Diožu lāzeri – sadzīvē, tehnikā un zinātnē

Dr. fiz. Jānis Alnis

Laikam daudzi kādreiz ir sapņojusi uzbūvēt īstu lāzeri. Skolas laikā astoņdesmito gadu vidū sastapos ar grāmatu, kurā bija aprakstīts kā izgatavot lāzeri. Bet tūlīt arī radās nepārvarama problēma, jo izgatavošanai bija nepieciešams dārgakmens rubīna kristāls. Studiju gados kāds no vecākajiem biedriem stāstīja, kā viņš mājās mēģina izgatavot hēlija-neona lāzeri, kam ir nepieciešama caurulīte ar šo abu gāzu maisījumu un labi spoguļi. Šobrīd ir daudz kas mainījies, un pie īsta lāzera var tikt pavisam vienkārši, piemēram, iegādājoties rādāmkociņu, vai kompaktdisku atskaņotāju.

Pusvadītāju gaismu izstarojošās ierīces ir spēcīgi ietekmējušas mūsdienu tehnoloģijas. Gaismu izstarojošo diožu spilgtums un izturība padara tās ideālas displejiem, savukārt pusvadītāju lāzeri tiek pielietoti sākot ar optiskajām sakaru sistēmām un beidzot ar kompaktdisku atskaņotājiem.

Ar ko atšķiras gaismas diode no lāzerdiodes? Gaismu izstarojošā diode pamatā sastāv no „aktīvā” pusvadītāja materiāla slāņa, kas novietots starp n-tipa un p-tipa pusvadītājiem. Kad pāreju pieslēdz spriegumam, sāk plūst strāva, un notiek gaismas izstarošana (emisija), kad elektroni vadītspējas līmeņa apakšslānī spontāni rekombinējas ar caurumiem valences līmeņa augšslānī. Novietojot spoguļus abās pusēs aktīvajam slānim, var izveidot tā saucamo rezonatoru, kurā izstarotā gaisma var tikt pastiprināta inducētā starojuma dēļ. Šādu ierīci sauc par lāzerdiodi. Par spoguļiem lāzerdiodē kalpo lāzera kristāla sānu skaldnes. Kā jau visiem lāzeriem, arī lāzerdiodes starojums ir koherents un monohromātisks.

Pirmie diožu lāzeri tika izgatavoti jau 1962. gadā, t.i. divus gadus pēc rubīna lāzera demonstrēšanas, bet tikai astoņdesmitajos gados tos sāka izmantot komerciāli informācijas pārraides un uzglabāšanas sistēmās.

Rūpnieciski izgatavotas lāzerdiodes ir kompaktas un ar augstu lietderības koeficientu (aptuveni 20%). To viļņa garumu ir iespējams mainīt 10-20 nm robežās sildot vai dzesējot lāzerdiodes korpusu , jo atkarībā no temperatūras izmainās pusvadītāja aizliegtās zonas platums. Spektrālās līnijas platums vienmodas lāzeriem ir 30-70 MHz, kas ir nedaudz salīdzinot ar lāzera viļņa optisko frekvenci 10¹⁴ Hz. To jauda ir līdz 100mW. Darba strāvu, un līdz ar to arī izejas jaudu, ir iespējams ātri modulēt ar frekvenci >1 GHz, ko plaši izmanto optiskos sakaros. Jaudīgus diožu lāzerus ar >10 W jaudu var izgatavot novietojot vairākus lāzeru kristālus uz vienas pamatnes.

Dažādu viļņa garumu diožu lāzeru pielietojumi:

· Zilu gaismu izstarojoši diožu lāzeri ar viļņa garumu 400 nm, kas komerciāli pieejami kopš 2000. g., ir iekļauti nākamās paaudzes DVD atskaņotāju standartā. Ziliem diožu lāzeriem ir īsāks gaismas viļņa garums nekā sarkaniem diožu lāzeriem un tādēļ staru ir iespējams safokusēt mazāka izmēra difrakcijas ierobežotā punktā. Līdz ar to diskā var ierakstīt vairāk datu.

· Sarkanie diožu lāzeri ar viļņa garumu 635 un 670 nm tiek izmantoti svītru koda nolasītājos un rādāmkociņos, bet 670 nm – lāzerprinteros, jo fotovadošā materiāla slānis ir visjutīgākais šajā spektrālā apgabalā.

· Infrasarkanie diožu lāzeri ar viļņa garumu 780 nm atrodas kompaktdisku atskaņotājos. Šie lāzeri ar jaudu daži mW spīd pietiekami spoži, lai varētu radīt redzes defektus, lai gan to starojums ir tik tikko saskatāms, jo atrodas uz acs infrasarkanās jutības robežas.

· Jaudīgas lāzerdiodes 820 un 908 nm izmanto Nd:YAG lāzeru pumpēšanai.

· Lāzerdiodes ar viļņa garumu 1,3 mm un 1,5 mm – optisko šķiedru komunikācijās. Stiklam ir vismazākā absorbcija pie 1,5 mm un vismazākā dispersija pie 1,3 mm.

· Medicīniskā tehnika: Doplera efekta asins plūsmas mērītājs, audzēju ārstēšana ar gaismas izraisītu ķīmisku reakciju (fotodinamiskā lāzeru terapija), ķirurģija.

· Atomu un molekulu spektroskopija: H, Li, Na, K, Rb, Cs, Ne, Ar, Xe, I₂, atomu lāzerdzesēšana, vides piesārņojuma gāzu monitorings (NO₂, SO₂). Tālā infrasarkanā apgabala diožu lāzeri ar viļņa garumu līdz pat 29 mm nm darbojas pie šķidrā slāpekļa temperatūrām un ar tiem var mērīt molekulu rotācijas spektrus.

Bez tam diožu lāzerus pielieto materiālu apstrādei, militārā aparatūrā (tēmēkļi), ģeodēzijā (attāluma mērītāji) u.c.

Pielietojumi gāzu spektroskopijā

Gāzu spektroskopija ir viena no optikas nozarēm, kas pēta kā dažādas gāzes un vielu tvaiki absorbē dažādu krāsu gaismu. Spektroskopijas aizsācējs bija Ņūtons, kas, laižot saules gaismu caur stikla prizmu, noteica, ka baltā gaisma sastāv no dažādu krāsu spektra. Vēlāk Fraunhofers skatījās uz saules spektru ar lielāku izšķirtspēju un atklāja spektrā tumšas līnijas, kas ir saules atmosfērā esošā hēlija un ūdeņraža atomu absorbcijas līnijas. Tā tika likti pamati spektroskopijai, kas mūsdienās tiek plaši pielietota, lai ar gaismas palīdzību noteiktu dažādu gāzu klātbūtni un mērītu gāzu koncentrāciju.

Par gaismas avotu spektroskopijā bieži tiek lietoti lāzeri ar skanējamu (maināmu) izstarotās gaismas viļņa garumu, lai selektīvi ierosinātu tikai pētāmās gāzes absorbcijas līnijas. No optisko sakaru un datortehnoloģijām spektroskopisti ir ieguvuši skanējama viļņa garuma pusvadītāju diožu lāzerus, kas ir salīdzinoši lēts, kompakts un energoekonomisks lāzeru veids ar ilgu darba mūžu.

Gāzu absorbcijas spektroskopija ar diožu lāzeriem sniedz iespēju mērīt gāzu koncentrāciju plašā diapazonā sākot ar skābekli vai ogļskābo gāzi izelpotajā gaisā un beidzot ar atmosfēras piesārņojuma gāzēm ppm (parts per million) robežās. 1 ppm atbilst viens piesārņojuma gāzes atoms starp miljonu citu. Absorbcijas garums var būt respiratora caurulīte vai daži km atmosfērā.

Diožu lāzeri nodrošina lielu gaismas intensitāti uz detektora un ātru detektēšanu. Piemēram, novietojot diožu lāzera spektrometru automaģistrāles vienā pusē un spoguli otrā pusē, ir iespējams mērīt CO₂ dūmgāzēs pēc katras garāmbraucošas automašīnas. Konferencēs tiek ziņots par pētījumiem, ka ar līdzīgu metodi ir iespējams caur automašīnas logu detektēt alkohola tvaiku klātbūtni kabīnē.

Diožu lāzeri tiek plaši pielietoti šobrīd aktuālos eksperimentos, skat. att., aukstu atomu (parasti Rb vai Cs) iegūšanai ar rekord-zemām temperatūrām, kas ir apmēram tikai 100 nK virs absolūtās nulles, un jauna vielas agregātstāvokļa, tā sauktā Bozes-Einšteina kondensāta iegūšanā, kur visi atomi, līdzīgi kā fotoni lāzerā, svārstās vienā fāzē. Par sasniegumiem atomu lāzerdzesēšanā 1997. un 2001. gados ir piešķirtas Nobela prēmijas fizikā.

Rb atomu lāzerdzesēšanas eksperimenta piemērs (Oklahomas Universitāte, ASV). Uz optikas galda ir redzamas 7 kastītes ar diožu lāzeriem un optikas turētāju „mežs”. Aukstākā vieta Oklahomā ir nedaudz saskatāma attēla labajā augšējā pusē.

Vēl jāpiebilst, ka mūsdienās visprecīzākie mērījumi tiek veikti, izmantojot optiskas metodes. Ir iespējams nostabilizēt diožu lāzera izstarotās gaismas viļņa garumu uz kādas atomārās vai molekulārās absorbcijas līnijas, piemēram Rb, Cs joda vai ūdens tvaika. Gāzes absorbcijas līniju viļņu garumi ir tādi paši gan Latvijā¸ gan Vācijā, gan Amerikā, un tāpēc tos var izmantot par precīzu etalonu garuma mērīšanai. Izveidojot Maikelsona interferences eksperimentu, ir iespējams saskaitīt cik gaismas viļņa garumu ietilpst mērāmajā mehāniskajā detaļā. Citā pielietojumā vakuumā lidojoša atoma ārējais elektrons tiek izmantots par ļoti labu svārstu, un uz atomu absorbcijas līnijām izveidoti ļoti precīzi pulksteņi, kad divi pulksteņi rāda vienādu laiku ar 13 ciparu precizitāti, kamēr kvarca rokas pulksteņu nestabilitāte parādās jau piektajā ciparā.

Mājas eksperimenti ar diožu lāzeriem

Attēlā parādīta tipiska lāzerdiode šķērsgriezumā. Gaisma no lāzerdiodes ir stipri izklīstoša, apmēram 30° leņķī īsā lāzera rezonatora dēļ, kas ir mazāks par 1 mm. Staram ir eliptiska forma, lāzera kristāla skaldņu dažādo izmēru dēļ. Izklīstošo gaismu kolimē ar lēcu, kuras fokusa attālums ir apmēram 5 mm. Kolimēta stara diametrs ir apmēram 5 mm un būtiski nemainās vairāku metru attālumā. Korpusā iebūvēto monitorfotodiodi iespējams izmantot lāzera jaudas mērīšanai.

Komerciāla lāzerdiode šķērsgriezumā un tās vienkāršākā elektriskā ieslēgšanas shēma.

Attēlā ir parādīta vienkāršākā lāzerdiodes elektriskā ieslēgšanas shēma, kuru saslēdzot jāuzmanās, lai caur lāzerdiodi neplūstu pārāk liela strāva, kas to neatgriezeniski sabojās. Lāzerdiodes mazā kristāla izmēra dēļ to var viegli sabojāt arī statiskā elektrība no cilvēka rokām, kas uzkrājas aukstā sausā laikā berzes dēļ.

Pie mazām darba strāvām lāzerdiode spīd kā parasta gaismas diode, bet, pie lielākas strāvas sāk spīdēt kā lāzers, un ir iespējams novērot gaismas interferences efektus. Tā, izklīstošai lāzera gaismai atstarojoties no papīra virsmas, virsma gaismas interferences dēļ izskatīsies graudaina. Kustinot galvu no vienas puses uz otru liksies, daudziem cilvēkiem liekas, ka šie “graudi” pārvietojas, ko var izmantot redzes testēšanai. Ja “graudi” pārvietojas tajā pašā virzienā uz kuru griežas galva, tad cilvēkam ir tālredzība, bet ja pārvietojas galvas kustībai pretējā virzienā, tad cilvēkam ir tuvredzība (stari fokusējas acī pirms tīklenes).

Interesants ir acs atmiņas efekts, kad ātri kustinot lāzera rādāmkociņa “sauleszaķīti” pa gaišiem griestiem, liekas, kas ir redzamas nepārtrauktas līnijas. Šo efektu izmanto lāzeršovos dažādu figūru zīmēšanai, kad lāzera stars atstarojas no spogulīšiem, kurus ātri groza dators. Vienkāršu lāzeršovu ir iespējams izgatavot pat mājas apstākļos, skat. att., izmantojot lāzer-rādāmkociņu (ilglaicīgai barošanai ieteicams izmantot 4,5 V bateriju), kura stars tiek virzīts uz skaļruņa membrānai piestiprinātu nelielu vieglu spogulīti. Skanot mūzikai, spogulītis vibrē un, projicējot atstaroto staru uz griestiem, zīmē tā sauktās Lisažū figūras. Tā ir vienkārša iespēja ieraudzīt skaņu. Spogulītis piestiprināts membrānai uz tievas kājiņas, kas palielina tā svārstību amplitūdu. Mainot piestiprināšanas punktu iegūst, ka dažādos virzienos svārstībām ir rezonanse pie dažādām mūzikas frekvencēm.

Mājas lāzeršova konstrukcija un tā radītā attēla piemērs.

Autors izmanto diožu lāzerus atomu un molekulu spektroskopijas eksperimentālos pētījumos Latvijas Universitātes Fizikas un matemātikas fakultātes laboratorijās, skat., http://home.lanet.lv/~asi/ un priecāsies par lasītāju atsauksmēm. Interesanta informācija par dažādu lāzeru izgatavošanu un interesantiem eksperimentiem ar tiem atrodama Internetā Sam’s laser FAQ:

http://www.repairfaq.org/sam/laserfaq.htm