Lézerberendezések

1960-ban az első lézerberendezés megépítésekor - amely szilárdtest lézerberendezés volt - új korszak kezdődött az optikában, a fény tudományában. Már a kezdetektől számos ipari alkalmazásban - elektronikai- és gépipar, szerszám- és járműalkatrész gyártásánál, és a gyógyászatban is - felhasználták a lézersugaras anyagmegmunkálást.

Az első lézerberendezés megépítése óta eltelt több mint 60 év során a lézerberendezések rohamos fejlődése sok más területen is új tudományos eredményeket hozott, és rendkívül sok érdekes alkalmazást tett lehetővé.

A követezőekben a lézersugaras jelöléstechnológiának az elektronikai iparban való alkalmazhatóságát mutatom be. Továbbá áttekintést adok az elektronikai alkatrészek és termékek nyomon követhetőségi és azonosítási lehetőségeiről.

Történeti áttekintés

A LASER fizikai alapjainak megalapozásában Faraday (1831) az elektromágneses indukció leírásával játszott fontos szerepet. Új lépés volt Planck kvantumelméletének (1900) és Einstein fénykvantumelméletének (1905) kidolgozása. 1911-ben született meg Ruthelford atomelmélete, majd a legfontosabb előrelépést Einstein indukált emisszió felfedezése (1917) hozta meg. Ezzel elvileg lehetővé vált a LASER megalkotása, azonban a gyakorlatban az egyéb kísérleti feltételek hiányában csak fél évszázaddal később valósult meg.

Az első indukált emisszión alapuló koherens hullámforrást, "maser"-t (microvave amplification by stimulated emission of radiation) Gordon, Zeiger és Townes, valamint Prokhorov és Bászov alkotta meg 1954-ben. Townes és Schawlov 1958-ban dolgozta ki az "optikai maser" elvi alapjait melynek megvalósulása után a maser elnevezés átadta helyét a laser elnevezésnek (light amplification by stimulated emission of radiation).

Az első működő LASER-t 1960-ban Maiman készítette el. Aktív közege rubinkristály volt, melyet xenon villanólámpával pumpálva vörös színű, rövid impulzusokban működő lézersugárzást hozott létre. Ezt követően néhány év leforgása alatt megalkották a ma használt legtöbb lézerfajtát is.

1961-ben infravörös He-Ne lézerforrást (Javán, Benett és Herriott) és a Nd-üveglézerforrást (Snitzer). 1962-ben vörös He-Ne lézerforrást (White-Rigden) és GaAs lézerforrást (Hall és munkatársai). 1963-ban Nd: YAG lézerforrást (Geusic, Marcos és Van Uhert), CO2 lézerforrást (Patel, Faust és McFarlane), és az Argonion lézerforrást (Bridges). 1966-ban a festék-lézerforrást (Sorokin és Lankard). 1970-ben az excimer-lézerforrást (Bászov és munkatársai).

Magyarországon Jánossy Lajos vezetésével a Központi Fizikai Kutató Intézetben folyt lézerkutatás és itt született meg az első hazai laser készülék - egy He-Ne gáz-lézerforrás- 1963-ban, Bakos József, Csillag László, Kántor Károly és Varga Péter munkája nyomán.

Mit jelent a "LASER"?

A legtöbb angol nyelvű szakirodalomban a lézersugaras technológiával kapcsolatban a "LASER" angol rövidítéssel találkozhatunk. A "LASER" kifejezés egy mozaikszó, amely a következő szavak kezdőbetűiből származik:
Light - fény
Amplification - erősítés
Stimulated- gerjesztett
Emission- kisugárzott, kibocsátott
Radiation - sugárzás

(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation = fényerősítés kényszerített fénykibocsátás útján). A "LASER" kifejezés - magyarra fordítva lézer - önmagában nem használatos. A magyar szakirodalomban lézersugár vagy lézersugárzás, és lézerforrás vagy lézerberendezés kifejezéseket alkalmazzuk.

Lézerberendezés: olyan eszköz, amely a 170 nm-től 1 mm-ig terjedő hullámhossztartományban elektromágneses sugárzást képes létrehozni indukált emisszió révén.

A lézersugárzás fizikai tulajdonságai

A lézerberendezések speciális tulajdonságokkal rendelkező optikai sugárzást (lézersugárzást) - közeli (NUV) és távoli (FUV) ultraviola, látható fény, a közeli (NIR) és távoli (FIR) infravörös tartományokban - állítanak elő. A speciális tulajdonságok a következők:

• A lézersugár nagyon kis divergenciájú (széttartású) nyaláb, amely a forrástól való távolság növekedésével csak nagyon kis mértékben terül szét (divergál).
• Nagy energia- vagy teljesítménysűrűség a nyalábban.
• A lézerberendezések nagyon keskeny hullámhossztartományban állítanak elő optikai sugárzást, ezért a lézersugárzás monokromatikus (egyszínű).
• A lézersugárzást tér- és időbeli koherencia jellemzi.
• A lézersugárzásban egyszerre több, párhuzamosan és együtt rezgő fényhullámok vannak jelen.



A lézerberendezésekben lejátszódó folyamatok, jelenségek

A legtöbb lézerberendezés működésében legalább 10 alapfogalom, illetve jelenség játszik szerepet, melyek a következők lehetnek:

• Metastabil állapotok
• Optikai pumpálás
• Fluoreszkálás
• Populációinverzió
• Rezonancia
• Indukált emisszió
• Koherencia
• Polarizáció
• Fabry-Perot-interferometria
• Üregrezgések
Tetejére



A lézerberendezések működési elve

A lézerberendezések működése három elven alapul, a stimulált emisszió, az inverz populáció és az optikai rezonátor elvén. A lézerberendezés működésében az anyag és az elektromágneses sugárzás közötti kölcsönhatás három formája játszik szerepet: az abszorpció, a spontán emisszió és a stimulált emisszió.

A stimulált emisszió (más szóval indukált emisszió) során a gerjesztett molekula fotonnal ütközik, gerjesztési energiáját elveszíti, miközben egy másik foton keletkezik. A keletkező fotonnak, azaz az indukált fotonnak pontosan ugyanaz lesz a frekvenciája, iránya és polarizációja, mint az elsődleges fotonnak (térbeli koherencia), és fázisa és sebessége is (időbeli koherencia) megegyezik a stimulálóéval.

A lézerberendezésekben a fény erősítése stimulált emisszióval történik. Olyan rendszert alakítanak ki, amelyben stimulált emisszióval több foton keletkezik, mint amennyi abszorbeálódik.

Az abszorpció során a molekula fotont nyel el, miközben nagyobb energiájú elektron-, rezgési és/vagy forgási állapotba kerül, egy szóval gerjesztődik.

Az abszorpció során a molekula fotont nyel el, miközben nagyobb energiájú elektron-, rezgési és/vagy forgási állapotba kerül, egy szóval gerjesztődik. Ahhoz, hogy lézersugárzást állítsunk elő, párhuzamosítanunk kell az indukált emisszióval keletkezett sugárzást, amit egy megfelelően tervezett üreggel érhetünk el. Az üregben a hullámokat újra és újra felhasználhatjuk. Az optikában a Fabry-Perot-interferométer elveit alkalmazzuk.

A lézerforrás működéséhez szükség van arra, hogy az emisszió során energiát vesztő molekulákat visszavigyük a magasabb energiaszintre, más szóval a lézerforrást pumpálni kell. A pumpáláshoz felhasználhatunk fényenergiát (villanólámpa fénye vagy egy másik lézerforrás fénye), elektromos energiát, amellyel gázkisülést hozunk létre, vagy kémiai energiát, kémiai reakcióban gerjesztett állapotú molekulákat állítva elő.

Az optikai rezonátor két egymással szemben álló tükör (End és Coupling mirror), amelyek között a fénysugár ide-oda verődik. A legtöbb lézerforrásban a lézerközeget (Lasermedium) optikai rezonátorba helyezik. Így a fotonok átlagos úthossza sokszorosára nő, s vele együtt annak a valószínűsége, hogy a foton a lézerátmenet felső szintjén lévő molekulával ütközzön, és stimulált emisszió következzen be.

A végtükör (End mirror) felületéről a fény gyakorlatilag teljesen visszaverődik, tehát reflexióképessége 100 %-nak tekinthető. A fényenergia kicsatolása a kicsatoló tükrön (Coupling mirror) keresztül történik. A kicsatoló tükör reflexióképessége tipikusan 1 és 20 % közé esik, tehát a kilépő fénysugár energiája csak töredéke az üregen belüli fényenergiának.

Az üregben a sokszoros reflexió során interferencia lép fel. Amennyiben az ide-oda verődő sugarak fázisa véletlenszerűen oszlana el, az interferencia kioltáshoz vezetne. Erősítő interferencia úgy jöhet létre, hogy az összes ide-oda haladó sugár fázisa az üreg hossztengelye mentén ugyanúgy változik, azaz állóhullám jön létre. A visszaverődésre vonatkozó optikai törvényszerűségből kiindulva belátható, hogy akkor alakul ki állóhullám, ha az üreg hossza a fél hullámhossz egész számú többszöröse:

L = m x (λ/2)

L: az üreg hossza, a két tükör közötti távolság (mm)
m: egész szám
λ: hullámhossz (mm)

Tetejére