Τα Lasers και οι εφαρμογές τους στα CD
Μέρος 1ο

Άρθρο, του συνεργάτη της σελίδας Μωυσίδη Δημήτρη, Φεβρουάριος 2001

1. Εισαγωγή στα Lasers
2. CD και CD-Players

Εισαγωγή στα Lasers

Σίγουρα ο αιώνας που έφυγε μας άφησε ένα πλήθος τεχνολογικών και επιστημονικών επιτευγμάτων και τέθηκαν οι βάσεις για περαιτέρω ανάπτυξη των ήδη εφαρμοζόμενων, σε όλους τους κλάδους της ζωής του ανθρώπου, ανακαλύψεων. Μια τέτοια ανακάλυψη είναι και το LASER, δηλαδή: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, και στα ελληνικά: Ενίσχυση Φωτός Μέσω Εξαναγκασμένης Εκπομπής Ακτινοβολίας.

Όταν η ακτινοβολία βρίσκεται στο μήκος κύματος των μικροκυμάτων η συσκευή ονομάζεται MASER. Ο όρος LASER αναφέρεται τόσο στην ακτινοβολία όσο και στην συσκευή που την παράγει. Η σημασία της συσκευής αυτής είναι τεράστια και λόγω της ευρύτατης συμβολής της σε πολλούς κλάδους της επιστημονικής έρευνας και λόγω των ποικίλλων επιστημονικών και τεχνικών εφαρμογών της, όπως θα δούμε και παρακάτω.

Αποτελεί πραγματικά πρωτοφανές μέσο επιστημονικής έρευνας, μέσω του οποίου αφενός κατορθώθηκε η πληρέστερη και ακριβέστερη διερεύνηση φαινομένων ήδη γνωστών, μέχρι τόσο μεγάλο βαθμό ώστε τα αποτελέσματα να θεωρούνται πλέον αδιαμφισβήτητα, και αφετέρου ανακαλύφθηκαν νέα σπουδαιότατα φαινόμενα, αμοιβαίας αλληλεπίδρασης φωτός και ύλης.

Εξάλλου οι εφαρμογές του laser είναι ευρύτατες και συνεχώς επεκτείνονται. Αλλά ας εξετάσουμε αναλυτικότερα τη συσκευή αυτή καθώς και την ομώνυμη ακτινοβολία αφού όπως θα δούμε και στη συνέχεια παρουσιάζουν μεγάλο ενδιαφέρον και εμπλέκονται σε πολλά πεδία δράσης, σε ένα από τα οποία εντάσσεται και η ευρύτερη μουσική βιομηχανία.

Η ¨ανακάλυψη¨ του LASER

Μόλις το 1917 ο Albert Einstein, είχε υπολογίσει τις απαραίτητες συνθήκες για να συμβεί η αντιστροφή των πληθυσμών, που είναι και ο κύριος τρόπος παραγωγής ακτινών laser. Έπρεπε να περάσουν όμως αρκετές δεκαετίες μέχρι να παρουσιαστεί η πρώτη πειραματική συσκευή. Το 1954 ο Charles Townes στις ΗΠΑ και, ξεχωριστά, οι Basov και Prokhorov στην ΕΣΣΔ, πρότειναν μια πρακτική μέθοδο παραγωγής laser. Αυτή ήταν με τη χρησιμοποίηση αέριας αμμωνίας και την παραγωγή συντονισμένης ακτινοβολίας στην περιοχή των μικροκυμάτων, δημιουργία δηλαδή του MASER. Για αυτή τους την ανακάλυψη τιμήθηκαν και με το βραβείο Nobel Φυσικής το 1964.

Στα εργαστήρια της Bell στις ΗΠΑ, το 1958, οι Charles Townes και Arthur Shawlow, δημοσίευσαν στο Physical Review, το περιοδικό της American Physical Society, ένα άρθρο που εισήγαγε ένα νέο επιστημονικό πεδίο και άνοιξε το δρόμο σε μια νέα βιομηχανία δολαρίων.

Στο άρθρο αυτό περιγράφονταν οι απαραίτητες συνθήκες και υπολογισμοί για να προκύψει ορατό, πλέον, laser. Η αλήθεια είναι ότι δεν είχαν ουδέποτε διανοηθεί τη μεγάλη επίδραση που θα είχε η ανακάλυψη τους από τις τηλεπικοινωνίες μέχρι τη φαρμακευτική βιομηχανία, απλώς αυτοί επιδίωκαν να σχεδιάσουν μια κατάλληλη συσκευή με την βοήθεια της οποίας θα μελετούσαν καλύτερα τις δομές των μορίων.

Η πρώτη εξαναγκασμένη εκπομπή ακτινοβολίας που κατάφεραν ήταν, όπως αναφέραμε, στη περιοχή των μικροκυμάτων με μήκος κύματος λ=1,25 cm, το 1954 και ύστερα από τετραετή πειραματική προσπάθεια Η πρώτη αυτή, με πολλά πάντως άλυτα προβλήματα, συσκευή ονομάστηκε MASER από τα αρχικά: Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation.

Η συσκευή των Shawlow και Townes φαίνεται στην παρακάτω εικόνα:

Με την αντικατάσταση της λέξης Microwave από τη λέξη Light (φως) προήλθε η ονομασία LASER.

Τελικά το 1960 το πρώτο πραγματικό LASER παρουσιάστηκε από τον Αμερικάνο φυσικό T.Maiman, με τη χρήση του τεχνητού κρυστάλλου του ρουβινίου, ως φορέα των ιόντων Cr από τα οποία εκπέμπεται η ακτινοβολία.

Πιο νωρίς, το ίδιο έτος, ο Αμερικάνος A.Javan, πέτυχε laser με μίγμα των ευγενών αερίων He και Ne, στο οποίο μίγμα, το στοιχείο που φωτοβολεί είναι το Ne. Τη κατασκευή των δύο αυτών πρώτων τύπων laser, τα οποία ακόμη θεωρούνται από τα σπουδαιότερα, με στερεά ή αέρια υλικά , για την περιοχή του ορατού, επακολούθησε ταχύτατα, πλήθος άλλων με διάφορα υλικά, κρυσταλλικά, άμορφα, ημιαγωγούς, υγρά ή αέρια, ενώ η σχετική έρευνα συνεχίζεται με εντατικούς ρυθμούς είτε προς περαιτέρω βελτίωση των γνωστών τύπων, είτε για την πραγματοποίηση νέων.

Τελικά τι είναι αυτό το LASER;

Α.ΟΙ ΦΥΣΙΚΕΣ ΒΑΣΕΙΣ ΤΟΥ LASER:

Οι ενεργειακές στάθμες ενός ατόμου, διαχωρίζονται στις διεγερμένες, με μεγαλύτερη ενέργεια, και στην βασική όπου θεωρητικά το άτομο έχει μηδενική ενέργεια και αυτή είναι και η ιδανική κατάσταση. Ο χρόνος παραμονής στις διεγερμένες στάθμες είναι πολύ μικρός, της τάξης των 10^-8 sec, αν και υπάρχουν και κάποιες διεγερμένες καταστάσεις που ¨ζουν¨ πολύ περισσότερο και λέγονται μετασταθείς.

Η αλλαγή της εσωτερικής ενέργειας ενός ατόμου, ονομάζεται μετάπτωση του ατόμου από την μια ενεργειακή στάθμη στην άλλη. Όταν αυτή είναι υψηλότερης ενέργειας έχουμε διέγερση και αν η τελική στάθμη είναι χαμηλότερα της αρχικής, η μετάπτωση καλείται αποδιέγερση. Η ακραία περίπτωση διέγερσης, όπου η τελική ενέργεια είναι Ε=¥, ονομάζεται ιονισμός.

Οι συνηθέστεροι τρόποι διέγερσης είναι: α)Με ελαστικές κρούσεις μεταξύ ατόμων ή ατόμων με άλλα σωματίδια, β)με απορρόφηση φωτονίων με ενέργεια ίση με Ε=hv (φαινόμενο απορρόφησης συντονισμού), ενώ αποδιέγερση έχουμε είτε με εκπομπή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, είτε με εκπομπή ηλεκτρονίων Auger.

Σαν κατάσταση θερμικής ισορροπίας ορίζουμε την κατάσταση όπου όλα τα τμήματα ενός συστήματος (ατόμου) έχουν την ίδια θερμοκρασία. Έτσι, ένα σύστημα το οποίο δεν υπόκειται σε εξωτερικές δυνάμεις και βρίσκεται σε θερμική ισορροπία, η κατανομή των ατόμων σε ενεργειακές στάθμες ορίζεται από την ενέργεια της στάθμης και από τη θερμοκρασία του συστήματος, σύμφωνα με τον στατιστικό νόμο του Boltzmann:

όπου No είναι το σύνολο των ατόμων του συστήματος, Nn το πλήθος των ατόμων στη στάθμη n ενέργειας E, Τ είναι η απόλυτη θερμοκρασία του συστήματος και k η σταθερά Boltzmann, με k=0,86 X 10^-4 eV. Στα περισσότερα στοιχεία η διαφορά μεταξύ της βασικής στάθμης του ατόμου και στην αμέσως ανώτερη (n=2), είναι της τάξης των 2 eV. Στη συνήθη θερμοκρασία T=300o, είναι: kT=0,026 eV

Επομένως, ανάμεσα στις δύο στάθμες θα ισχύει:

Οπότε βλέπουμε πως για τις συνήθεις θερμοκρασίες, στο εργαστήριο, ο λόγος του πληθυσμού της ενεργειακά υψηλότερης καταστάσεις (Nn) προς τον πληθυσμό της ενεργειακά χαμηλότερης καταστάσεις (Nn-1) είναι μικρότερος της μονάδας. Αυτή είναι και η συνήθης περίπτωση κατά την οποία έχουμε απορρόφηση ακτινοβολίας, ενώ η παρακινούμενη εκπομπή δεν παίζει σημαντικό ρόλο.

Β.ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ:

Το φαινόμενο απορρόφησης συντονισμού φωτονίου κατάλληλης ενέργειας περιγράφεται από την ενεργό διατομή σ. Ο ρυθμός διέγερσης Ν1 από τη βασική στάθμη-1 στην διεγερμένη στάθμη-2, μέσω μιας ροής φωτονίων Φ περιγράφεται από τη σχέση: , με W₁₂=σ₁₂Φ, σ₁₂ η ενεργός διατομή διέγερσης και το αρνητικό πρόσημο περιγράφει την ελάττωση των ατόμων στη βασική στάθμη-1.

Όταν έχουμε ένα δείγμα ατόμων Ν₂ σε μια διεγερμένη στάθμη-2, η αυθόρμητη αποδιέγερση μετασταθούς στάθμης είναι χρονικά τυχαία και τα εκπεμπόμενα ηλεκτρόνια έχουν μεταξύ τους τυχαία διεύθυνση και φάση (Ε-3). Ο ρυθμός της αυθόρμητης αποδιέγερσης δίνεται από τη σχέση: , με Α₂₁ ο συντελεστής Einstein. Ο συντελεστής Einstein συνδέεται με το μέσο χρόνο ζωής της στάθμης-2 με τη σχέση: sec.

Εκτός από τις παραπάνω σχέσεις, υπάρχει και ένα άλλο φαινόμενο που συνδέεται με τη μετάπτωση από τη κατάσταση-2 στην στάθμη-1 όταν στο άτομο "βομβαρδιστεί" με  (E-3) ηλεκτρόνια κατάλληλης ενέργειας, hv=ΔΕ.

Τότε υπάρχει η πιθανότητα το άτομο να εξαναγκαστεί να μεταπηδήσει στην ενεργειακά χαμηλότερη κατάσταση-1. Το φαινόμενο αυτό γίνεται μόνο και μόνο όταν, η ενέργεια του προσπίπτοντος φωτονίου είναι ίση με την ενεργειακή διαφορά των δύο καταστάσεων του ατόμου. Στη περίπτωση αυτή το φωτόνιο αναγκάζει το άτομο να εκπέμψει ένα άλλο φωτόνιο με την ίδια ακριβώς ενέργεια, φάση, κατεύθυνση και πόλωση.

Έτσι λόγω Αρχής Διατήρησης της Ενέργειας, έχουμε εκπομπή δύο ταυτόσημων φωτονίων και την μετάπτωση του ατόμου στην ενεργειακά χαμηλότερη στάθμη. Η διαδικασία αυτή ονομάζεται εξαναγκασμένη αποδιέγερση. Ο ρυθμός, λοιπόν, της εξαναγκασμένης εκπομπής είναι: , με W₂₁ τη πιθανότητα εξαναγκασμένης από-διέγερσης.

Όμως σύμφωνα με τον Einstein είναι W₁₂= W₂₁, οπότε μπορούμε να πούμε πως ένα φωτόνιο μπορεί να προκαλέσει διέγερση ή αποδιέγερση ενός ατόμου, με την ίδια πιθανότητα. Δηλαδή, αν στη κατάσταση Α1 το άτομο απορροφά φωτόνιο γ και μεταπηδά στη κατάσταση Α2: Α_1+γ  --> Α₂ αλλά και: Α_2+γ --> Α_1+γ+γ.

Επειδή ένα φωτόνιο προκαλεί την εκπομπή δύο, έχουμε τελικά παραγωγή σύμφωνης ακτινοβολίας και ενίσχυση του φωτός. Πρέπει ωστόσο να επισημάνουμε ότι το laser αν και μοιάζει πολύ, δεν εκπέμπει μονοχρωματική ακτινοβολία αλλά ψευδομονοχρωματική με πολύ μικρό εύρος συχνοτήτων, όπως φαίνεται και στο σχήμα:

Σχήμα 1. Το εύρος συχνοτήτων Δν είναι πολύ μικρότερο από τη συχνότητα νο όπου εμφανίζεται το μέγιστο της εκπομπής ακτινοβολίας, Δν<<ν, οπότε η διπλανή καμπύλη τείνει στο να γίνει ευθεία (μονοχρω-ματικό φως), χωρίς όμως κάτι τέτοιο ποτέ να συμβεί.

Τα κύρια στοιχεία που συνθέτουν μια συσκευή laser (Ε-4), είναι:

1. Το υλικό που γίνεται το φαινόμενο, το οποίο αποτελείται από άτομα ή μόρια ή ιόντα ή ακόμη και από ημιαγωγικούς κρυστάλλους.
2. Το κατάλληλο μηχανισμό άντλησης που διεγείρει τα άτομα ή μόρια κτλ. Στην ενεργειακά υψηλότερη κβαντική κατάσταση.
3. ¨Ένα οπτικό σύστημα ενίσχυσης, αποτελούμενο από 2 καθρέπτες, με τη μέγιστη δυνατή ανακλαστικότητα για τον ένα καθρέπτη.

(Ε-4). Περιγραφή της λειτουργίας του laser.Το ενεργό υλικό περιέχεται μέσα στην κοιλότητα. Μια εξωτερική πηγή ενέργειας διεγείρει τα άτομα. Τα δυο παράλληλα κάτοπτρα προξενούν την απαραί-τητη οπτική ανατρο-φοδότηση για την παρα-κινούμενη εκπομπή.

Όπως προκύπτει και από τα παραπάνω, προκειμένου το laser να λειτουργεί ως ενισχυτής και όχι ως απορροφητής συντονισμού, πρέπει να δημιουργηθεί μια κατάσταση μη-ισορροπίας.

Μια τέτοια κατάσταση είναι και η αντιστροφή πληθυσμού δηλαδή να έχουμε περισσότερα άτομα σε διεγερμένη κατάσταση από όσα σε ενεργειακά χαμηλότερη. Αυτονόητο είναι ότι δεν αρκεί να αποκατασταθεί μόνο η αντιστροφή πληθυσμού, αλλά πρέπει να διατηρείται σταθερή ώστε και η εκπομπή να είναι σταθερή. Έτσι, για να υπάρξει αυτή η κατάσταση θα πρέπει να δοθεί ενέργεια στο σύστημα, αλλιώς τα άτομα θα ακτινοβολήσουν τη περίσσεια ενέργεια και μεταβαίνοντας στη θεμελιώδη κατάσταση, θα σταματήσουν την εκπομπή ακτινοβολίας. Έτσι τα άτομα μπορούν να κερδίσουν ενέργεια με κρούσεις από ηλεκτρόνια σε ηλεκτρικές εκκενώσεις ("ηλεκτρονική άντληση") ή φωτίζοντας το laser με κάποια άλλη πηγή ("οπτική άντληση").

Οι πηγές αυτές είναι οι λεγόμενες ¨πηγές αντλήσεως¨ και ο μηχανισμός με τον οποίο έχουμε την αντιστροφή ονομάζεται ΄μηχανισμός αντλήσεως¨. Ένας συνήθης τέτοιος μηχανισμός, χρησιμοποιεί ενεργειακά ηλεκτρόνια και εφαρμόζοντας μια σχετική υψηλή διαφορά δυναμικού μεταξύ των δύο ηλεκτροδίων που βρίσκεται το laser (Ε-5), προκαλείται ηλεκτρική εκκένωση. Τα ηλεκτρόνια της εκκένωσης συγκρούονται με τα άτομα και τα διεγείρουν σε υψηλότερες ενεργειακές καταστάσεις.

Ε-5. Διάταξη συσκευής laser

Προκειμένου, τώρα, ο αριθμός των ατόμων στη κατάσταση-2 να διατηρηθεί πολύ μεγαλύτερος από αυτόν στη σταθμη-1, το laser πρέπει να είναι έτσι σχεδιασμένο ώστε τα άτομα να ανεβαίνουν από τη    χαμηλότερη ενεργειακή στάθμη-1 πίσω πάλι στην στάθμη-2 όσο το δυνατόν γρηγορότερα.

Αυτό προϋποθέτει σε κάθε περίπτωση ο μέσος χρόνος παραμονής στη στάθμη-1 να είναι πολύ μικρός και πολύ μικρότερος από το χρόνο αποδιέγερσης του ατόμου. Στη περίπτωση που η στάθμη-1 είναι και η βασική στάθμη του ατόμου, έχουμε laser τριών-σταθμών (Ε-6), ενώ στην αντίθετη περίπτωση λέμε ότι το laser είναι τεσσάρων-βαθμών (Ε-7).

E-6. Ενεργειακό διάγραμμα laser Cr τριών-βαθμών με οπτική άντληση στα 550 nm. 4-σταθμών, που έχουν σχέση με τη λειτουργία του laser.

Η διέγερση της στάθμης Α3 του He στα 20,61eV γίνεται με βομβαρδισμό ηλεκτρονίων. Η μετάπτωση laser είναι μεταξύ των καταστάσεων Α2 και Α1 και εκπέμπεται φως στα 1,96eV.

Ε-7. Ενεργειακές στάθμες laser He-Ne.

Στο laser ρουβινίου και γενικά σε όλα όσα ο κύκλος αντλήσεως-εκπομπής περιλαμβάνει τρεις σταθμούς ενέργειας, η κατώτερη στάθμη του ζεύγους είναι η βασική του ατόμου, η οποία είναι υπό κανονικές συνθήκες είναι πλήρης. Ως εκ τούτου, καταναλώνεται μεγάλο ποσό ενέργειας για την άντληση της μισής ποσότητας των ατόμων της στάθμης αυτής, ώστε το υλικό να έλθει σε κατάσταση αντιστροφής πληθυσμού.

Υλικά στα οποία η χαμηλότερη στάθμη του ζεύγους εκπομπής της ακτινοβολίας laser, δεν είναι η βασική, αλλά ανώτερη που επομένως σε κανονικές συνθήκες δεν είναι πλήρης, απαιτούν μικρότερα ποσά ενέργειας για την αντιστροφή πληθυσμού. Τα laser που χρησιμοποιούν τέτοια υλικά ονομάζονται laser τεσσάρων-βαθμών. Τέτοια υλικά είναι εκείνα στα οποία τα άτομα έχουν την εξωτερική στιβάδα και μια από τις εσωτερικές μη πλήρη ηλεκτρονίων, όπως είναι τα άτομα ή τα ιόντα των μεταστατικών μετάλλων, των σπάνιων γαιών και των ενώσεων ουρανίου.

Εκτός από τα laser He-Ne (Ε-8), υπάρχουν διάφορα άλλα είδη που χρησιμοποιούν πληθώρα υλικών και το καθένα αποσκοπεί σε διαφορετικά αποτελέσματα. Έτσι τα πιο γνωστά είδη συσκευών laser είναι:

1. Laser Ιόντων Αργού
2.Χημικά laser
3.Laser Χρωστικής
4.Laser κρυστάλλων (πχ, κρυστάλλων σαπφείρου με προσμίξεις ιόντων τιτανίου)
5.Laser διοξειδίου του άνθρακα
6.Laser νεοδυμίου με προσμίξεις υττρίου-αλουμινίου γρανάτη (YAG)
7.Laser ημιαγωγών.

Γ. ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΩΝ LASER:

Οι ποικιλότατες εφαρμογές του laser,καθαρώς επιστημονικές και πρακτικές, μπορούν να υπαχθούν στις εξής ευρείες κατηγορίες:
1. Στην επιστημονική έρευνα
2. Στη μετάδοση πληροφοριών
3. Σε τεχνολογικούς και πολεμικούς σκοπούς
4. Στην ιατρική

Αξίζει να αναφέρουμε ότι οι επιστημονικές εφαρμογές διαχωρίζονται σε δυο βασικές κατηγορίες: α)σε εκείνες στις οποίες έχει σημασία η ¨ποιότητα¨ του φωτός (μονοχρωματικότητα, συμφωνία κυμάτων) και β)σε εκείνες για τις οποίες έχει σημασία η πυκνότητα της ενέργειας της φωτεινής δέσμης.

Οι πιο συνηθισμένες και γνωστές εφαρμογές των laser αφορούν την ολογραφία, την παραγωγή δηλαδή ολογραμμάτων, και τη τηλεμετρία, επίγεια αλλά και όσο αφορά τη Σελήνη. Τα laser χαμηλής ισχύος He-Ne, καταγράφουν αυτόματα τα είδη που αγοράζουμε στα ταμεία των πολυκαταστημάτων ¨διαβάζοντας¨ τους κωδικούς (τις σειρές με τις μπάρες) που αναγράφονται στη συσκευασία των διάφορων προϊόντων. Επίσης υπάρχουν τεράστιες εφαρμογές στους Η/Υ, στις επικοινωνίες, στην φασματοσκοπία αλλά και στην ιατρική. Οι ιατρικές εφαρμογές του laser εκμεταλλεύονται το γεγονός ότι διαφορετικά μήκη κύματος απορροφώνται κατά διαφορετικό τρόπο από διαφορετικά είδη έμβιας ύλης. Η χειρουργική με laser είναι πλέον πραγματικότητα και χάρη σ' αυτό αποφεύγονται πολλές επώδυνες και επικίνδυνες εγχειρήσεις.

Επιπλέον, όμως, τις τελευταίες δύο δεκαετίες έχει μπει πλέον στη ζωή μας το CD (Compact Disk), το οποίο έχει φέρει πραγματική επανάσταση στην μουσική βιομηχανία, αλλά και στην οικονομική και κοινωνική ζωή του πλανήτη. Το CD βέβαια οφείλει την ύπαρξη του αποκλειστικά στα laser, εφόσον πάνω σ' αυτά βασίζεται η λειτουργία του. Μετά το CD, βέβαια δημιουργήθηκαν τα CD-ROM, τα DVD αλλά και τα CD-R, των οποίων τη λειτουργία και σημασία θα προσπαθήσουμε να εξηγήσουμε στη συνέχεια.

Συνέχεια στην ιστοσελίδα: "CD και CD-Players" Μέρος 2ο