MARI DESCOPERIRI ALE FIZICII

Absorbţia de raze-X

          Absorbţia acestora de către atmosfera Pamantutui este împărţită pe mai multe strauri atmosferice. Absorptia se face în următorul mod:

  • Fotonii razelor-X-particule minuscule încărcate cu energie electromagnetică puternică – sunt absorbiţi de orice întâlnesc în cale şi care este compus din atomi
  • Cantitatea de radiaţii se împuţinează trecând prin ionosferă şi prin stratul de ozon.

Ce se întâmplă când razele-X sunt absorbite în atmosferă?

          Energia unei unde X încearcă să deplaseze un electron de la orbita lui din jurul unui atom de oxigen. Acest proces se numeşte absorbție foto-electrică, deoarece un foton este absorbit în procesul înlăturării electronului de la atom.

          Telescoapele pentru observarea razelor-X de deasupra Pământului pot colecta radiaţii de tip X de la surse care se află la miliarde de ani lumină depărtare. Aceste radiatii-X de provenienţă cosmică sunt focalizate de o oglindă concavă şi redirecţionate spre un aparat de măsură a intensităţii şi proprietăţilor cum ar fi direcţia din care vin şi energia razelor-X. Un material solid sau gazos din interiorul aparatului absoarbe aceste raze sub efectul foto-electric.

Semiconductorii şi Laserul

Scurt istoric. Introducere în problematica LASER.

          Despre efectul LASER se cunosc deja foarte multe. Această ramură a ştiinţei s-a dezvoltat foarte mult de la începuturile sale (1955-1965) şi până în ziua de astăzi. Deşi bazele teoretice erau mai mult sau mai puţin stabilite, primii care reuşesc să concretizeze toate teoriile şi presupunerile au fost doi ruşi şi un american.

          În ordine sunt prezentaţi Charles H. Townes (Massachusetts Institute of Technology (MIT), Cambridge, MA, USA; născut în 1915), Nicolay Gennadiyevich Basov (Lebedev Institute for Physics Akademija Nauk Moscow, USSR; născut în 1922) şi Aleksandr Mikhailovich Prokhorov (Lebedev Institute for Physics Akademija Nauk Moscow, USSR; născut în 1916). Cei trei au împărţit premiul Nobel atribuit în 1964 pentru „cercetările fundamentale în domeniul electronicii cuantice care au condus la construirea oscilatoarelor şi a amplificatorilor bazaţi pe principiul maser-laser”.

          Partea teoretică este uşor de găsit în majoritatea manualelor, cursurilor şi compendiilor de fizică existente aşa că lucrarea de faţă nu se va concentra asupra acestui aspect. Principiul LASER constă în faptul că atomii eliberează energie sub formă de fotoni atunci când parcurg tranziţia de pe un nivel de excitare metastabil spre un nivel de echilibru. Această tranziţie se face sub influenţa unui factor declanşator şi de aceea emisia de energie se numeşte emisie stimulată sau emisie indusă. Odată pornită reacţia aceasta se propagă sub forma piramidală astfel, un foton emis de un atom dezexcitat va declanşa reacţia la altul, acesta la rândul lui va emite un foton şi îl va elibera şi pe cel incident. Avem doi fotoni care se vor înmulţi exponenţial. Astfel se produce o amplificare a radiaţiei luminoase.

Tipuri de laser.

          Părţile constituente ale unui laser sunt:

  • mediul activ,
  • sistemul de excitare
  • rezonatorul optic

          Partea esenţială a unui dispozitiv laser o constituie mediul activ, adică un mediu în care se găsesc atomii aflaţi într-o stare energetică superioară celei de echilibru. În acest mediu activ se produce amplificarea radiaţiei luminoase (dacă avem o radiaţie luminoasă incidentă) sau chiar emisia şi amplificarea radiaţiei luminoase (dacă nu avem o radiaţie luminoasă incidentă). Sistemul de excitare este necesar pentru obţinerea de sisteme atomice cu mai mulţi atomi într-o stare energetică superioară. Există mai multe moduri de a realiza excitarea atomilor din mediul activ, în funcţie de natura mediului. Rezonatorul optic este un sistem de lentile şi oglinzi necesare pentru prelucrarea optică a radiaţiei emise. Deşi la ieşirea din mediul activ razele laser sunt aproape perfect paralele rezonatorul optic este folosit pentru colimarea mult mai precisă, pentru concentrarea razelor într-un punct calculat, pentru dispersia razelor sau alte aplicaţii necesare.

          După natura mediului activ deosebim mai multe tipuri de laser. Printre acestea regăsim laserul cu rubin, la care distingem bara de rubin tratat, drept mediul activ iar ansamblul sursă de lumină plus oglinzi poartă rolul de sistem de excitare. Laserul cu gaz foloseşte amestecuri de gaze rare (He, Ne, Ar, Kr) sau CO2 drept mediu activ şi o sursă de curent electric legată la doi electrozi iau rolul de sistem de excitare.

LASER-ul cu semiconductori.

Aprecieri teoretice.

          Laserul cu semiconductori este constituit ca şi celelalte tipuri de laser tot pe şablonul mediu activ, sistem de excitare, rezonator optic. În acest caz un amestec semiconductor este folosit ca mediu activ. Cel mai adesea se folosesc combinaţii de metale din aceleaşi perioade ale grupelor III-a şi V-a. Dintre acestea semiconductorul cel mai folosit este cel format din Galiu şi Arsenic (Ga,As). Alte medii active au fost obţinute atât din amestecuri ale elementelor grupelor II-a şi V-a (Zinc şi Seleniu – Zn,Se) cât şi din amestecuri de trei sau patru elemente. Ultimele două sunt mai ades folosite pentru emisia unor radiaţii mult mai precise din punct de vedere al lungimii de undă. Sistemul de excitare este constituit din două straturi de semiconductori, unul de tip p şi unul de tip n. Pentru a înţelege mai bine aceste două noţiuni trebuie amintite câteva considerente teoretice cu privire la fizica solidului, în special principiul semiconductorilor.

          Semiconductorii sunt o clasă de materiale larg folosite în electronică datorită posibilităţii controlului proprietăţilor electrice. Rezistivitatea electrică a unui semiconductor scade odată cu creşterea temperaturii iar valoarea ei poate fi modificată în limite foarte largi (10-2 – 108 W cm). Într-un semiconductor foarte pur, conductibilitatea electrică este dată de electronii proprii, numită şi conductibilitate intrinsecă, iar în cazul materialelor impurificate avem de-a face cu o conductibilitate extrinsecă. Conductibilitatea intrinsecă poate fi explicată pe scurt astfel:

          La 0K, electronii sunt aşezaţi în legăturile covalente formate între atomii semiconductorului intrinsec. Odată cu creşterea temperaturii unii electroni se rup din legături fiind liberi să circule în tot volumul cristalului. Se produce un fenomen de ionizare, iar în locul electronului plecat rămâne un gol. Imediat el se ocupă cu un alt electron alăturat, golul se deplasează o poziţie. Dacă aplicăm un câmp electric în semiconductor, electronii liberi se vor mişca în sens invers câmpului, dar şi golurile vor forma un curent pozitiv de acelaşi sens cu câmpul. Cel mai interesant fenomen îl reprezintă modificarea spectaculoasă a rezistivităţii electrice a semiconductorilor prin impurificare. Astfel, dacă din 105 atomi de Siliciu unul este înlocuit cu un atom de Bor, rezistivitatea siliciului scade, la temperatura camerei, de 1000 de ori !!! Impurificarea reprezintă o problemă specifică şi fundamentală a fizicii şi tehnologiei semiconductorilor. Dacă impurificam Germaniul (grupa IV-a, patru electroni de valență) cu un element din grupa a 5-a (cinci electroni de valență) vom obţine un amestec cu un electron de valență liber. Această impuritate constituie un donor. Semiconductorul astfel impurificat este de tip n, iar nivelul său de energie este mai aproape de zona de conducţie. Dacă impurificarea este făcută cu atomi din grupa a 3-a (trei electroni de valență), acesta se va integra în reţeaua cristalină cu doar trei legături covalente, rămânând, deci, un gol capabil de a captura electroni în jurul atomului trivalent. Din această cauză atomii acestui tip de impurităţi au primit numele de acceptori. Într-un semiconductor astfel impurificat vor predomina sarcinile pozitive, de unde numele de semiconductor de tip p. Joncţiunile p-n sunt ansambluri formate prin alipirea unui semiconductor de tip p cu unul de tip n. Zona de separare, interfaţa, are mărimi de ordinul 10-4 cm. La suprafaţa semiconductorului n apare un surplus de electroni iar la suprafaţa semiconductorului p un surplus de goluri. Astfel apare tendinţa de compensare a acestora prin difuzia electronilor de la un semiconductor la celălalt.

Laserul cu semiconductori. Construire. Consideraţii practice.

          Revenind la laserul cu semiconductori, având stabilită o bază teoretică minimală putem trece la detalierea practică a principiilor enunţate anterior. Laserul cu conductori este, de fapt, un sandwich format din 3 straturi de semiconductori la care se adaugă elementele sistemului de excitare. La acest tip de laser energia necesară excitării sistemului de atomi din mediul activ cât şi factorul declanşator sunt date de curentul electric. Datorită faptului că acest sandwich corespunde modelului clasic de diodă, de aici încolo se va folosi şi termenul de diodă. Randamentul unei astfel de diode este în jurul a 30% dar amplificarea este destul de mare. Curentul necesar trebuie să aibă o densitate de câteva mii de amperi pe centimetru dar având în vedere că o diodă laser are mărimi foarte mici, curentul necesar este adesea sub 100mA. Pentru a obţine rezultate satisfăcătoare, în practică se folosesc mai multe straturi. Cât priveşte stratul activ, lungimea lui nu depăşeşte 1 mm, iar grosimea sa este, în funcţie de model, de la 200 până la 10 nm. În general grosimea stratului activ variază între 200 şi 100 nm. Datorită faptului că este atât de subţire, fascicului emis este foarte divergent (pentru un laser) şi astfel laserul cu semiconductori se bazează foarte mult pe rezonatorul optic ce trebuie ales cu mare grijă şi trebuie poziţionat foarte precis pentru a obţine performanțe maximale. De obicei un sistem format din două lentile plan-convexe poziţionate cu fețele convexe una spre cealaltă la anumite distanţe calculabile este suficient pentru a obţine un fascicul destul de bine colimat cu razele aproape perfect paralele.

          Acest fenomen este tratat în mod diferit în funcţie de necesităţi. Se poate crea o cavitate rezonantă prin poziţionarea unei oglinzi perfecte şi a uneia semitransparente, se poate folosi emisia „din spate” pentru a măsura proprietăţile fasciculului principal, se poate folosi aceeaşi emisie din spate pentru a măsura şi controla curentul ce trece prin diodă. Diodele laser sunt foarte sensibile la curenţi şi de aceea controlul strict asupra acestora este absolut necesar. Uneori este necesară doar o variaţie mică a tensiunii sau a puterii şi dioda se va arde. Diodele laser sunt poate, cele mai fragile dispozitive de emisie laser. Faptul că stratul activ are, de fapt, mărimea unei bacterii este cel ce stă la baza afirmaţiei anterioare. Acest strat poate fi uşor distrus prin supunerea la curenţi neadecvaţi, prin influenţe electrostatice, prin încălzire excesivă. Stratul activ se poate autodistruge chiar şi fără prezenţa vre-unuia din factorii enumeraţi mai sus. Simpla emisie a luminii poate vaporiza acest strat minuscul dacă lumina emisă este prea puternică.

          O diodă, deşi minusculă, poate dezvolta puteri ale luminii de până la 3-5 mW. Deşi sunt mai rare şi mult mai scumpe, diodele ce dezvolta zeci de mii de mW există şi se găsesc în inscriptoarele de CD şi în alte instrumente şi aparate de profil. În ceea ce priveşte divergența fasciculului, în prezent, majoritatea pointerelor reuşesc performanţa de a păstra divergența la sub un mm la fiecare 5 metri. Spectrul de culori acoperit de laserii cu semiconductori este în zona roşie 630-780 nm dar nu este limitat numai aici.

Please follow and like us: