Fizica in comunicatii - laserii

FIZICA IN COMUNICATII

Laserii

Laserii Dispozitive pentru amplificarea sau generarea undelor electromagnetice din domeniul optic pe baza efectului de emisiune fortata a sistemelor atomice care permite o concentrare a energiei corespunzatoare unei temperaturi de zeci de mii de grade.

Scurt istoric: In anii 1916 si 1917,Albert Enstein si-a continuat studiile asupra fizicii luminii aratind ca moleculele energizate corespunzator emit lumina de o singura culoare,monocromatica.

In 1951 Charles Townes si-a propus sa produca microunde mai puternice cu ajutorul unui oscillator foarte mic. Lui Townes i-a venit ideea ca moleculele de amoniac ar avea dimensiunile corespunzatoare pentru a vibra cu viteza necesara. El a construit primul dispozitiv care amplifica microundele prin emisie stimulata de radiatie si numea acest dispozitiv MASER dupa initialele procesului (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation.)

Atit Townes cit si alti oameni de stiinta s-au gindit ca acelasi principiu putea fi utilizat si la amplificarea luminii, desi problemele de ordin tehnic erau mai dificile.

Biroul de brevete a acordat un credit pentru conceperea unui dispozitiv de amplificare a luminii prin emisie stimulata de radiatie, unui student licentiat de la Universitatea Columbia,Gordon Gould,care a prezentat proiectul unui LASER pe 11 nov. 1957. In ciuda brevetului primit, se considera ca primul laser utilizabil a fost construit de Theodore Harold Maiman, in mai 1960 (laser cu rubin ).

Laserii sunt dispozitive cuantice de emisie si amplificare a radiatiei in regiunile optica si cea a microundelor ce isi bazeaza functionarea pe interactiunea a doua sisteme fizice:campul electromagnetic dintr-o cavitate rezonanta si mediul activ situat in aceeasi cavitate rezonanta, format din atomi, ioni, molecule etc.

Prin excitarea mediului printr-un procedeu oarecare (ciocniri electronice,transfer rezonant de energie, reactii chimice, campuri electrice si magnetice) in mediul excitat se acumuleaza o mare cantitate de energie electromagnetica,care in anumite conditii poate fi eliberata prin emisie stimulata,sub forma radiatiei laser.

Clasificarea laserilor se poate face dupa:

natura mediului activ (solid, lichid, gazos);

puterea emisa;

domeniul de lungimi de unda al radiatiei emise;

modul de functionare(continua sau in impulsuri);

Laseri cu mediu activ solid

Laserul cu rubin ( cu impuritati de Cr),laser cu trei nivele,emite o radiatie cu lungimea de unda de 6943A.

Laserul cu patru nivele ,laserul cu ioni de neodim introdusi ca impuritati in cristalul de .

Laserul cu sticla dopata cu neodim.

Acesti laseri lucreza in general in impulsuri de ordinul milisecundelor eliberand energii cuprinse intre 0,1 si 100 J. Laserii cu mediu activ solid pot fi folositi pentru obtinereaimpulsurilor optice ultrascurte, cu intensitate de milioane de wati pe durate de ordinul nanosecundelor.

Laserii cu semiconductori

La aplicarea unei tensiuni electrice pe o jonctiune p-n, are loc injectia de purtatori in jonctiune,recombinarea  electronilor cu golurile facandus-e cu emisie de fotoni.

Mediile active cele mai folosite pentru laserii cu semiconductori sunt: GaAs, GaAlAs , GaP, InSb.Liniile emise de diferitii laseri cu semiconductori se intind intre 0,3-30 micrometri.

Laserii cu gaz

Functie de natura chimica a mediului activ, laserii cu gaz se impart in trei categorii:

1.     Laserii atomici au ca mediu activ gaze in stare atomica provenite din substante monoatomice sau poliatomice prin disociere (laserul cu heliu-neon, cu oxigen, cu azot). Acesti laseri emit linii situate in infrarosu si vizibil.

2.     Laserii ionici isi bazeaza functionarea pe tranzitiile electronice dintre nivelele ionice ale substantelor ionizate (laserul cu argon ionizat, cu hologeni, cu azot, etc.). Acesti laseri emit linii in principal in vizibil si ultraviolet.

3.     Laserii moleculari au ca mediu activ un gaz in stare moleculara sau vapori:  Liniile emise de acesti laseri se gasesc in majoritate in infrarosu dar sunt cunoscute si in vizibil.

Laserii cu lichid.

Laserii cu lichid cei mai cunoscuti sunt cei cu chelati organici si cei cu coloranti.

Mediul activ pentru laserii cu coloranti este format de o substanta fluorescenta dizolvata intr-un solvent (alcool).

Largimea spectrala a radiatiei emise este de ordinul sutelor de angstromi, putind fi selectata lungimea de unda dorita, deci laserul este acordabil intr-o banda larga.

Utilizari:

Laserii de diferite tipuri si-au gasit aplicabilitate in domenii foarte variate,de la parcurile de distractii la armament.Deoarece laserii produc fascicule de lumina de mare energie,cu lungimi de unda specifice si care nu devin divergente atat de repede ca razele naturale de lumina, ei pot fi utilizati pentru a transfera energia intr-un anumit punct, precis determinat.

Principalele domenii ale ingineriei in care se aplica laserul sunt:

holografia si interferometria holografica;

comunicatiile optice;

calculatorul si optica integrata;

producerea si diagnosticarea plasmei;

separarea izotopilor;

realizarea standardelor de timp si lungime;

telemetria si masurarea de viteze;

alinieri si controlul masinilor unelte;

masurari de profile si nivele;

controlul automat al masinilor;

incalzirea materialelor fara schimbare de faza;

topirea si sudarea metalelor;

vaporizarea si depunerea de straturi subtiri;

fotografia ultrarapida;

fabricarea si testarea componentelor electronice;

Una dintre primele aplicatii ale laserului a fost taierea si sudarea, atat in industrie cat si in practica medicala (in chirurgie, oncologie, stomatologie, dermatologie, oftalmologie si endoscopie).

Cei ce se ocupa de industria militara spera sa poata utiliza puterea de taiere si ardere a laserilor la arme. Iar altii, in ideea de a crea noi surse energetice ale viitorului, incearca sa conceapa dispozitive cu laser pentru a declansa reactia de fuziune a hidrogenului.

Deoarece devin foarte incet divergente, fascicolele laser pot fi folosite pentru determinarea gradului de planeitate a unei suprafete.Fermierii au intrebuintat laserii pentru a se asigura ca ogoarele lor sunt plane, ceea ce le permite sa le protejeze de eroziune.

De asemenea, laserii fac parte integranta din actuala revolutie optica.Aceasta presupune inlocuirea dispozitivelor electronice cu dispozitive fotonice. Dispozitivul fotonic utilizeaza fotoni in loc de electroni, iar laserii sunt surse excelente de fotoni pentru multe aplicatii. Desi principalele dispozitive fotonice aflate in prezent in uz sunt retele de fibre optice de lunga distanta, multi oameni de stiinta prevad aparitia in curand a computerelor fotonice.

Printre cele mai bizare se afla utilizarea unor fascicule laser care se intersecteaza pentru a determina atomii aflati in punctual de incrucisare sa stea pe loc. Printre cele mai obisnuite este folosirea interferometriei laser pentru a localiza pozitiile exacte de pe Pamant; de exemplu exista posibilitatea ca laserii sa detecteze microdeplasarile scoartei terestre care preced cutremurile. Interferometrul poate fi ales ca instrument de detectare a distanteor mici, de exemplu el poate detecta micile variatii de grosime ale lentilelor.

Utilizind o combinatie de laseri sau radar si interferometru, vehiculele cosmice se pot autoghida cu mare precizie prin vastele spatii interplanetare.