A lézerek fajtái, felépítésük, működésük, alkalmazásuk

Az aktív közeg és a lézerek 4 főfajtája

1. A szilárd halmazállapotú lézerekben, egy szilárd rácsszerkezetben elosztott aktív közeg van. Egy példa erre a rubinlézer, amelyben pontos mennyiségű krómmal egyenletesen szennyeznek egy kristályos alumíniumoxid-rudat. A rubinlézer 694,3 nm hullámhosszú fényt bocsát ki, ez a hétköznapok mélyvörös színének felel meg.

2. A folyadéklézer még viszonylag új, az aktív közege többnyire egy komplex szerves festék. A folyadéklézerek legmeglepőbb tulajdonsága a “hangolhatóságuk”. A festék és koncentrációjának helyes megválasztásával bármilyen hullámhosszú fény előállítható a látható spektrumban vagy a közelében.

3. A gázlézereknél üvegcsőbe töltött gázt vagy gázkeveréket használnak. A gyakori gázlézerek, közé tartozik, a hélium-neon lézer, aminek a hullámhossza elsősorban 632,8 nm (világos piros). Vízgőz használatával a kibocsátott fény még az infravörös tartományba is beállítható. Technológiai szempontból a CO2 lézernek kitüntetett figyelmet szentelünk, a relatíve nagynak mondható 10-20%-os hatásfokával és a 100-1011 W teljesítményével. A CO2 lézer esetén c/f=10.6 mikron, ami már az infravörös hullámtartományban van, így szabad szemmel nem látható.

4. A félvezetőlézerek nem tévesztendők össze a szilárd halmazállapotú lézerekkel. A félvezetőeszközök két egymásra rétegelt félvezetőanyagból állnak. Az egyik anyag elektrontöbblettel rendelkezik, a másik elektronhiánnyal. A félvezetőlézer két kiemelkedő tulajdonsága a nagy hatékonysága és a kis mérete. Az átlagos félvezetőlézerek a piros és infravörös tartományokban dolgoznak. A félvezetőlézerek fénykibocsátása a PN-átmenetben történik, aminek hatására elektronok ugrálnak át a vezetési sávból a vegyértéksávba.

Szilárdtest és folyadék lézerek

E lézerekben a fényerősítő közeg optikailag jó minőségű kristály- vagy üveganyag, illetve folyadék. Az inverzió létrehozásához szükséges szelektív gerjesztés kizárólag fénybesugárzás útján valósítható meg. Ezek a lézerek többnyire impulzus üzemben dolgoznak, de egyes esetekben megvalósítható a folyamatos üzem. Működési sávszélességük a gázlézerekhez viszonyítva nagy. A folyadéklézerek és néhány szilárdtest-lézerfajta fontos sajátossága a hangolhatóság; a működési hullámhossz folyamatos változtathatósága.

Rubin lézer

A rubinlézer történetileg az első megvalósított koherens fényforrás. Fényerősítő anyaga, a rubinkristály jól ismert, ékszerekben és órákban gyakran találkozhatunk vele. Mesterségesen elő tudják állítani, viszonylag nagy méretekben és jó optikai minőségben. A rubinkristály a ráeső fényből a kék és zöld színt erőteljesen elnyeli, a visszasugárzott, ún. fluoreszcencia fénye két keskeny sötétvörös színkép vonalból áll.

Festék lézer

A festéklézerek aktív anyaga szerves festékanyagok híg oldata. Az oldószer víz, etanol, stb. lehet. A működési tartomány felöleli a közeli ultraibolya, a látható és a közeli infravörös tartományt. (300 – 1300 nm).

Gázlézerek

E lézercsaládban a fényerősítő közeg gáz vagy gőz, a speciális gerjesztést rendszerint elektromos gázkisülésben valósítják meg. A viszonylag kis atomsűrűségek miatt a fényerősítő közeg hosszmérete általában a méteres nagyságrendbe esik, a fényerősítés nem túl nagy. A gázlézerek egy része folyamatos üzemmódban működik (He-Ne, Ar-lézer), másik része csak impulzus üzemben (N2-lézer), de vannak olyan típusok is melyek mindkét üzemmódban is működtethetők(CO2-lézer). A kisugárzott fényteljesítmény, és a hatásfok nem túl nagy, a szilárdtest lézerekhez képest, de a lézer nyaláb tulajdonságai igencsak kedvezőek.

Hélium-neon lézer

A legismertebb, legolcsóbb és legjobban elterjedt lézertípus. Több hullámhosszon is működhet, de főként a 633nm-es élénkvörös lézerátmenetet használják.

A fényerősítés a néhány mm átmérőjű, 30-120 cm hosszú üveg kapillárisban jön létre, kisnyomású hélium-neon-gázkeverékben keltett egyenáramú gázkisülés hatására. A rezonátorban speciális kis veszteségű tükröket alkalmaznak. A kilépő fénynyaláb átmérője 1-2 mm. A nagy pontosságú He-Ne lézereket az ipari és laboratóriumi méréstechnikában használják, az egyszerűbb típusokkal a fizika órákon, nagyáruházak vonalkód leolvasó pénztárgépeiben, útépítők iránykitűző műszereiben találkozhatunk. Maximális kinyerhető teljesítménye, igen alacsony, kb. 50 mW. Hatásfoka 1-2%.

Argonionlézer

A nemesgázion-lézerek a színkép látható és közeli ultraibolya tartományában sugároznak. Legismertebb képviselője az argon-ion lézer, mely a hélium-neon lézernél, kb. százszor nagyobb teljesítményt, sugároz. Felépítése a hélium-neon lézernél lényegesen bonyolultabb. Fényerősítő közege kis nyomású argongáz, melyet 30-50A es egyenárammal gerjesztenek. A nagy áramterhelés miatt a lézercső kapillárisa grafitból vagy berillium oxidból készül.

Erős vízhűtésre, tengely irányú mágneses térre, és a rezonátoron belül egy prizmára is szükség van. Ez utóbbival lehet állítani a működési hullámhosszt. A fényerősítés egyszerre több vonalon is fellép, a legerősebbek az 515 nm (zöld), és a 478 nm (kékes zöld) lézerátmenetek. Ezen hullámhosszon akár több watt fényteljesítmény is kivehető. Hatásfoka 1-2 %. Az argonlézer néhány wattos fényteljesítménye az optikai tartományban már igen jelentősnek mondható. Fehér felületen szóródó fényét a szem kibírhatatlanul vakítónak érzékeli, a sötétebb ruhát a véletlenül ráeső sugár egy pillanat alatt átégeti. Sokoldalú használhatósága miatt nagyon sokan használták az elmúlt 10-20 évben, de manapság, már hasonló teljesítményt sokkal, jobb hatásfokkal el tudnak érni a félvezető lézerekkel, így a gázlézerek ideje lassan lejárt, bár még orvostechnikában, gyógyászatban ma is sok helyen használnak speciális gázlézereket.

Szén-dioxid lézer

Ez a lézer nem annyira a szépségével, mint inkább sokarcúságával tűnk ki. Fényerősítő közege szén-dioxid és nitrogéngáz keveréke, melyhez többnyire héliumot vagy vízgőzt is kevernek. Számos – egymástól felépítésben és sajátosságban igen különböző – típusa van, a fényerősítés keletkezési mechanizmusa azonban mindegyikben lényegében azonos, a He-Ne lézeréhez hasonló. Ez a lézerfajta 1 m hossz mellett kb. 50W folytonos teljesítményt ad. Az egyszerűbb konstrukciókat az anyagmegmunkálásnál és a sebészetben használják. Több méteres rezonátor esetében akár 1kW-os teljesítmény is kivehető egy ilyen lézerből, viszonylag jó 10%-os hatásfokkal.

Leginkább ipari technológiában alkalmazzák, anyagmegmunkálásra.. 5-10kW-os teljesítményeket már rutinszerűen alkalmaznak. Kísérleti rendszerekkel több 100kW-os teljesítményeket is értek már el.

Félvezető lézerek

Ez a lézertípus különlegese helyet foglal el a lézerek világában, igen kis mérete (mm alatt) és árammal való közvetlen vezérelhetősége miatt. A lézersugárzás a „p” ill. „n” szennyezettségű félvezető rétegek közötti, néhány mm-es p-n átmeneti tartományban alakul ki, a nyitóirányban átengedett áram hatására. Ennek a lézernek nagyon egyszerű a felépítése.

A kibocsátott sugárzás hullámhossza a közeli infravörös tartományba (kb. 900nm) esik. A hatásfoka igen jó, elérheti a 10-20 %-ot, teljesítménye a ma kapható félvezetőktől függően néhány mW-tól akár néhány W-ig is terjedhet. Ma már igen megbízható, sok ezer órás élettartamú, szobahőmérsékleten is folyamatos üzemben működő lézereket lehet a kereskedelemben kapni. Ezeket a lézereket manapság elsősorban, optikai hírközlésben, lézernyomtatókban és optikai tárolókban használják, vezérelhetőségük miatt. Emellett még használják a show technikában is, amiről majd később szó lesz.