAPORARE PENTRU UNELE METALE ȘI ALIAJE

După cum reiese din tabel, energiile radiației laser pentru distrugerea și evaporarea diverselor metale și aliaje ating valori considerabile.

Procesul de distrugere cu radiația laser a semiconductorilor din aparatură se bazează atât pe absorbția energiei optice de către purtătorii de sarcină intra-și inter-zonali, cât și pe absorbția acesteia de către microincluziunile neomogene și impurități. Important este și faptul că, în cazul iradierii materialelor semiconductoare cu un fascicul laser, se pot obține modificări substanțiale ale proprietăților lor optice folosind densități de energie cu mult inferioare valorii necesare pentru distrugere. Densitățile radiației laser necesare atât pentru distrugerea semiconductorilor, cât și pentru modificarea proprietăților fizice în vederea scoaterii lor din uz, depind de tipul substanței semiconductoare, de conductanța și rezistența termică proprie caracteristică, cât și de regimul de funcționare al semiconductorului în cadrul aparaturii.

Întrucît dispozitivele semiconductoare din aparate sunt în general realizate cu Ge, Si, GaAs, Sbin, CdSe și alte materiale, la iradierea lor cu o rază provenită de la un laser cu rubin au loc următoarele fenomene:

— la densități mici ale energiei (5 10 J/cm2) apar modificări nesemnificative ale suprafeței exterioare;

— pe măsura creșterii densității se produc fisuri și șanțuri pronunțate, iar la valori ale densității de 20 30 J/cm2 se formează cratere adânci.

Drept criteriu pentru densitatea de energie necesară distrugerii pieselor semiconductoare din aparate poate fi luată rezistența la radiații a plăcilor metalice subțiri (Ag, Al, Cr) cu suport de sticlă, utilizate în multe cazuri ca bază pentru depunerea straturilor semiconductoare. În tabelul nr. 5.2 sunt indicate valorile densităților de prag ale energiei absorbite care sunt suficiente pentru distrugerea straturilor subțiri formate cu diverse materiale.

Tabelul nr. 5.2. VALORILE DENSITĂȚILOR DE PRAG ALE ENERGIEI ABSORBITE PENTRU DIFERITE MATERIALE UTILIZATE, CA BAZĂ DE DEPUNERE A SEMICONDUCTOARELOR

Distrugerea dielectricilor transparenți are loc în funcție de gradul de transparență al acestora în raport cu lungimea de undă a radiației laser utilizate și de durata și puterea impulsurilor (pentru laserii cu funcționare în impuls) sau de puterea fasciculului (pentru laserii cu funcționare continuă).

Distrugerea dielectricilor transparenți provocată de radiația laser poate căpăta aspectul unor microfisuri, opacizări ale suprafeței, așchieri, cratere, perforații. În tabelul nr. 5.3 sunt date valorile-prag de distrugere pentru sticlă și alți dielectrici transparenți utilizați în construcții de tehnică.

Tabelul nr. 5.3. VALORILE-PRAG DE DISTRUGERE CU RADIAȚII LASER A UNOR DIELECTRICI TRANSPARENȚI

În multe materiale, printre care și în dielectricii transparenți, au loc sub acțiunea radiației laser efecte distructive cumulative, distrugerea producându-se în urma impactului cu o serie de impulsuri, nivelul de energie al fiecărui impuls nefiind capabil să producă singur deteriorarea.

Pentru evaluarea nivelului de densitate energetică necesar aprinderii lemnului și a țesăturilor, în tabelul nr. 5.4 sunt date valorile privind mărimea impulsului luminos al unei explozii nucleare care provoacă carbonizarea și auto-aprinderea acestor materiale.

Tabelul nr. 5.4. VALOAREA DE PRAG A IMPULSULUI LUMINOS AL UNEI EXPLOZII NUCLEARE PENTRU PRODUCEREA CARBONIZĂRII ȘI AUTOAPRINDERII UNOR MATERIALE TEXTILE ȘI LEMNOASE

Se vede că nivelul energiei și al puterii necesare pentru distrugerea diferitelor materiale cu radiație laser este de zeci ori sute de J/cm2. Ținând cont și de pierderile inevitabile datorate propagării atmosferice a fasciculului în raport cu caracteristicile armelor nucleare, cerințele impuse armei cu radiație laser, în ceea ce privește energia de ieșire și puterea, sunt foarte severe și restrictive din punct de vedere practic.

5.2 Protecția împotriva radiației laser

Aceastǎ parte își propune să prezinte efectele radiației laser asupra organismului uman cu accent asupra organelor percepției vizuale care sunt cele mai afectate de către radiația laser.

Se vor prezenta efectele radiației laser în comparație cu efectele radiațiilor produse de sursele clasice de lumină și se va insista asupra câtorva tipuri de laseri care pot provoca vătămări ale unor organe importante.

Esențial este de a cunoaște limitările, particularitățile și caracteristicile acestor dispozitive și modalitatea de a le utiliza fără a dăuna corpului uman.

5.2.1. Nivelele de expunere ale ochiului și pielii

Stabilirea nivelelor nepericuloase de expunere a ochiului și pielii, pentru domeniul spectral acoperit de laseri, s-a dovedit a fi o sarcină dificilă. Totuși s-a reușit o corelație îndeajuns de bună a datelor pentru a se stabili câteva nivele de expunere nepericuloase.

În afectarea ochiului de către radiația laser, trebuie avuți în vedere doi factori importanți. în primul rând țesuturile diferă în ceea ce privește răspunsul lor la fenomene termice și netermice, iar în al doilea rând ochiul este considerat un sistem optic.

Proprietățile optice ale ochiului măresc sensibilitatea retinei la vătămare. De exemplu, să presupunem că retina poate tolera xW/cm2, corneea 2xW/cm2 și pielea 3xW/cm2 și că un fascicul laser cu o densitate de putere de xW/cm2 este incident pe cornee; nici pielea și nici corneea nu vor fi vătămate. Totuși, focalizând fasciculul laser, ochiul va reduce suprafața iradiată cu un coeficient de 10 000, dând o densitate de putere pe retină de 10 000xW/cm2.

Cele mai multe dintre cercetările făcute asupra leziunilor retinale s-au axat pe determinarea pragurilor de lezare a ochiului.

Definiția pragului de lezare retinală cea mai larg acceptată este: densitatea de energie necesară pentru a produce, în unitatea de timp de expunere, o leziune retinalǎ.

Datele experimentale arată cǎ lezarea retinei poate apare și în cazul unor valori inferioare acestui prag. Totuși chiar în cazul unor Ieziuni extreme ale retinei, ea poate regenera. De exemplu, în cazul unor leziuni corneene minime datorate radiației laserului cu C02, există posibilități biologice regeneratoare însemnate, care duc la refacerea unei mari părți sau întregului țesut lezat.

Întrucât utilizarea laserilor este în creștere, din ce în ce mai mulți oameni vor veni în contact cu radiația laser. Un exemplu de utilizare posibilă în viitor este „bastonul cu laser" folosit pentru a-i preveni pe orbi de obstacole. Așa cum se poate vedea în figura 5.1, radiația laserului cu semiconductori se răspândește într-un domeniu spațial relativ larg, astfel încât persoanele ce trec prin apropierea lui pot fi expuse radiației laser. Un alt pericol este efectul radiației ultraviolete. Acesta a început a fi studiat cu ani în urmă, folosindu-se sursele clasice de lumină. Lungimile de undă ultraviolete produc reacții fotochimice și pot cauza mutații celulare. Multe tipuri de proteine și molecule pot fi alterate de aceste lungimi de undă. Se recomandă în mod curent ca expunerea la lungimile de undă din domeniul ultraviolet să fie făcută conform indicațiilor Consiliului de medicină fizică al Asociației Medicale Americane. Acest consiliu a ajuns la concluzia că pentru o radiație de 0,5 W/cm² cu lungimea de undă de 253,7 nm, timpul de expunere la care nu se produce nici o lezare este de 7 ore, iar pentru o radiație de 0,1 W/cm2, la aceeași lungime de undă, timpul de expunere la care nu se produce nici o lezare este de 24 de ore.

5.2.2 Programe de protecție

În general, programele de protecție împotriva radiației laser sunt menite să preîntâmpine eventualele accidente.

O primă măsură în protecția împotriva radiației laser este pregǎtirea și instruirea personalului care lucrează cu laseri.

În evaluarea pericolelor datorate introducerii radiației laser în materia vie se disting pericolele legate de însuși fasciculul laser și pericolele de natură chimică sau electrică ce decurg din utilizarea laserului.

În majoritatea aplicațiilor industriale ale laserilor, interacțiunea unui impuls de mare putere cu materialele generează o flamă strălucitoare, adesea suficient de strălucitoare pentru a fi un pericol pentru ochi.

Radiația laser de 1,06×103, emisă de laserul cu YAG—Nd, nu este transmisă de ochi. Radiația încălzește însă pielea și corneea. Este interesant de remarcat că o radiație puțin intensă, de 0,1 W/cm2, cu această lungime de undă, incidență pe piele, nu produce senzație de căldură, în timp ce una de 0,5 W/cm², poate fi foarte dureroasă.

Ca raze invizibile, în cazul în care se află în aer liber, ele pot fi accidental interceptate. Câțiva wați, într-o rază destul de îngustă, cu un diametru de 5-20 mm, vor arde pielea imediat, iar probabilitatea vătămării ochiului este foarte mare.

După cum se știe radiația unui laser este coerentă atât spațial cât și temporal. Iată cele două probleme majore care trebuie avute în atenție pentru protecția împotriva radiației laser:

1) fasciculul laser Bec incandescent

poate traversa distanțe

mari fără schimbări sub
stanțiale ale caracteristicilor

sale;

se pot obține intensități

extrem de mari.

Putem înțelege foarte

ușor acest ultim punct,

comparând efectele unui

bec incandescent de 100 W

și cele ale unui laser HeNe

de 1 mW (CW) asupra ochiului.

Figura 5.2 prezintă în secțiune transversală felul în care ochiul reflectă un bec și un fascicul

laser. Pentru a calcula densitatea puterii pe retină, trebuie să cunoaștem doi parametri: densitatea puterii pe cornee și mărimea reprezentării ei pe retină. în cazul unei surse alungite mărimea imaginii de pe retină este dată de relația

dr =a f/r (5.2)

unde a este mărimea obiectului, f lungimea focală a imaginii ochiului (de obicei f = 17 mm) și r distanța de la obiect la ochi. Densitatea puterii retinale este dată de

Ir=Ir dc ²/ dr ² (5.3)

unde Ie este densitatea puterii corneene, dc diametrul retinei și dr diametrul imaginii obiectului pe retină (s-a presupus că pupila ochiului este iluminată total și ca se folosește o sursǎ omnidirecțională).

Presupunând că așezăm la 50 cm de ochi un bec electric mat cu un diametru de 8 cm, care iradiază izotrop 10 W în porțiunea vizibilă a spectrului, obținem Ir = 2,1 nW/cm2.

În cazul unui laser cu o distribuție de energie gaussianǎ, un ochi ideal reflectă radiația laser într-un spațiu minim. Aceasta fiind situația cea mai defavorabilă, ea are o mare importanță în estimarea riscurilor și a gradului de vătămare a ochiului. În optica clasică mărimea sportului minim ce se poate obține de la o lentilă este determinată de către limita ei de difracție. Astfel, dacă ochiul ar putea funcționa ca un sistem optic limitat de difracție, mărimea petei minime ar fi de

dr= 1,27λ·f/D (5.4)

unde D este diametrul pupilei, / distanța focală a ochiului, iar λ lungimea de undă a fasciculului incident. Unul dintre pericolele majore datorate radiației este posibilitatea de a fi concentrată pe spații extrem de mici cu densități de putere extrem de mari. Fasciculul laserului cu rubin, cu funcționare în impulsuri, de exemplu, este de aproximativ 5·109 ori mai strălucitor decât o arie echivalentă a suprafeței solare.

Ochiul uman este un detector de lumină sensibil ce poate fi vătămat de radiația laser la nivelul retinei, datorită focalizării sau la nivelul corneei, datorită absorbției radiației netransmise de ochi.

Majoritatea cercetărilor întreprinse asupra pericolului radiației laser au fost îndreptate spre determinarea pragurilor de lezare a retinei și corneei.

Cercetările s-au concentrat îndeosebi asupra leziunilor provocate ochiului mamiferelor, examinându-se într-o oarecare măsură și leziunile provocate la nivelul pielii. Majoritatea studiilor au folosit ca subiecți iepuri sau maimuțe; s-au făcut și câteva studii pe oameni.

S-au stabilit astfel câteva limite toate reprezentând nivele de expunere neprimejdioase, care folosesc în esență aceeași sursă de date.

În prezent, datele sunt furnizate în multe moduri cum ar fi iradiația corneeană, intensitatea corneeană, intensitatea retinală etc, creându-se o oarecare confuzie. Întrucât ochiul este un sistem optic întrucât ochii reacționează diferit la lumină, este greu de stabilit un nivel corect și neprimejdios de expunere.

Diverse grupuri au recomandat câteva „nivele neprimejdioase de expunere". S-au obținut însă mari diferențe între rezultate, pentru că s-au folosit atât interpretări diferite ale datelor, cât și factori diferiți de protecție.

5.2.3. Efectele biologice ale radiației laser

Radiația laser este parțial reflectată, transmisă și absorbită atunci când este incidență pe un material biologic, natura fiecărui fenomen depinzând de proprietățile țesuturilor implicate, în figura 5.3, de exemplu, se prezintă transmisia luminii prin mediul ocular, iar în figura 5.4, absorbția radiației electromagnetice de către ochiul omenesc.

300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300

λ, nm

Fig. 5.3. Transmisia luminii prin mediul ocular

Fig. 5.4. Absorbția radiației electromagnetice de către ochiul

omenesc:

a) razele X și y trec prin ochi neatenuate; b) radiațiile din domenii ultraviolet apropiat sînt absorbite în principal de către cornee; c) radiațiile din domeni«l ultraviolet îndepărtat și vizibil trec prin mediul ocular si sint focalizate pe retină; d) radiațiile din domeniul infraroșu apropiat sînt parțial absorbite în mediul ocular și parțial focalizate pe retină; e) radiațiile din domeniul infraroșu îndepărtat sînt absorbite de către cornee și pot produce efecte termice vătămătoare; f) microundele sînt transmise de meciul ocular și pot fi absorbite parțial.

5.2.3.1 Efecte retinale ale radiației laser

Efectul radiației laser asupra țesutului retinal poate fi o schimbare retinală temporară, fără reacții patologice, sau mai grav, variind de la leziunile mici invizibile, pânǎ la leziuni mari ale retinei. Simpla înroșire este unul din efectele vizibile cele mai ușoare. în cazul unei energii crescânde caracterul local al leziunilor progresează spre carbonizare, având ca efecte secundare și hemoragia din jurul leziunii. în cazul energiilor foarte mari se pot forma gaze, care desprind retina și pot crea mici explozii în ochi.

În cadrul ariei retinale, cea mai critică arie pentru vedere este foveea. Această arie are un diametru de cca. 1 mm și reține cea mai mare cantitate de imagini a ochiului. Leziunile minime din câmpul periferic al retinei pot rămâne nedetectate, întrucât creierul compensează până la un anumit punct pierderile de vedere de pe arii mici. Totuși foveea este mai predispusă leziunilor decât regiunea paramusculară a retinei și chiar pierderile pe arii mici duc la grave deteriorări ale vederii. Astfel se are totdeauna în vederea vătămarea foveei, atunci când se încearcă să se stabilească nivele neprimejdioase de expunere.

5.2.3.2 Efecte ale radiației laser la nivelul corneei si pielii

Radiația ultravioletă (200—400 nm) este absorbită la nivelul corneei și poate provoca leziuni dureroase. Ea poate cauza conjunctivita și erythema feței și a altor țesuturi expuse. în funcție de lungimea de undă a radiației ultraviolete pot avea loc și reacții fotochimice. Efectul general al radiației ultraviolete emise de laseri este acela al unei grave arsuri produse de soare.

Radiația infraroșie este și ea absorbită de cornee și de piele și este transformată în căldură, efectul general fiind acela de încălzire a țesutului. Multe țesuturi sunt foarte sensibile la schimbări termice și pot fi vătămate chiar și în cazul unei ușoare variații de temperatură. S-a demonstrat că radiația infraroșie provoacă opacități ale cristalinului.

Cu toate că efectele de mai sus trebuie evitate când se folosește un laser, este interesant de remarcat ca ele pot fi folosite în medicină, în mai multe domenii medicale se folosesc o serie de efecte ale radiației laser. Se formează leziuni, de exemplu cum ar fi în cazul sudării retinelor desprinse etc. Acestea pot prezenta interes, întrucât arată efectul laserului pe materialul biologic.

Pentru ochi și piele, pericolele cauzate de reflexia unui fascicul laser sunt în esență aceleași cu cele provocate de un fascicul nereflectat.

Totuși o reflexie sau o transmisie difuză a fasciculului laser altereazǎ caracterul de bază al radiației laser, prin aceea că îi distruge atât direcționalitatea cǎt și coerența spațială.

În multe cazuri când se folosesc suprafețe difuzate sau semilucioase, schimbarea produsă radiației laser este insuficientă pentru a reduce pericolele la un nivel neprimejdios.

S-au prezentat aici câteva aspecte legate de pericolul pe care-l poate avea fasciculul laser asupra diferitelor părți ale corpului uman.

În ultimul timp laserul își are aplicabilitatea în domenii în care lucrează nu numai cadre de specialitate dar și nespecialiștii. De aceea este necesar ca înainte de a lua contact direct cu dispozitivele care utilizează laseri, să fie cunoscute urmările și pericolul pe care-l poate produce manipularea necorespunzătoare a fasciculului laser.

=== capitolul 6 ===

Capitolul 6

CONCLUZII

6.1 STADIUL REALIZĂRILOR ÎN DOMENIU

Avantajele prelucrării cu laser a materialelor, în comparație cu mijloacele clasice, sunt următoarele:

– se poate prelucra o gamă largă de materiale (dure, fragile sau refractare), se pot asambla metale diferite care se sudează greu prin procedeele convenționale;

– fasciculul laser nu exercită o forță fizică asupra piesei de prelucrat și aceasta nu intră în contact cu alte materiale, evitându-se astfel orice contaminare;

– zona afectată termic în preajma incidenței fasciculului laser cu piesa este mică;

– nu este necesară prelucrarea în vid;

– se pot realiza tăieri foarte înguste și găuriri cu diametre extrem de mici, iar prelucrarea poate fi începută în orice punct al piesei, nu numai la marginea sa;

– cantitatea de energie ce cade pe piesă poate fi controlată precis în timpul operației, întregul ansamblu fiind ușor adaptabil automatizării;

– fasciculul laser poate pătrunde în incinte vidate sau cu gaze, în zone inaccesibile sau chiar în materiale încapsulate;

– se pot executa, pe aceeași instalație, cu dispozitive optice speciale, mai multe prelucrări simultan;

– se pot asigura poziționări precise ale pieselor în fața fasciculului laser, ce permite focalizări exacte, rezultând prelucrări de precizie foarte ridicată.

Avantajul plasmatroanelor laser decurge din particularitățile procedeului laser de inițiere și de menținere a plasmei.

Plasma laser poate fi produsă la distanțe considerabile în raport cu elementele de focalizare a radiației. Aceasta permite realizarea de operații tehnologice curate și asigură inițierea plasmei în locuri greu accesibile.

Un alt avantaj decurge din faptul că, în cazul focalizării puternice a radiației, pot fi inițiate plasme în volume mici ( 1mm3), și, prin aceasta, se poate asigura, în mod controlat, localizarea interacțiunii plasmă-solid.

Se remarcă, de asemenea, că sub acțiunea radiației laser există posibilitatea de a produce plasmă într-o mare varietate de gaze și de a extinde intervalul de temperaturi ale acesteia. Pe lângă aceasta, o dată cu micșorarea lungimii de undă crește valoarea densității critice a electronilor și se asigură condițiile pentru încălzirea plasmei până la temperaturi mult mai ridicate.

Din punctul de vedere al prelucrării laser a materialelor, o primă și esențială cerință a părut a fi aceea de a găsi și implementa regimuri de iradiere care să prevină formarea plasmei în apropierea suprafeței prelucrate. Această cerință este deosebit de accentuată în cazul proceselor tehnologice lacare este necesar un grad ridicat de localizare a interacțiunii laser, obținută prin focalizarea puternică a fasciculului de lumină.

6.2 STUDIU DE CAZ- LASERUL CU SEMICONDUCTORI

Laserul cu semiconductori este o alternativǎ ieftinǎ si fiabilǎ la laserii cu gaz. Mǎrimile reduse, costurile mici de fabricatie și utilizare cat și longevitatea lor confera diodelor atuuri importante în “lupta” cu celelalte dispozitive de emisie laser. Singurele dezavantaje fiind puterile relativ mici si fragilitatea, diodele sunt si vor fi cercetate extensiv pentru a fi imbunatatite. Pentru noi este important sa intelegem cum functioneaza un astfel de dispozitiv, la ce este folosit si încotro se indreapta cercetǎrile pentru a ne familiariza inca de pe acum cu acest tip de laser pe care il vom intalni din ce in ce mai des in viata noastra de zi cu zi. Este important sa cunoastem pericolele pe care le aduce cu sine o dioda laser precum si factorii care pot perturba buna functionare a acesteia pentru a sti cum sa ne aparam si cum sa o protejam.

Laserul cu semiconductori este un domeniu ale carui orizonturi abia acum ni se deschid, cu un viitor sigur si cu implicatii puternice in viata de zi cu zi.

6.3 perspective În tehnologia laser

Mai întâi are cuvântul academicianul N. G. Basov. „Fasciculul laser — scrie acesta într-un articol dedicat tehnologiei laser — este o sursă termică unică, capabilă să încălzească porțiunea iradiată până la temperaturi înalte, într-un timp atât de scurt încât căldura nu reușește să se „scurgă" din locul dat. Porțiunea încălzită poate fi astfel înmuiată, recristalizată, topită sau, în fine, evaporată. Dozând aportul termic prin reglarea puterii și a duratei radiației laser, se poate realiza practic orice regim de temperatură și, deci, diferite tipuri de prelucrare. Încălzirea cu ajutorul laserului se folosește pentru călirea suprafețelor metalelor și pentru alierea de metale, pentru topire în cazul sudării, pentru topire și evaporare cu eliminarea vaporilor în cazul tăierii și al găuririi".

Principalele avantaje ale prelucrării metalelor cu ajutorul laserului sunt următoarele:

– varietatea proceselor de prelucrare posibile și a materialelor: prelucrate (inclusiv materiale care, în general, nu se pot prelucra mecanic);

– viteza ridicată de efectuare a operațiilor de prelucrare;

– posibilitatea de automatizare a operațiilor și, ca urmare (corelat și cu punctul precedent), creșterea substanțială a productivității muncii;

– înalta calitate a prelucrării (în ceea ce privește rezistența cordoanelor de sudură, netezimea tăieturilor, absența impurităților pe suprafața prelucrată);

– posibilitatea unor prelucrări de înaltă precizie;

– selectivitatea (alegerea după dorință) a modului de acționare atunci cînd se prelucrează numai unele porțiuni dintr-o suprafață, porțiunile vecine nefiind atinse de operațiunea respectivă;

– posibilitatea de realizare a prelucrării materialelor de la distanță;

posibilitatea realizării unei serii de operații unice.

Totuși, vorbind despre perspectivele tehnologiei laser, trebuie să atragem atenția nu numai asupra avantajelor, ci și asupra deficiențelor acesteia.

Asemenea deficiențe există. Cele mai importante sunt: coeficient de lucru util scăzut, insuficienta siguranță în funcționare a laserilor puternici, costul ridicat al instalațiilor laser. Dezvoltarea pe mai departe a tehnologiei laser depinde în mare măsură de rapiditatea cu care se va reuși să se înlăture aceste dificultăți.

Radiația laser nu este remarcabilă numai prin coerență, ci prin posibilitatea de concentrare neobișnuit de mare a energiei luminoase în spațiu. În afară de laserii de mică putere cu heliu-neon (puterea acestora este doar de ordinul a 10-3—10-2 wați), există laseri puternici cu bioxid de carbon, care generează continuu o putere luminoasǎ de ordinul a 1kW și chiar mai mult. Sǎ presupunem diametrul fasciculului luminos al unui asemenea laser de putere este de ordinul a 1 mm. Atunci intensitatea fasciculului laser va reprezenta 105 W/cm2. O astfel de intensitate este suficientă pentru a topi multe metale. Pentru comparație vom observa că intensitatea medie a luminii solare în apropierea suprafeței Pământului este doar de 0,1 W/cm2.

Folosind focalizarea se poate crește încă și mai mult intensitatea radiației laser. După cum am mai spus, înaltul grad de coerență permite focalizarea razelor laser într-o pată luminoasă cu diametrul de ordinul lungimii de undă a luminii. La o putere luminoasă de 1 kW și la o focalizare a fasciculului într-o pată cu diametrul,de 30 m se obține o intensitate de ordinul 1010 W/cm2. Asemenea intensități se realizează în realitate prin utilizarea laserilor actuali de mare putere cu funcționare continuă. Acestea reprezintă intensități uriașe: ele permit nu numai topirea, ci chiar evaporarea diferitelor materiale.

În istoria științei, laserul va rămâne fără îndoială ca una dintre invențiile care au luminat cel mai bine zonele de umbră ce dominǎ încă o umanitate lansată în cucerirea rațiunii. Foarte rar o descoperire de fizicǎ fundamentalǎ a suscitat o asemenea admirație în marele public.