9. Laserul cu rubin. Tranzitii atomice. Laserul automat cu cuart. Laserul automat cu raze X. Interactiunea radiatiilor nucleare X cu mediu activ de cuart. Holografia.

 

Cu ajutorul unui reflector foarte puternic, Luna a fost iluminata de pe Pamant.

Un careu perfect delimitat de pe suprafata Lunii a fost iluminat. Astronomi din numerose tari au putut vedea cu ochiul liber experimentul american, realizat de specialistii in domeniul amplificarii undelor optice.

Acesti specialisti au creat acel dispozitiv care este intr-un progres continuu si care revolutioneaza in prezent intreaga tehnica: laserul.

Laserul este un amplificator al undelor optice care se bazeaza pe emisia fortata a energiei din sistemele atomice care a permis interesanta experienta a iluminarii unui careu perfect delimitat de pe suprafata Lunii.

Laserul este un caz particular al amplificatoarelor cuantice, fiind construit pentru spectrul luminos al radiatiilor electromagnetice.

In prezent tehnica actuala a realizat amplificatoare si pentru alte domenii din cadrul radiatiilor electromagnetic pentru spectrul razelor infrarosii si ultraviolete. Utilizarea acestui proces de transfer a energiei, de la un sistem atomic la o unda amplificata a permis realizarea unor echipamente tehnice de-o precizie cu totul revolutionara.

Laserul este o sursa de lumina coerenta.

Astfel laserii pot fi clasificati dupa regimul de emisie, tipul de pompaj, mediul activ, puterea, tipurile de aplicatii etc. Dupa mediul activ se cunosc patru feluri de laseri cu mediu solid, laseri cu semiconductor, laseri cu mediu activ lichid si laseri cu gaz.

Nu voi prezenta toate aceste tipuri de laseri, ci primul tip de laser construit de om - laserul cu rubin.

Laserul trebuie sa cuprinda un mediu activ amplificator (gazos, lichid sau solid), un mecanism de pompaj (sistem de excitare) si o cavitate rezonanta.

Laserul propriu-zis, consta dintr-un cilindru de rubin, avand fata A argintata sau pana la opacitatea completa, iar fata B argintata sau aurita cu o transparenta de 4%. Cilindrul este introdus, mai intai, intr-un tub de racire, R si apoi in interiorul unui tub de descarcare in forma de spirala F care contine neon, xenon, sau amestec de neon si kripton. Tubul de descarcare este de tipul "flash", folosit de catre fotoreporteri, denumit si "blitz".

Tubul de descarcare este concentrat la un condensator C de mare capacitate, alimentat de un acumulator electric (acumulatorul nu este prezentat in figura). Intregul ansamblu (cilindrul de rubin, dispozitiv de racire, tub de descarcare in spirala) este introdus intr-un cilindru gol cu diametru mare, al carui perete interior este acoperit cu un strat reflectant.

In timpul descarcarii electrice prin tubul F se emite radiatia verde cu o lungime de unda de 560 nm necesara pompajului optic. Durata descarcarii este de 0,000001 s - 0,0001 s si in acest interval de timp extrem de scurt se produc fenomene care se bazeaza pe existenta unor nivele de energie distincte, bine definite, discrete pe care se poate situa un atom. Se stie ca energia unui atom nu poate lua decat un set discontinuu de valori E₀, E₁, E₂ÖE_i, E_yÖE_n .

Inainte de aprinderea tubului atomii sunt neexcitati au energia cea mai joasa, se afla deci pe nivelul de energie fundamentala E₀. Efectul curentului electric care furnizeaza energie gazului este acela ca, atomi trec de pe nivelul energetic fundamental, pe nivele de energie superioare. O linie luminoasa din spectrul gazului corespunde unei treceri a atomului respectiv de pe un nivel excitat superior, pe un nivel inferior, adica unei reveniri a atomului din starea de echilibru, in starea de energie minima.

Astfel fenomenul de producere a luminii este intim legat de tranzitiile atomilor de pe un nivel energetic pe altul.

Tranzitiile atomice sunt de mai multe feluri.

Emisia spontana se produce atunci cand atomul "cade" de pe un nivel energetic superior Ey pe un nivel energetic inferior Ei, emitand o cantitate de lumina, o cuanta de lumina sau un foton purtatoare a diferentei de energie dintre cele doua nivele energetice.

Frecventa acestui foton este:

n = (Ey - Ei) / h

unde h este constanta lui Planck, egala cu 6,625 ^. 10 ^-34 js.

Tranzitiile spontane se produc intre fotonul emis mai tarziu de un alt atom. De aici, numele de emisie spontana a fenomenului de emisie a luminii prin acest mecanism.

Absorbtia se produce atunci cand un atom sub actiunea unui foton de energie h n_iy, "urca" de pe nivelul Ei pe nivelul Ey, energia fotonului consumandu-se in aceasta actiune. Se spune faptul ca, fotonul a fost absorbit de catre atom.

Emisia indusa sau stimulata este fenomenul invers absorbtiei, in acest caz un foton de frecventa n_iy poate determina un atom sa "cada" de pe nivelul superior Ey pe nivelul Ei.

Atomul este astfel "impins", stimulat sa emita un foton care are aceleasi caracteristici cu fotonul inductor.

Intre fotonul indus si fotonul inductor exista o corelatie. In conditii normale din reclama luminoasa cu neon, fotonii emisi spontan sunt dominanti, iar in cazul laserului emisia fotonilor stimulati predomina mult fata de celelalte doua fenomene emisie spontana si absorbtie. Aceasta este diferenta fundamentala dintre mecanisme de producere a luminii "obisnuite" si luminii laser.

Rezulta ca, trebuie create anumite conditii pentru a asigura preponderenta luminii emise stimulat, asupra luminii emise spontan. In acest caz pentru a obtine lumina laser e nevoie ca pe nivelul superior Ey sa avem mult mai multi atomi, decat pe nivelul inferior Ei. Astfel nivelul Ei trebuie sa fie mai populat decat nivelul Ey sau ca, trebuie sa se realizeze o inversie de populatie intre cele doua nivele.

Aceasta este o situatie normala, tendinta atomilor fiind de a se situa pe nivelul superior.

Pompajul se face electric, fotonic sau chimic si consta in a furniza atomilor energia necesara pentru a trece din starea energetica fundamentala, in starea energetica superioara.

Odata realizata inversia de populatie e nevoie de cativa fotoni de frecventa n care sa determine emisia fortata a atomilor de pe nivelul superior Ey.

Un astfel de foton inductor poate fi emis spontan chiar de unul dintre atomii in cauza. El va induce emisia unui alt foton cu aceleasi caracteristici ca si ale lui, acesti doi fotoni vor induce producerea altor doi si tot asa procesul continua. Fotonul singular initial este multiplicat, amplificat de nenumarate ori. Pentru ca procesul sa nu se stinga este nevoie, pe de o parte ca mecanismul de pompaj sa furnizeze continuu energie atomilor mediului activ laser, iar pe de alta parte sa se utilizeze o cavitate rezonanta.

In cavitatea rezonanta laser intre cele doua oglinzi fotonii sunt reflectati si obligati sa parcurga de mai multe ori mediul activ, la fiecare trecere fiecare foton produce o avalansa de fotoni asemenea lui.

Procesul de amplificare nu este nelimitat.

Oglinzile cavitatii rezonante nu reflecta total.

Pompat fotonic mediul activ va emite lumina in mod spontan in toate directiile.

O mica parte din lumina va fi emisa pe directia axei tubului si a cavitati rezonante. Numai aceasta lumina va fi amplificata puternic prin procesul de emisie stimulata, intretinut de reflexele multiple intre oglinzile cavitatii rezonante.

Prin emisie stimulata se emit fotoni care se propaga in aceeasi directie si sens cu fotoni stimulatori. Emisia stimulata se desfasoara eficient numai in lungul axei tubului.

Un foton care nu se propaga dupa aceasta axa este pierdut pentru laser, in timp ce un foton care se propaga cat mai aproape de directia axei tubului este puternic amplificat.

Acesta este fenomenul in care lumina laser se propaga intr-o singura directie.

Una dintre oglinzi este putin transparenta, permitand luminii amplificate sa iasa sub forma unui fascicul ingust si foarte intens. Astfel se ajunge la un echilibru intre amplificare si pierderi care limiteaza procesul de amplificare.

Mergand pe acelasi principiu de functionare si alcatuire, prezint laserul automat cu cuart care s-ar compune din: generatorul cuantic Gc, bara dreptunghiulara din cuart SiO₂ avand o fata A argintata cu opacitate completa si o fata B argintata cu o transparenta de 4%, tubul de emisie 1 si carcasa laserului 2.

Bara dreptunghiulara din cuart sau mediu activ se gaseste in interiorul spiralei de cuart sau sistemul atomic neizolat a. In timpul functionarii solenoidului de cuart acesta emite radiatii ultraviolete, se obtine un pompaj fotonic ultraviolet. Mediu activ emite un fascicul de radiatii pe la fata B cu o transparenta redusa, numit fascicul laser.

In cavitatea rezonanta amplificarea se bazeaza pe emisia fortata de energie de catre mediul activ sub actiunea energiei fotonice interioare.

Pompajul se face cu ajutorul spiralei de cuart pe la suprafata sa interioara, in mediul activ. In cazul de fata, pompajul se face cu ajutorul razelor ultraviolete fiind vorba de un pompaj fotonic ultraviolet.

Cavitatea rezonanta este formata din trei parti:

-mediul activ este constituit dintr-o bara dreptunghiulara de cuart SiO₂

-sistemul de excitare in acest caz consta din sursa de energie fotonica emisa de spirala de cuart

-rezonatorul optic este alcatuit din doua fete argintate, o fata A este argintata pana in opacitatea completa, iar cealalta fata B este de asemenea argintata, dar cu o transparenta redusa.

In tubul de emisie are loc dirijarea fasciculului laser.

Denumirea de laser automat a primit-o datorita schimbului de energie care are loc intre suprafata exterioara a spiralei de cuart si bateriile fototermoelectrice, fapt ce duce la o autonomie enrgetica de functionare.

Parcurgand acelasi principiu de functionare si alcatuire, prezint in continuare laserul automat cu raze X care se compune din: generatorul cuantic cu raze X, Gx, mediu activ format din bara dreptunghiulara din cuart SiO₂, avand o fata A argintata cu opacitate completa si o fata B argintata cu o transparenta de 4%, tubul de emisie 1 si carcasa laserului 2.

In interiorul sistemului atomic neizolat a al generatorului cuantic, in fata spirelor de cuart sunt montate doua randuri de electrozi care au o structura metalica (wolfram) de forma literei V.

Electrozi sunt asezati pe doua randuri, cu partea inchisa spre suprafata spirelor de cuart, iar cu partea deschisa spre exteriorul lor.

Electrozii situati pe primul, rand cei mai apropiati de suprafata solenoidului sunt electrozi care au sarcina electrica pozitiva-anozi a, iar electrozi care sunt asezati pe randul mai indepartat de suprafata solenoidului au sarcina electrica negativa-catozi c.

Intregul spatiu in care se afla solenoidul si cele doua randuri de electrozi, anozii si catozii prezentati anterior este vidat.

Fotonii electronici ai radiatiei ultraviolete emisi de suprafata interioara a solenoidului de cuart interactioneaza cu spatele catozilor.

Din structura interioara a catozilor prin efect Compton sunt smulsi electronii. Apar electronii liberi.

Electronii liberi emisi de catozi sunt atrasi de anod unde vor fi franati in structura lor atomica.

Din interactiunea electronilor cu electrozii pozitivi-anozii a, mai exact cu particulele nucleului atomic ale anozilor de wolfram rezulta radiatii X moi si dure.

In sistemul atomic neizolat a sunt emise radiatiile X care interactioneaza cu atomii madiului activ sau barei dreptunghiulare de cuart SiO₂.

Interactiunea radiatiei X cu mediul activ de cuart este de trei feluri:

1- Efectul fotoelectric(absorbtie). Particulele radiatiei X smulg electroni din stratul K sau L, consumandu-si complet energia. Electronii eliberati se numesc fotoelectroni.

2- Efetul Compton (imprastiere). Particulele radiatiei X se ciocnesc de electronii invelisului electronic al atomului pe care ii smulg din structura atomului, trasmitandu-i numai o parte din energia sa. Particulele radiatiei X sunt deviate de la directia lor initiala, avand o frecventa mai mica E' = hn'.

Electronii smulsi din invelisul electronic, in urma ciocniri lor cu particulele radiatiei X se numesc electroni Compton.

3 - Formarea de perechi. Interactiunea fotonilor X cu nucleoni este identica cu interactiunea electronilor cu nucleoni, respectiv cu protonii si neutronii care va genera perechi de particule subatomice.

In cazul interactiunii fotonilor nucleari X cu protoni, acestia emit perechi de particule electroni (-e)-pozitroni (+e) si se transforma in neutroni si trec de pe orbita fundamentala pe o orbita superioara, iar datorita acestei interactiuni atomul a trecut din starea fundamentala in starea de excitatie.

Electroni (-e) si pozitroni (+e) emisi formeaza radiatiile b alcatuite din electroni, particule incarcate din punct de vedere electric negativ si radiatii a formate din pozitroni, particule incarcate din punct de vedere electric pozitiv.

Aceste particule avand sarcini electrice diferite se atrag si se neutralizeaza reciproc printr-un proces de anihilare A, in urma caruia rezulta doua particule (o) neutre din punct de vedere electric care sunt emise sub forma unor cuante de radiatii X moi.

La revenirea neutronilor de pe orbita superioara, pe orbita fundamentala, acestia emit fotonii nucleari (of) Xd duri si diferenta de energie dintre cele doua orbite nucleare.

In cazul interactiunii fotonilor nucleari X cu neutroni, acestia emit perechi de particule electroni (-e)-neutrini (_on)) si se transforma in protoni si trec de pe orbita fundamentala, pe o orbita superioara.

Electroni (-e) si neutrini (_on)) emisi formeaza radiatiile b care sunt alcatuite din electroni, particule incarcate din punct de vedere electric negativ si radiatii X moi care sunt alcatuite din neutrini, particule neutre din punct de vedere electric.

Protoni nu au o situatie stabila pe aceasta orbita superioara si revin pe orbita fundamentala, emitand fotonii nucleari (of) Xd duri si diferenta de energie dintre cele doua orbite nucleare.

In acest caz, atomul trece din starea de excitatie in starea fundamentala.

Fotonii nucleari X moi sau duri emisi care alcatuiesc fasciculul laser sunt particule neutre din punct de vedere electric.

In mediul activ sau cavitatea rezonanta, in urma acestor interactiuni are loc amplificarea energiei care se bazeaza pe emisia fortata de energie de catre mediul activ sub actiunea energiei fotonice interioare care emite un fascicul de radiatii X pe la fata B cu o transparenta redusa, numit fascicul laser cu raze X

In cavitatea rezonanta amplificarea energiei care se bazeaza pe emisia fortata de energie de catre mediul activ sub actiunea energiei fotonice interioare.

Pompajul se face cu ajutorul spiralei de cuart, pe la suprafata sa interioara, in mediul activ. In cazul de fata, pompajul se face cu ajutorul razelor X fiind vorba de un pompaj fotonic nuclear.

Cavitatea rezonanta este formata din trei parti:

-mediul activ este constituit dintr-o bara dreptunghiulara de cuart SiO₂

-sistemul de excitare in acest caz consta din sursa de energie fotonica emisa de anozi

-rezonatorul optic este alcatuit din doua fete argintate, o fata A este argintata pana in opacitatea completa, iar cealalta fata B este de asemenea argintata, dar cu o transparenta redusa.

In tubul de emisie are loc dirijarea fascicolului laser.

Denumirea de laser automat a primit-o datorita schimbului de energie care are loc intre suprafata exterioara a spiralei de cuart si bateriile fototermoelectrice, fapt ce duce la o autonomie enrgetica de functionare, dar si faptului ca, fasciculul laser este realizat cu ajutorul radiatiilor X emise in mediul activ, iar in urma acestor interactiuni se emite in exterior un fascicul laser cu radiatii X.

Iluminarea unor suprafete de teren sau apa cu ajutorul fasciculului laser are ca scop fotografierea sau obtinerea de imagini cu ajutorul laserului.

Cu ajutorul laserului se pot obtine imagini fotografice, constituind una din multiplele aplicatii ale laserului "holografia,,.

Lumina este o unda electromagnetica caracterizata prin marimea fizica numita amplitudine si prin marimea fizica numita faza.

Lumina poate fi mai intensa sau mai putin intensa, iar intensitatea luminii ei este direct proportionala cu patratul amplitudinii.

La fotografierea un obiect, pe placa fotografica sau pe film se inregistreaza intensitatea luminii care provine de la obiectul fotografiat. Intensitatea luminii este direct proportionala cu patratul amplitudinii, pe placa fotografica sau pe film se inregistreaza amplitudinea luminii. Stratul fotosensibil de placa fotografica sau film ca si retina ochiului este sensibil la intensitatea luminii si la culoarea acesteia.

Aceasta marime, amplitudinea transporta numai unele informatii, unele detalii de la obiectul fotografiat, si de aceea, imaginea de pe placa sau de pe film este intr-un singur plan si nu contine toate detaliile subiectului. Pentru ca pe placa fotografica sau pe film sa se inregistreze toate detaliile obiectului, trebuie ca pe langa amplitudine, sa fie inregistrata si faza undei luminoase.

Aceasta marime, faza stabileste distanta la care se afla obiectul fotografiat si ajuta la obtinerea imaginilor fotografice in relief. O inregistrare completa a informatiilor despre obiectul fotografiat se realizeaza prin metode holografice.

Asadar, holografia reprezinta obtinere de imaginii fotografice in relief cu ajutorul lumini laser.

Prin aceasta metoda holografica pe placa fotografica se inregistreaza cele doua marimi caracteristice ale undei luminoase, amplitudinea si faza, iar informatiile despre subiectul holografiat sunt complete.

Denumirea de holografie deriva de la cuvintele grecesti, holos care inseamna intreg si grafien - scriere. Aceasta denumirea a fost data de catre descoperitorul ei, D. Gabor.

Placa fotografica continand inregistrarea imaginii obiectului fotografiat se numeste holograma.

Pentru inregistrarea unei holograme este absolut necesar sa existe, pe langa fasciculul luminos difuzat de obiectul a carui inregistrare dorim sa o facem si un fascicul coerent de aditie sau unda de referinta sau purtator.

Fasciculul laser luminos ce provine de la un laser este impartit in doua fascicule laser 1 si 2 de catre o lama semitransparenta L.

Fasciculul laser 1 ilumineaza un careu delimitat de pe suprafata Lunii, iar unda de referinta 2 ilumineaza direct placa fotografica F.

Aceasta unda de referinta 2 constituie fondul coerent de aditie, denumit purtator. Unda de referinta 2 interfera cu unda difuzata 3 de suprafata Lunii, iar pe placa fotografica F se inregistreaza holograma.

In cazul acesta pentru a inregistra imaginea unui obiect prin holografiere, trebuie sa existe doua fascicule de lumina laser, unul provenind de la obiectul ce trebuie holografiat, iar cel de-al doilea fascicul poate proveni de la o alta sursa de fascicul laser.

Un lucru extrem de interesant este acela ca, daca se sparge o placa fotografica se obtin tot atatea imagini complete (a obiectului sau lucrului holografiat) cate bucati sau cioburi exista. Nu este acelasi lucru cu ruperea, taierea sau sectionarea unei imagini obtinuta pe hartie fotografica, in oricare din cazuri ramanem numai cu o parte a imaginiifotografiate.

In cazul acesta prin holografiere putem obtine imagini ale solului unei planete din sistemul nostru solar sau a unor obiecte indepartate din imensitatea Universului.