Fakta om laser

Den enkla förklaringen

principle

En laser är en optisk strålkälla som koncentrerar ljusstrålar till en hög intensitet. Den energirika ljusstrålen kan ha olika egenskaper beroende på vilken våglängd den har. Våglängden beror på vilket lasermedium som används. Lasermediet är oftast det som ger lasern sitt namn, så som koldioxidlaser.

Vid bearbetning i material är det viktigt att strålen är parallell samt att laser sänder ut en ljustråle som har en bestämd våglängd. Om ljuset fokuseras kan brännfläcken bli mycket liten. För att få en större fläck kan strålen defokuseras. Detta kan utnyttjas och på så vis möjliggöra olika typer av processer så som svetsning, skärning och märkning. Det leder även till att det blir en liten värmepåverkan på materialet och ger inga eller mycket små deformationer.

För att komma åt på områden som är svårtillgängliga kan utrustning för att länka strålen användas. Laserljus påverkas inte av elektriska eller magnetiska fält till skillnad från plasmastråle eller elektronstråle. För att länka strålen kan speglar eller en optisk fiberkabel användas, beroende på vilken våglängd ljuset har.

Vid val av laser och optik skall lasermediet/våglängd samt effekt och storlek på brännfläcken tas hänsyn till.

För de vetgiriga

 

Laser_theory1

Bild 1

 

Laser_theory2

Bild 2

 

Laser_theory3

Bild 3

 

Laser_theory4

Bild 4

 

Laser_theory5

Bild 5

 

Laser_theory6

Bild 6

En laser är en optisk strålkälla. Den kan ge strålning inom det ultravioletta, det synliga eller det infraröda området. En viss lasertyp är oftast begränsad till att stråla på en bestämd våglängd som bestäms av lasermediet. Lasermediet består av ett material som har förmågan att förstärka ljus eller strålning av en bestämd våglängd (se bild 1). Förmågan att förstärka ljus ger de två första bokstäverna i ordet laser ‑ Light Amplification.

Genom att placera två parallella speglar på var sin sida om lasermediet kan man få ljus, som går vinkelrätt mot speglarna, att studsa fram och tillbaka. De förstärks vid varje passage genom lasermediet. För att lasern skall kunna släppa ut någon laserstråle är den ena spegeln utkopplingsspegeln, delvis genomskinlig. Strålens riktning bestäms av speglarna. (se bild 2)

I princip kan alla atomer, molekyler och joner förstärka ljus. Det gäller bara att få atomerna, jonerna eller molekylerna i rätt "tillstånd". En titt på de processer som är inblandade då optisk strålning växelverkar med materia behövs för att kunna bestämma vad som menas med tillstånd. I fortsättningen kommer dock bara atomer att nämnas, men samma resonemang gäller för joner och molekyler.

Då optisk strålning faller in mot en samlig atomer kan en foton absorberas genom att en av atomerna får en högre energi. Atomen "lyfts upp" till en högre energinivå. (En foton är det minsta energipaket ljuset kan ha.) Villkoret för att absorptionen skall kunna äga rum är att energiskillnaden mellan de två nivåerna är lika stor som fotonens energi. Fotonens energi beror på ljusets våglängd. Absorptionen sker alltså vid en bestämd våglängd. (se bild 3)

Om en atom befinner sig i det övre energitillståndet kan den spontant falla ner till det lägre tillståndet. Genom att sända ut en foton gör den sig av med sin överskottsenergi. Fotonen har en våglängd som motsvarar energiskillnaden mellan de två nivåerna. Detta kallas emission eller flourescens. (se bild 4)

Den ur lasersynpunkt intressanta processen kallas stimulerad emission. Om en foton med rätt energi träffar en atom i sitt övre tillstånd kan den atomen stimuleras till att sända ut en ny foton som har samma våglängd, fas och riktning som den ursprungliga fotonen (se bild 5). Denna stimulerade strålningsemission har givit de tre sista bokstäverna i ordet laser ‑ Stimulated Emission of Radiation.

Det var Einstein som påvisade att det förhåller sig på det här sättet. Han visade dessutom att sannolikheten för absorption och stimulerad emission är lika stor. För att uppnå förstärkning krävs det därför att det finns fler atomer i det högre tillståndet än i det lägre (kallad inverterad population). Det är en onaturlig företeelse men kan upprätthållas med diverse knep. All laserkonstruktion går därför ut på att åstadkomma en ansamling av atomer på en hög energinivå, för att på så vis kunna utnyttja den stimulerade emissionen för att skapa sig en ljusförstärkare.

Pumpning

I normala fall finns det alltid fler atomer i ett lägre energitillstånd jämfört med ett tillstånd med högre energi. Genom att använda fler av energitillstånden hos en atom kan man dock få flera atomer i ett högre energitillstånd än i ett lägre. Det kallas för populationsinversion. Genom att tillföra energi till atomerna kan man få några atomer i ett högre energitillstånd. Fortfarande finns dock de flesta atomerna på sin grundnivå och man har därför inte uppnått någon populationsinversion mellan nivå 4 (översta nivån) och grundnivån. Atomen "ramlar" sedan ner till nivå 3. Eftersom vi inte tillfört några atomer till nivå 2 kan vi uppnå vår eftersträvade populationsinversion. Om livslängden på nivå 3 är lång och kort på nivå 2 är det dessutom relativt lätt att uppnå denna inversion. För att bibehålla inversionen måste nya atomer hela tiden exiteras till nivå 4. Det brukar kallas att man pumpar upp atomerna till en högre nivå. (se bild 6)

Tillföra energi

Det finns två vanliga metoder för att tillföra energin. Den ena metoden är genom elektrisk urladding i en gas, där gasmolekylerna är det lasrande mediet. Den andra metoden är att lysa på lasermediet med en blixtlampa eller en lampa med kontinuerligt ljus.

De vanligast förekommande lasrarna för bearbetning, nedym‑ och koldioxidlasrarna, är exempel på de båda pumpprinciperna. CO2‑lasern är en gasurladdningslaser och neodymlasern är en optisk pumpad laser (solid-state) som pumpas med t.ex. en blixtlampa eller dioder. I neodymlasern är det jonen Nd3+ som är laseraktiv. Jonen dopas i något fast material, t.ex. YAG (yttrium‑aluminium‑granat med kristallstruktur) eller glas.

Nyhetsbrev