Cuvântul laser este un acronim al termenului englezesc „amplificarea luminii prin emisie stimulată de radiație”, care poate fi explicată ca amplificarea luminii printr-o emisie forțată (stimulată) de radiație.” Un laser este un dispozitiv care generează un fascicul coerent de radiație electromagnetică în lungimea de undă de la ultraviolet la infraroșu în care, în mediul activ, fenomenul de amplificare a radiațiilor este utilizat prin emisie forțată (Hecht 2005; Ion 2005).

Un laser este o sursă de radiație electromagnetică în intervalul de radiații infraroșii până la radiații ultraviolete (inclusiv domeniul de lumină vizibilă) produsă ca urmare a activității de emisie stimulată. Spre deosebire de sursele tradiționale de lumină, radiația laser are câteva caracteristici rezultate din modul de generare a radiației luminoase de către un laser, adică:

1. O mică disparitate a unui fascicul laser (așa-numita directivitate)
2. Monocromaticitate ridicată
3. Capacitatea de a concentra un fascicul laser pentru a obține o densitate mare de putere într-un loc, mai mare decât densitatea de putere a sursei
4. Consistență și ordine în timp și în spațiu
5. Paralelism
6. Capacitatea de a obține o putere foarte mare într-un puls, cu durată foarte scurtă (pulsuri de lumină care durează chiar și de la câteva până la câteva zeci de femtosecunde)

Conform cercetărilor efectuate de oamenii de știință cu privire la radiația unui corp negru, precum și de un excelent fizician, Max Planck, știm acum că energia nu este emisă și absorbită în mod continuu, ci în porții adecvate, indivizibile de energie, așa-numite cuante (efect de absorbție, Fig. 1). Energia cuantelor este proporțională cu frecvența de vibrație a unei unde electromagnetice și poate fi determinată cu formula (1) (Steen și Mazumder 2010)

E = hν (1)

unde
E – Energia
h – Constanta Planck (6.626 069 57(29) · 10^-34 J · s)
ν – Lungimea undei electromagnetice

Această teorie stabilește o bază pentru formularea unei teorii a undei corpusculare a luminii, pentru explicarea unui fenomen fotoelectric și este, de asemenea, una dintre bazele teoriei structurii materiei (Steen și Mazumder 2010). Niels Bohr și-a publicat în 1913 teoria structurii atomului (Ion 2005) în care susținea că nu numai lumina este supusă cuantizării, ci și nivelurile de energie prin care un electron se mișcă în jurul unui atom. Aceasta înseamnă că particulele elementare nu pot circula în cadrul unei distanțe dată de fisiunea nucleară (pentru a spune altfel: nu pot poseda orice energie dată), dar ele se mișcă de-a lungul orbitalilor strict specificați, ceea ce înseamnă că și energia electronilor este cuantizată. Mai mult, este posibil ca electronii să „tranziteze” de la un nivel de energie la altul; aceasta, însă, este legată de emisia sau absorbția de energie a radiațiilor electromagnetice (Steen și Mazumder 2010). Electronii situați la niveluri mai mari de energie au o energie mai mare decât electronii de la niveluri inferioare, ceea ce permite unei particule să sară de la un nivel inferior la un nivel superior, cu condiția ca unei astfel de particule să fie livrată energie, care este egală sau mai mare decât diferența de energie între niveluri. Un foton cu o anumită lungime de undă poate fi sursa acestuia (bosonul cu spin întreg fiind un purtător al unei cuante de radiație electromagnetică). Dacă un electron este situat pe o orbită de energie mai mare nenaturală pentru un astfel de electron în condiții stabile, atunci se numește electron excitat, iar durata de viață a unei astfel de particule într-o stare excitată este de aprox. 0,01–0,0000001 s. Dacă, în acest timp, niciunul dintre fotoni nu „forțează” electronul să revină la un nivel de energie mai scăzut, această schimbare se va face de la sine, fără influența unui factor extern. Un atom va reveni la starea de bază cu energia E0 și va fi emisă o cuantă identică de radiație, egal cu cuanta care fusese absorbită anterior. Acest fenomen se numește emisie spontană de radiații (Fig. 2).

Dacă același foton, care a fost absorbit anterior, acționează asupra atomului excitat, are loc o emisie stimulată, în urma căreia este emis fotonul stimulator și stimulat și ambii au aceleași proprietăți (aceeași direcție și fază) (Fig. 3). Astfel de bosoni pot participa apoi la o altă emisie stimulată sau la absorbție. În condițiile potrivite, aceștia sunt capabili să ducă la generarea unui efect masiv de emisie de lumină (Steen și Mazumder 2010).

Fenomenul de mai sus de emisie stimulată în cascadă formează o bază pentru activitatea laserelor; totuși, o condiție necesară pentru ca aceasta să apară este inversarea distribuției Boltzmann (așa-numita inversare a populației, adică o stare în care se observă mai multe particule cu energie mare decât particule cu energie scăzută), altfel majoritatea fotonilor vor suferi absorbție, fără a provoca întărirea undei electromagnetice. Este dificil de realizat inversarea populației având în vedere un ciclu de viață foarte scurt al electronilor în stare excitată. Esențial pentru realizarea acesteia sunt materialele sau compușii chimici (de exemplu, corpurile solide (stronțiu și tungsten de calciu); bariu, stronțiu, lantan și fluorură de calciu; niobat de calciu, fier (granat de aluminiu), molibdat de calciu, dopate cu diferite elemente; fluide ( SeOCL2, POCL3); gaze (He + Ne, CO2 + N2 + He, He + Cd, He + Sn); și gaze prețioase) care au așa-numitele niveluri metastabile, adică benzi pe care un electron poate fi la un nivel de energie mai înalt mult mai mult decât în ​​timpul unei stări normale excitate. Atunci este mult mai ușor să inversați distribuția Boltzmann și este relativ de lungă durată. Ele se caracterizează printr-o energie mult mai mică decât benzile de excitație. Așa-numitele sisteme de pompare sunt utilizate pentru a asigura o energie adecvată pentru realizarea inversării populației. Pot fi distinse pompele optice - acestea sunt, în special, surse puternice de lumină (lămpi cu xenon) și alte lasere (diode), iar excitația poate apărea și ca urmare a descărcării electrice și a reacției chimice sau prin ciocnirea atomilor (Fig. 1 din articol).

Când are loc emisia spontană, care inițiază reacțiile de emisie stimulată, fotonii produși sunt distribuiți în toate direcțiile. Pentru a crea o radiație electromagnetică consistentă, un material activ este închis în spațiu (rezonator) de obicei sub formă de cilindru (fig. 1 din articol). Există multe soluții pentru modelul rezonatoarelor. Cele mai simple sisteme încorporează două oglinzi poziționate perpendicular pe axa miezului laser, dintre care una reflectând complet, iar cealaltă este translucidă. Rezonatorul astfel construit se numește „stabil”. Razele curburii oglinzilor sunt astfel selectate încât radiația nu poate scăpa în afara rezonatorului. Se amplifică doar acest fascicul care, după ce a fost reflectat de două ori, se află în aceeași fază, adică în rezonanță cu unda inițială. Radiația este realizată, ca urmare a acțiunii laserului într-un rezonator, cu aceeași direcție de propagare, care apoi iese din sistem prin oglinda translucidă. Un dezavantaj al rezonatoarelor stabile este că o oglindă translucidă este încălzită, ceea ce duce în final la aplicarea lor limitată doar pentru laserele de putere medie. O altă soluție sunt rezonatoarele nestabile, în care se folosesc oglinzi netransparente. O rază în astfel de soluții este generată doar de axa rezonatorului și, prin utilizarea oglinzilor parabolice, este deplasată treptat într-o direcție perpendiculară pe axa rezonatorului și apoi evacuată pe lângă oglindă, prin aplicarea altor oglinzi poziționate la un unghi stabilit. Rezonatoarele nestabile sunt caracterizate prin pierderi de difracție mai mari în comparație cu rezonatoarele stabile (Steen și Mazumder 2010) (Fig. 4).

Se pot distinge următoarele componente ale modelului laser:

1. Sistem de răcire
2. Alimentare electrică
3. Structură portantă cu sistem de control

Laserul are multe proprietăți speciale care îl fac o sursă unică de lumină. Principiul de funcționare al laserului constă în obținerea sau amplificarea unui mediu și un set de oglinzi care trimite lumina înapoi în amplificator pentru creșterea continuă a fasciculului în curs de dezvoltare. Pentru ca fenomenul să se producă, sunt necesare condiții relativ speciale în mediul laser, dar și capacitatea de a genera lumină și de a focaliza lumina într-un fascicul care se deplasează într-o singură direcție. Au trecut mai bine de două decenii de când în 1991 a fost raportată prima aplicație cu laser cu diodă directă pentru prelucrarea materialelor pentru lipire folosind un laser medical cu diodă de 15 W. În prezent, HPDL = high-power diode laser (laser cu diodă de mare putere) este o sursă de energie de ultimă generație. Acest tip de laser este folosit la scară industrială în ingineria materialelor din 1998. Puterea laserului HPDL ajunge până la 6 kW. Marele avantaj al unor astfel de lasere este că permit producerea de forme dreptunghiulare, pătrate, liniare sau circulare ale focalizării fasciculului laser. Acestea oferă distribuția controlată a energiei în zona de focalizare cu o densitate de putere de până la 10⁵ W/cm². Datorită unui coeficient ridicat de absorbție a radiațiilor, un fascicul laser nu trebuie să fie ghidat prin sisteme optice complexe, ceea ce provoacă o pierdere de energie de 10-30% și se obține o eficiență energetică ridicată de 50%. Robotizarea proceselor tehnologice este ușoară; sunt fiabile și universale, ceea ce le face un instrument foarte atractiv în ingineria materialelor.

Datorită coerenței și direcționalității excelente, fasciculul laser a fost folosit din ce în ce mai intens în ultimii ani pentru modificarea suprafeței metalelor, în special la fabricarea acoperirilor.

Prin aplicarea laserelor pentru alierea suprafețelor, placarea, glazurarea și recoacerea semiconductorilor, se oferă posibilitatea producerii de noi materiale de mai bună calitate. În ultimii ani, modificarea suprafeței folosind surse avansate de căldură, cum ar fi laserele, a forțat metodele convenționale de producere a straturilor de suprafață cu duritate îmbunătățită, rezistență la uzură, rezistență la căldură sau alte proprietăți.

Un fascicul laser este caracterizat de următoarele caracteristici (Hecht 2005; Ion 2005; Kannatey-Asibu 2009; Bonek 2013a; Crafer și Oakley 1992):

• Direcția este definită de axa rezonatorului optic
• Unghi de divergență mic
• Pe secțiunea transversală, cea mai mare intensitate de radiație are loc pe axa rezonatorului
• Capacitatea de focalizare prin intermediul sistemelor optice, spotul este de la 10 la 300 μm în diametru
• Moduri de operare continue și pulsate, asigurând o densitate de putere mai mare
• Radiația este coezivă și coerentă în timp și spațiu; apare o relație de fază constantă pentru un fascicul în timp și între oricare două puncte ale secțiunii sale transversale
• Radiația este foarte monocromatică
• Lungimea de undă a radiației emise de diferite lasere poate fi de la aproximativ 10 nm până la peste 1 mm
• Prezența intensității câmpului electric al undei electromagnetice

Laserul este format din patru elemente de bază (Fig. 5; Dobrzan´ska-Danikiewicz 2012; Hecht 2005; Ion 2005; Kannatey-Asibu 2009; O'Shea; Crafer și Oakley 1992):

• Mediu activ, în care are loc acțiunea laserului
• Rezonator optic (sistem de oglinzi), în care se află mediul laser
• Sistem de răcire a mediului activ; în cazul laserelor cu gaz de mare putere, acesta poate conține pompe care permit fluxul de mediu printr-un schimbător de căldură
• Sursă de putere (pompare), care pompează laserul

Radiația laser este în prezent o sursă de ultimă generație de energie termică utilizată pentru formarea structurii și proprietăților straturilor de suprafață. Tehnicile de fabricare cu laser sunt cele mai promițătoare și eficiente pentru a asigura dezvoltarea în multe ramuri ale industriei și în special în cele în care prelucrarea materialelor este dominantă. Datorită unei livrări foarte precise de energie, radiația laser permite o modalitate mai bună și, de asemenea, mai rapidă de a realiza tratarea suprafeței materialului. De asemenea, facilitează introducerea de noi tehnologii a căror realizare nu este fezabilă prin aplicarea densităților de putere convenționale (Kannatey-Asibu 2009; Steen și Mazumder 2010).

Industria din întreaga lume utilizează deja într-o mare măsură tehnologiile laser, iar cea mai extinsă aplicație industrială în procesele de tratare a materialelor cu laser a fost demonstrată de lasere solide cu mediu cristalin (Nd: YAG, Yb: YAG, Nd: YVO4, lasere cu gaz, și CO2), și există și alte lasere aplicate ca lasere cu fibră (ghid de undă) și scut (disc) având puterea fasciculului laser, impact sau continuu, ajungând chiar și la 100 kW (Hecht 2005; Paschotta 2008; Steen și Mazumder 2010).