Lézersugárzás

Az angolból származó LASER mozaikszó jelentése: Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation, vagyis fényerősítés a sugárzás indukált emissziója révén.

A lézerforrások elméleti alapjait két amerikai kutató, Charles Townes és Arthur Scawlow dolgozta ki 1957-ben. Az első működő lézerforrást Theodore Maiman készítette 1960-ban. Az első időkben a lézergépről azt tartották, hogy "a megoldás keresi a feladatot". Ez azért volt, mert bár a kutatók hamar felismerték hasznos tulajdonságait, de a gyakorlati szakemberek eleinte nem tudtak vele mit kezdeni. Ma már más a helyzet, a lézersugarat a legkülönfélébb feladatokra használják

A lézersugárzás lényege: egy olyan anyag, amely valamilyen energiafajtával való gerjesztés hatására, fényt bocsát ki. Amint látni fogjuk, sokféle lézersugárzás és lézerforrás létezik, de mindben ugyanaz az alapfolyamat hozza létre a sugárzást.

A lézerforrások fajtái

Lézeraktív anyagot nagyon sokféle szilárd anyagból, folyadékból és gázból lehet készíteni. A gerjesztés módja is sokféle lehet: elektromos áram, fény, vegyi reakció, esetleg másik lézerfény. Így a lézerforrásokat mindig az adott feladathoz lehet megválasztani. Például egy kisteljesítményű lézersugár jó vonalkódok leolvasásához, de fémeket hegeszteni nem lehet vele.

A rubinlézer aktív közege a rubinkristály (krómionokkal adalékolt zafír, Al2O3), hullámhossza: 694,3 nm. A szilárdtest lézerforrások családjába tartoznak a közeli infravörös tartományban sugárzó YAG kristály- (ittrium alumínium gránát) és üveglézerek is, amelyekben az aktív közeg ritkaföldfémekkel (például neodímiummal, gadolíniummal) adalékolt kristály vagy üveg. Folytonos és impulzus üzemben (nanoszekundum hosszúságú impulzusok gerjesztése) is működhetnek. A legelterjedtebb típus az 1064 nm-en sugárzó Nd: YAG lézerforrás, melynek számos ipari és orvosi alkalmazása van.

A legrövidebb, néhány femtoszekundumos hosszúságú impulzusok előállítását lehetővé tévő titán-zafír lézerforrások aktív közege titánnal adalékolt zafírkristály, melyben ~800 nm középhullámhosszon nagy sávszélesség mellett lehet optikai erősítést elérni.

A diódalézerekben a félvezető p-n homo-, illetve heteroátmenetek mint aktív közegek gerjesztése jó hatásfokkal elérhető elektromos árammal. A félvezető anyag(ok)tól függően az ultraibolya tartománytól a láthatón keresztül a közép infravörös tartományig működnek.

A festéklézerek aktív közegei folyadékok, szerves festékanyagok vizes vagy szerves oldószeres híg oldatai. A festéklézerekkel a látható spektrum teljesen lefedhető, hullámhosszuk a rezonátor tükreivel és a festékanyag változtatásával folytonosan módosítható.

A gáz lézerforrások között a legismertebb folyamatos üzemmódban működő gázkisüléses hélium-neon lézerforrás (hullámhossz: 543,5; 594,1; 612; 632,8 nm - ez a leggyakrabban használt hullámhossz - és 1523 nm). A nemesgázion-lézerforrások (argon, kripton és keverék gázok, hullámhossz: 350-799 nm) jó minőségű (TEM00 módusú) pár W-os teljesítményű nyalábok állíthatók elő egy kiválasztott, illetve több hullámhosszon egyszerre.

Az excimer (N2: 337 nm, F2: 157 nm, ArF: 193 nm, KrCl: 222 nm, XeBr: 282 nm, XeCl: 308 nm, XeF: 351 nm) aktív közegű lézerforrásokban nagyfeszültségű impulzusüzemű gázkisülések során jön létre a populációinverzió. Egy-egy impulzus tipikusan 1-300 mJ energiát tartalmaz.

A fémgőzlézerforrások esetében az aktív közeget porlasztással vagy termikus párologtatással előállított fémgőz (például arany, ezüst, réz) adja. A széndioxidlézer molekulalézer: a széndioxid-molekula rezgési és forgási állapotaihoz tartozó átmenetek alkalmasak lézerátmenetek kialakítására. A működésük ~10 mikron hullámhosszon, akár kW-os teljesítményeket is el lehet érni, ami alkalmassá teszi őket hegesztésre és fémek vágására is.

A lézergépek neve általában arra az anyagra utal, amelyben a lézerfény keletkezik: szén-dioxid, argon, rubin stb. A neveket gyakran az elemek vegyjelével rövidítik, például a hélium-neon helyett He-Ne-t írnak. Gyakran a lézeranyag halmazállapota is szerepel a névben, például arany gőzlézer.

Sugáreltérítési módszerek

Sokfajta lézerforrás létezik, többek között excimer gáz lézer-, gáz lézer-, fém-gőz lézer-, félvezető lézer-, szilárdtest lézer-, festék lézer-források.. Gerjesztésük szerint is sokfélék lehetnek: a gerjesztés kisüléssel történik, árampumpálásos gerjesztés, fénnyel gerjesztés. A különböző lézerforrások különböző hullámhosszakkal működnek és ebből következőleg különböznek a felhasználási területeik. A lézersugár létrejötte után azt még a megfelelő helyre kell irányítani. Ennek elérésére különböző sugáreltérítési módszerek alakultak ki:

• Sugáreltérítés a lézerfej mozgatásával
• A munkadarab mozgatása álló lézersugár alatt
• Tükrös vagy prizmás eltérítés a lézersugár párhuzamosan eltolásával
• Forgótükrös eltérítés a sugár szöghelyzetének változtatásával:
• két, egymástól mechanikusan független tükörrel
• egy, három ponton felfüggesztett tükörrel
• Műkarral, a csuklópontokon elhelyezett, a karokkal forgatott tükrökkel
• Hajlékony optikai szállal, a szál végének pozicionálásával
• Sugáreltérítés a fenti módszerek kombinációjával.

Amikor a lézersugár az anyagba hatol, három részre bomlik:

• elnyelődik (abszorbeálódik) - hőtermelés képződése
• visszaverődik (reflektálódik) - ami függ a felülettől (szín, felület érdessége, stb.)
• áthalad (transzparens)

Mindhárom összetevő függ az anyagjellemzőktől is.

A lézersugarat eltéríthetjük galvanométeres sugáreltérítő segítségével. Ebben az esetben a munkadarab pásztázása úgy valósul meg, hogy a készülékből érkező lézersugarat két elforgatható tükörrel eltérítjük. Ez a megoldás különleges követelményeket támaszt a fókuszáló lencsével szemben.

• A lézersugarat a tükrök döntési szögétől függetlenül azonos síkra kell fókuszálni.
• A minta felszínén a sugár elmozdulásának a tükör döntési szögével lineárisan arányosnak kell lennie.

Általános esetben egy lencse fókuszpontjai, a sugár és az optikai tengely által bezárt szög függvényében egy görbült felületre képződnek le. A síkterű (flat field) pásztázó optikák, olyan speciális lencserendszerek melyek fókuszpontjai egy síkot alkotnak. Az ilyen típusú pásztázó lencsék egyik alosztályát alkotják az f-theta lencsék. Egy általános, torzításmentes lencse esetében a fókuszpont pozíciója a fókusztávolság (F) és a sugár eltérülési szögének (q) tangensével arányos. Az f-theta elnevezést az ilyen lencsék azon tulajdonságuk miatt kapták, hogy azonos szögelforduláshoz azonos elmozdulás tartozik a síkon.