Η φύση του φωτός και η αλληλεπίδρασή του με την ύλη, είναι ένα θέμα που απασχολεί την επιστημονική κοινότητα, εδώ και αρκετά χρόνια.
Αποτέλεσμα της “περιέργειας” των επιστημόνων πάνω σε αυτό τον τομέα ήταν η ανάπτυξη των φασματοσκοπικών τεχνικών και της αντίστοιχης θεωρίας.

Aπό την δεκαετία του ’60 και μετά στο ερευνητικό προσκήνιο εμφανίστηκαν τα laser, τα οποία είχαν δυνατότητες, κατά πολύ ανώτερες από αυτές των συμβατικών πηγών ακτινοβολίας, όπως οι λάμπες Hg. Το όνομα τους προέρχεται από τις λέξεις Light Amplification by Stimulated Emission Radiation και είναι η εξαναγκασμένη εκπομπή φωτονίων από ένα ενεργό μέσο, το οποίο μπορεί να είναι στην στερεή, στην υγρή ή στην αέρια φάση.

Τα laser παρουσίαζουν τρια χαρακτηριστικά, τα οποία τα καθιστούν μοναδικά. Αρχικά, παράγουν μονοχρωματική ακτινοβολία. Αυτό σημαίνει ότι η εκπεμπόμενη δέσμη αποτελείται από ένα μόνο χρώμα. Παρά το γεγονός, ότι υπάρχουν laser με δυνατότητα εκπομπής διαφορετικών μηκών κύματος, η εκάστοτε παραγόμενη ακτινοβολία αποτελείται από μια πολύ μικρή φασματική περιοχή. Το δεύτερο χαρακτηριστικό τους είναι η κατευθυντικότητα. Στις κοινές πηγές φωτός, η ακτινοβολία διαχέεται προς όλες τις κατευθύνσεις με τυχαίο τρόπο. Στα laser η κατεύθυνση της δέσμης είναι συγκεκρίμενη και έχει την δυνατότητα να διανύει μεγάλες αποστάσεις με ελάχιστη απόκλιση. Το τελευταίο χαρακτηριστικό των laser είναι η σύγχρονη δίαδοση των ξεχωριστών ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Αυτό σημαίνει ότι τα κύματα μεταξύ τους είναι ισοφασικά ή πιο απλά βρίσκονται σε φάση. Αυτό το χαρακτήριστικό είναι υπέυθυνο για την μεγάλη ένταση της ακτινοβολίας των laser.

Η βασική προϋπόθεση για την δημιουργία μιας δέσμης laser είναι η αναστροφή πλυθησμού. Αυτό σημαίνει ότι σε μια διεγερμένη κατάσταση πρέπει να υπάρχουν περισσότερα ηλεκτρόνια από την βασική κατάσταση. Αυτή η διέγερση μπορεί να γίνει είτε οπτικά, δηλαδή με φωτόνια, είτε ηλεκτρικά, δηλαδή με ηλεκτρόνια. Σε κάθε περίπτωση η αναστροφή πληθυσμού απαιτεί κατανάλωση ενέργειας. Για την αναστροφή του πληθυσμού υπάρχουν δυο μηχανισμοί, των τριών και των τεσσάρων σταδίων.

Ανάλογα με το υλικό που χρησιμοποιείται ως ενεργό μέσο το εκάστοτε laser μπορεί να ενταχθεί σε μια από τις ακόλουθες κατηγορίες: Αερίων, Υγρών (οργανικών χρωστικών), Στερεάς κατάστασης, Ημιαγωγών, και Ελεύθερων ηλεκτρονίων.

Τα laser He-Ne είναι τα πρώτα που κατασκευάστηκαν και τα πιο συνηθισμένα στην αγορά. Αυτό το σύστημα χρησιμοποιεί Ήλιο (He) για να περιορίσει το ευρύ φάσμα των ενεργειών εκκένωσης σε λίγες ομάδες από τις στάθμες του Νέου (Ne), ώστε να γίνεται επιλεκτική άντληση. Η αποδιέγερση από τις στάθμες του Νέου ακτινοβολία στα 632,8 nm, τα οποία βρίσκονται στην ερυθρή περιοχή του φάσματος. Στις παρακάτω εικόνες φαίνονται τα ενεργειακά επίπεδα και οι μεταβάσεις των ατόμων He και Ne, καθώς και μια φωτογραφία αυτού του laser σε λειτουργία. 

Ένα άλλο είδος laser είναι το excimer. Το όνομα του προέρχεται από τον συνδυασμό των λέξεων excited dimer. Αυτό το laser χρεισιμοποιεί ένα συνδυασμό ευγενούς αερίου και αλογόνου ως ενεργό μέσο. Η λειτουργία αυτών των laser βασίζεται στην διέγερση του ευγενούς αερίου. Επειδή τα ευγενή αέρια έχουν κλειστές στοιβάδες στην θεμελιώδη κατάσταση τους, όταν διεγερθούν μοιάζουν με αλκάλια και σχηματίζουν σταθερούς δεσμούς με τα αλογόνα.

Η ακτινοβολία των ecximer είναι πολύ καλά εστιασμένη και ικανή για πολύ λεπτούς χειρισμούς. Αυτές οι ιδιότητες κάνουν τα excimers κατάλληλα για την τροποποίηση διαφόρων οργανικών ενώσεων (πλαστικά και  πολυμερή) και για πολύ λεπτές χειρουργικές επεμβάσεις (διόρθωση μυωπίας).

Τα πρώτα laser που παρουσίασαν μεγάλο εύρος στην επιλογή του μήκους κύματος ήταν τα laser οργανικών χρωστικών. Ανάλογα με την χρωστική που χρησιμοποιείται, παράγεται το αντίστοιχο μήκος κύματος. Το κυριότερο πλεονέκτημα αυτών των laser είναι η ιδιότητα τους να λειτουργούν σε μεγάλο εύρος μηκών κύματος και η δυνατότητα παραγωγής χρονικά στενών παλμών. Το μοναδικό τους μειωνέκτημα είναι ο μικρός χρόνος ζωής των οργανικών χρωστικών.

Τα τελευταία χρόνια στο προσκήνιο έχουν εμφανιστεί τα laser στερεάς κατάστασης. Σε αυτά ως ενεργό μέσο χρησιμοποιείται κάποιο γυάλινο ή κρυσταλλικό υλικό, το οποίο είναι επιπρόσθετα νοθευμένο. Τα συνηθέστερα πρόσθετα είναι σπάνιες γαίες , όπως το Νεοδύμιο (Nd),  το Χρώμιο (Cr) και το Έρβιο (Er). Έχουν την δυνατότητα να παράγουν ακτινοβολία από μερικά mW μέχρι αρκετά kW. Λόγω του τρόπου λειτουργίας τους είναι κατάλληλα για την χρήση της τεχνικής Q-switching, με αποτέλεσμα την παραγωγή βραχέων ενεργητικών παλμών.

Προς αντικατάσταση των Laser οργανικών χρωστικών (όσο αφορά το μεγάλο εύρος μηκών κύματος) και ίσως τα state-of-the-art laser, με τα οποία είναι εξοπλισμένα τα περισσότερα εργαστήρια είναι τα laser μη γραμμικών κρυστάλλων. Οι κρύσταλλοι που τα αποτελούν έχουν την ιδιότητα να παράγουν αρμονικές μιας συχνότητας, όταν τεθούν σε συγκεκριμένη γωνία. Αρμονική μιας μητρικής ακτινοβολίας είναι δέσμη που αποτελείται από φωτόνια, των οποίων η συχνότητα είναι ακέραιο πολλαπλάσιο της αρχικής συχνότητας. Η απόδοση στην παραγωγή αρμονικών συχνοτήτων, από αυτούς τους κρυστάλλους,  κυμαίνεται μεταξύ 5-20%.

Επιμέλεια και συγγραφή κειμένου : Ζαούρης Δημήτριος

Βιβλιογραφία:
J.M. Hollas, “Modern Spectroscopy”, 4th ed., Wiley, 2004
www.wikipedia.org
http://ehs.unc.edu/training/self_study/laser/characteristics.html