Lézertípusok
Lézertípusok
A lézerek osztályozásának egyik legkézenfekvőbb elve – a működés folytonos vagy impulzus voltán túl – az aktív anyag halmazállapota szerinti megkülönböztetés. Így beszélhetünk szilárdtest-, folyadék-, gáz- és plazmalézerekről. A halmazállapot mellett léteznek más osztályozási szempontok, így kerültek a szilárdtest-lézerektől elkülönített csoportba eltérő elektromos vezetési tulajdonságaik miatt a félvezetőlézerek, s a gerjesztés különlegessége választotta ki a kémiai lézereket a gázlézerek osztályából.
Az első lézer szilárdtest-lézer volt. A lézer aktív anyaga egy villanólámpákkal gerjesztett rubinkristály (króm szennyező ionokat tartalmazó aluminium-oxid-kristály) volt. A rubinlézer megépítését hamarosan nagyon sok más szilárd anyag lézerként való kipróbálása követte. Több száz olyan szilárd anyagot találtak, amely lézerfény kibocsátására képes, a gyakorlatban azonban mégis csak három típus terjedt el: a rubin, a neodímium: YAG (neodímium-ionokkal szennyezett ittrium-aluminium-gránát) és a neodímium: üveg (szilikát-, vagy foszfátüvegbe ágyazott neodímium-ionok). A szilárdtest-lézerek legfontosabb sajátossága, hogy velük állíthatók elő a legnagyobb energiájú és teljesítményű fényimpulzusok.
A lézerek legelterjedtebb és legtöbbet tanulmányozott típusa, a hélium-neon gázlézer felfedezését (1961) csupán 8 hónap választja el a szilárdtest-lézerek felfedezésétől. A gázlézerek gerjesztését általában egy elektromos kisülési csőben az elektronok, atomok és ionok között lezajló ütközések, energiakicserélődési folyamatok segítségével valósítják meg. Külön érdemes szólni a kriptonfluorid-lézerről, amely csak egyike a nemesgáz- és halogén-atomok vegyülésével keletkező „excimer” molekulákra alapuló excimer lézereknek (xenon-klorid, xenon-fluorid, argon-fluorid stb.). Ezek a legutóbbi évtizedben kifejlesztett lézerek azok, amelyek a gázlézerek között is lehetővé teszik rendkívül nagy fényintenzitások elérését. Mivel hullámhosszuk jóval rövidebb a korábbi gázlézer-hullámhosszaknál, jobb energiakoncentrálás valósítható meg velük.
A félvezetőlézerek jó hatásfokukkal, kis méreteikkel foglalnak el különleges helyet a lézerek között. 1962-ben történt felfedezésük után sokáig csak laboratóriumi érdekességnek számítottak. Rövid élettartamuk (néhány másodperc vagy perc működés után tönkrementek), viszonylag rossz koherenciájuk és nagy divergenciájuk szabott határt elterjedésüknek. Gerjesztésük elektromos árammal, a félvezető p-n átmenetére adott elektromos térrel oldható meg. Tükörként a félvezetőkristály simára csiszolt véglapjai szolgálhatnak. Napjainkban a félvezető-technika fejlődése tette lehetővé elterjedésüket, kis terjesztési küszöbárammal való működtetésüket. Legjellemzőbb típusuk a gallium-arzenid, amelyet gyakran galliumalumínium-arzenid/gallium-arzenid egymásra rétegezett szerkezetben állítanak elő.
A folyadék halmazállapotú festéklézerekben általában valamilyen szerves oldószerben oldott festékmolekulákat használnak a lézersugár előállítására. Gerjesztésük egy másik lézer (nitrogén, argon, neodímium, YAG, excimer) fényével történik, s legvonzóbb tulajdonságuk a hangolhatóság. Ez a lézerfény színének, hullámhosszának folyamatos változtatási lehetőségét jelenti, a molekulák fizikai sajátosságai által megszabott korlátok között. Pl. a Rhodamin-6G nevű festék alkalmazásával 570-620 nm között bármilyen hullámhosszú lézersugárzás előállítható, de a festék cseréjével akár az egész látható színskála átfogható. Napjainkban a festéklézerek a velük előállított legrövidebb időtartamú fényimpulzusokról, a mindössze 6-8 femtoszekundum (10-6 s) időtartamú, ultragyors, alig 3-4 optikai rezgési ciklust tartalmazó fényfelvillanásokról híresek. (Ennyi idő alatt a 300 000 km/s sebességű fény is csupán kb. 2 ezredmilliméter utat tesz meg!).
A kémiai lézerekben vegyi reakciók energiáját használják fel az aktív anyag gerjesztésére. Mivel az alkalmazott molekulák energiaszint-különbségeinek infravörös sugárzás felel meg, a kémiai lézerek fényének hullámhossza a 3000-10000 nm-es tartományba esik. Tipikus példájuk a haditechnikában alkalmazott gázdinamikus hidrogén-fluorid-lézer, amely 1-2 MW átlagteljesítmény kisugárzására képes, 15-20% kémiai hatásfokkal.
Az anyag atomjait ionizálva elektronok, ionok és semleges atomok keveréke, plazma képződik. Nagyon gyorsan (néhány nanoszekundum alatt) pl. összefókuszált lézerfénnyel létrehozott, magas hőmérsékletű (105-107 K) plazmákban a többszörösen ionizált atomok energiaátmeneteinek felhasználásával röntgentartományba eső lézersugárzást lehet előállítani. A röntgenlézerek jelentősége hullámhosszuk rövidségében (néhány tized nm-50 nm) rejlik. Még rövidebb hullámhosszú koherens sugárzás állítható elő az atommagokon belüli folyamatok kihasználásával, ezek a fényforrások a gammalézerek. Ez utóbbi két típus megvalósítása ma még számos technikai akadályba ütközik (pl. a gerjesztett állapotok rendkívül rövid spontán élettartama, az adott hullámhossztartományban is jól működő optikai elemek hiánya). Váltakozó mágneses térben haladó elektronok koherens fényt sugározhatnak: ez a szabadelektron-lézer működésének alapelve, amelynek megvalósításához nagy energiájú elektronokra, elektrongyorsítókra van szükség.
