Document

Report
5. Lasery
Rola emisji wymuszonej
Rozwój akcji laserowej we wnęce
laserowej
Cechy światła laserowego
Podstawy fizyczne działania laserów:
Inwersja obsadzeń
Wybór ośrodka aktywnego
Przegląd podstawowych typów
laserów
Widmo elektromagnetyczne
i promieniowanie ciała doskonale czarnego
poprzedni wykład:











Rzędy wielkości energii przejść elektronowych
i rotacyjno-wibracyjnych w atomach i
cząsteczkach
Boltzmannowski rozkład obsadzeń
Emisja spontaniczna
Absorpcja, widma absorpcyjne
Światło oświetlające Ziemię
Promieniowanie ciała doskonale czarnego,
rozkład Plancka
Promieniowanie reliktowe
Emisja wymuszona
Einsteinowskie wspólczynniki
Widmo elektromagnetyczne
Proces widzenia u człowieka i zwierząt

Zadania
Einstein pokazał, że prócz emisji
spontanicznej i absorpcji
istnieje również emisja wymuszona.
N2
N1
Emisja
spontaniczna
Absorpcja
N2
N1
Emisja
wymuszona
Współczynniki Einsteina:
A21, B12 i B21 i opisują prawdopodobieństwa przejść między dwoma stanami
w jednostce czasu w wyniku:
• emisji wymuszonej: B21I
• absorpcji: B12I
B12
A21
B21
• emisji sponatnicznej: A21
Relacje Einsteina:
g1B12 = g2B21
A21 8h
 3 ,
B12
c
g1 i g2 – degeneracje stanów 1 i 2
Emisja wymuszona: zjawisko leżące u podstaw działania laserów
Współczynniki Einsteina
Przypadkowa
w czasie i
przestrzeni
Einstein rozważał (1917r.) prędkość przejść między stanami
energetycznymi (np. stanów 1 i 2) atomów w równowadze ze światłem
o irradiencji (natężeniu) I:
prędkość emisji spontanicznej: dN2/dt = A21 N2
prędkość absorpcji:
N2
dN1/dt = B12 N1 I
prędkość emisji wymuszonej: dN2/dt = B21 N2 I
równe prawdopodobieństwa
ale
różne prędkości!
By mogło dojść do równowagi termodynamicznej w obecności
pochłanianych i emitowanych fotonów:
Emisja
spontaniczna
N2
N1
Emisja
wymuszona
Spójna z fotonem
wymuszającym
B12 N1 I = A21 N2 + B21 N2 I
Zazwyczaj:
Absorpcja
N1
N2 << N1 !!!
I słabe
Emisję wymuszoną
można zaniedbać!!!
O emisji wymuszonej
N2
Prawdopodobieństwa emisji wymuszonej i spontanicznej są
równe w:
Absorpcja
N1
Emisja
spontaniczna
N2
T = 33 500 K !!!
W temperaturze pokojowej: ~`10-35
W T = 3000 K (żarówka): ~ 10-4
N1
Emisja
wymuszona
B12 N1 I = A21 N2 + B21 N2 I
Zazwyczaj:
N2 << N1 !!!
I słabe
Emisję wymuszoną
można zaniedbać!!!
Lasery
Rola emisji wymuszonej
Rozwój akcji laserowej we wnęce laserowej
Cechy światła laserowego
Podstawy fizyczne działania laserów:
Inwersja obsadzeń
Wybór ośrodka aktywnego
Przegląd podstawowych typów laserów
Lasery
Lasery
Lasery
LASER*
Działanie lasera bazuje na dwóch zjawiskach:
inwersji obsadzeń i emisji wymuszonej.
* Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
LASER*
wzbudzony
źródło energii pompujacej
LASER*
zwierciadło
całkowicie
odbijające
zwierciadło
wyjściowe
ośrodek wzmacniajacy
wneka laserowa
Unikalne właściwości światła laserowego:
• mała szerokość linii emisyjnej (duża moc
w emisyjnym obszarze widma)
można uzyskać wiązkę:
• spolaryzowaną,
• spójną w czasie i przestrzeni
• o bardzo małej rozbieżności
W laserach impulsowych można uzyskać bardzo
dużą moc w impulsie oraz szybkie narastanie
impulsu.
Laser He-Ne
źródło energii pompujacej
LASERy*
zwierciadło
całkowicie
odbijające
zwierciadło
wyjściowe
ośrodek wzmacniajacy
wneka laserowa
Unikalne właściwości światła laserowego:
• mała szerokość linii emisyjnej (duża moc
w emisyjnym obszarze widma)
łatwo uzyskać wiązkę:
• spolaryzowaną,
• spójną w czasie i przestrzeni
• o bardzo małej rozbieżności
Laser He-Ne
Działanie lasera bazuje na dwóch zjawiskach:
inwersji obsadzeń i emisji wymuszonej.
Rola emisji wymuszonej we wnęce laserowej
Jeden foton emisji spontanicznej może wywołać
lawinę fotonów: początek akcji laserowej.
Proces ten jest podstawą działania laserów.
Ośrodek o wielu atomach wzbudzonych
Cechy światła generowanego w procesie
emisji wymuszonej we wnęce laserowej
• promieniowanie ma tą samą częstotliwość co promieniowanie
wymuszające
• promieniowanie ma ten sam kierunek co promieniowanie
wymuszające (fotony emisji spontanicznej emitowane są w
przypadkowych kierunkach!!!)
• promieniowanie ma tą samą fazę co promieniowanie
wymuszające
Wzmacniacz kwantowy
Wnęka laserowa
(dodatnia pętla sprzężenia zwrotnego)
- rezonator optyczny dla wybranych częstotliwości i kierunku
(wielokrotne odbicie fal) zamknięta jest zwierciadłami, jedno z nich jest
częściowo przepuszczalne.
Wzmacniacz laserowy zamienia się w generator, gdy ośrodek
wzmacniający zostanie umieszczony w rezonatorze.
Wnęka laserowa
- rezonator optyczny dla wybranych częstotliwości i kierunku
(wielokrotne odbicie fal) zamknięta jest zwierciadłami, jedno z nich jest
częściowo przepuszczalne.
Wnęka laserowa zapewnia
olbrzymią gęstość mocy:
(w oszacowaniach
prawdopodobieństwo emisji
spontanicznej można zaniedbać)!
Emitowana wiązka jest równoległa do osi wnęki
(fale, które nie wędrują tam i z powrotem między zwierciadłami,
szybko uciekają na boki bez wzmocnienia).
Tylko te fotony dla których układ optyczny jest rezonatorem (częstość i
kierunek), mogą wielokrotnie przebiec przez ośrodek czynny wywołując emisję
kolejnych fotonów spójnych z nimi; pozostałe fotony nie uczestniczą w akcji
laserowej (straty).
Wnęka laserowa
(dodatnia pętla sprzężenia zwrotnego)
Wybrane częstotliwości
(długości fal):
Wnęka laserowa
Zmiana długości fali przez zmianę
długości drogi optycznej we wnęce
Wnęka laserowa
Wnęka laserowa
(poprzeczne)
Widok modów niepoosiowych
- symetria prostokątna
Wnęka laserowa
I0
R = 100%
I3
I1
I2
Układ laserowy
o wzmocnieniu G
R < 100%
Układ laseruje, gdy fala świetlna o danej długości fali zyskuje na
natężeniu, to znaczy, gdy w obiegu:
I I
3
0
Z obiegiem światła we wnęce związane są straty w natężeniu
(absorpcja, rozpraszanie, odbicia).
Aby mogła zajść akcja laserowa, wzmocnienie promieniowania w
obszarze czynnym musi co najmniej równoważyć straty:
wzmocnienie straty
Równość: wzmocnienie = straty określa próg akcji laserowej
Wnęka laserowa
I0
R = 100%
I3
I1
I2
Układ laserowy
o wzmocnieniu G
R < 100%
Układ laseruje, gdy fala świetlna o danej długości fali zyskuje na
natężeniu, to znaczy, gdy w obiegu:
I I
3
0
Z obiegiem światła we wnęce związane są straty w natężeniu
(absorpcja, rozpraszanie, odbicia).
Aby mogła zajść akcja laserowa, wzmocnienie promieniowania w
obszarze czynnym musi co najmniej równoważyć straty:
wzmocnienie straty
Równość: wzmocnienie = straty określa próg akcji laserowej
Wnęka laserowa
I0
R = 100%
I3
I1
I2
Układ laserowy
o wzmocnieniu G
R < 100%
Układ laseruje, gdy fala świetlna o danej długości fali zyskuje na
natężeniu, to znaczy, gdy w obiegu:
I I
3
0
Z obiegiem światła we wnęce związane są straty w natężeniu
(absorpcja, rozpraszanie, odbicia).
Aby mogła zajść akcja laserowa, wzmocnienie promieniowania w
obszarze czynnym musi co najmniej równoważyć straty:
wzmocnienie straty
Równość: wzmocnienie = straty określa próg akcji laserowej.
Ośrodek laserowy
Akcja laserowa: warunki
I(0)
Zaniedbując emisję spontaniczną, zmiana
gęstości fotonów :
dI
dI
 c
 BN 2 I - BN1I
dt
dz
 B  N 2 - N1  I
I(L)
z
0
L
[Emisja wymuszona minus absorpcja]
Rozwiązaniem jest:
Stała proporcjonalności
I ( z )  I (0) exp   N 2  N1  z
W zależności od różnicy N2 < N1 nastąpi wykładniczy wzrost lub spadek
irradiancji.
W równowadze termodynamicznej, zgodnie z rozkładem Boltzmana: N2 < N1.
Ale jeśli N2 > N1 (inwersja obsadzeń), ma miejsce wzmocnienie.
Jeśli N2 < N1 :
g   N2  N1 
Współczynnik wzmocnienia:
Jeśli N2 > N1:
   N1  N2 
G  exp   N 2  N1  L
Ośrodek laserowy
Akcja laserowa: warunki
I(0)
Zaniedbując emisję spontaniczną, zmiana
gęstości fotonów :
dI
dI
 c
 BN 2 I - BN1I
dt
dz
 B  N 2 - N1  I
I(L)
z
0
L
[Emisja wymuszona minus absorpcja]
Rozwiązaniem jest:
Stała proporcjonalności
I ( z )  I (0) exp   N 2  N1  z
W zależności od różnicy N2 < N1 nastąpi wykładniczy wzrost lub spadek
irradiancji.
W równowadze termodynamicznej, zgodnie z rozkładem Boltzmana: N2 < N1.
Ale jeśli N2 > N1 (inwersja obsadzeń), ma miejsce wzmocnienie.
Jeśli N2 < N1 :
g   N2  N1 
Współczynnik wzmocnienia:
Jeśli N2 > N1:
   N1  N2 
G  exp   N 2  N1  L
Ośrodek laserowy
Akcja laserowa: warunki
I(0)
Zaniedbując emisję spontaniczną, zmiana
gęstości fotonów :
dI
dI
 c
 BN 2 I - BN1I
dt
dz
 B  N 2 - N1  I
I(L)
z
0
L
[Emisja wymuszona minus absorpcja]
Rozwiązaniem jest:
Stała proporcjonalności
I ( z )  I (0) exp   N 2  N1  z
W zależności od różnicy N2 < N1 nastąpi wykładniczy wzrost lub spadek
irradiancji.
W równowadze termodynamicznej, zgodnie z rozkładem Boltzmana: N2 < N1.
Ale jeśli N2 > N1 (inwersja obsadzeń), ma miejsce wzmocnienie.
Współczynnik wzmocnienia:
G  exp   N 2  N1  L
Ośrodek laserowy
Akcja laserowa: warunki
I(0)
Akcję laserową można otrzymać tylko
wtedy, jeżeli w ośrodku czynnym
(kosztem energii wpompowanej w układ)
wytworzymy stan inwersji obsadzeń,
czyli jeśli N2 > N1 .
I(L)
z
0
L
I ( z )  I (0) exp   N 2  N1  z
Aby uzyskać inwersję, trzeba właściwie wybrać ośrodek aktywny.
Współczynnik wzmocnienia:
G  exp   N 2  N1  L
Inwersja obsadzeń:
G  exp   N 2  N1  L
Aby osiągnąć współczynnik wzmocnienia G > 1, czyli:
N2 > N1
W równowadze:
emisja wymuszona musi przewyższać absorpcję,
N2 / N1 = exp(–DE/kBT ),
Trzeba wytworzyć stan nierównowagowy.
gdzie: DE = E2 – E1.
Równowagowe
N2 < N1
obsadzenia stanów cząsteczkowych:
niska T
wysoka T
Stan nierównowagowy
Czasteczki
Energia
Energia
Energia
Energia
Inwersja
Czasteczki
“ujemna temperatura” !
Inwersja obsadzeń;
pompowanie ośrodka aktywnego
Inwersję wytworzyć można kosztem energii wpompowanej w układ w
wyniku oświetlenia światłem (pompowanie optyczne):
• wyładowaniem prądu w gazach,
• innym laserem,
• lampą błyskową,
I
• reakcjami chemicznymi albo
• wykorzystując rekombinację w
półprzewodnikach.
I
I0
R = 100%
I3
I1
Laser medium
I2
R < 100%
I - intensywność lampy błyskowej (użytej do wpompowania energii w ośrodek
aktywny)
Inwersja obsadzeń;
pompowanie ośrodka aktywnego
Inwersję wytworzyć można kosztem energii wpompowanej w układ w
wyniku oświetlenia światłem (pompowanie optyczne):
• wyładowaniem prądu w gazach,
• innym laserem,
• lampą błyskową,
I
• reakcjami chemicznymi albo
• wykorzystując rekombinację w
półprzewodnikach.
I
I0
R = 100%
I3
I1
Laser medium
I2
R < 100%
Jakie warunki muszą być spełnione, by osiągnąć
inwersję obsadzeń, N2 > N1?
Inwersja obsadzeń:
poszukiwanie ośrodka aktywnego
2
Pompowanie,
I
1
Równania bilansu obsadzeń dla układu
dwupoziomowego:
Absorpcja
Emisja wymuszona
N2
N1
Emisja
spontaniczna
dN 2
 BI ( N1  N 2 )  AN 2
dt
Natężenie pompy
dN1
 BI ( N 2  N1 )  AN 2
dt
d DN

 2 BI DN  2 AN 2
dt
N - całkowita liczba
cząsteczek
N  N1  N2
DN  N1  N2
2 N2  ( N1  N2 )  ( N1  N 2 )
d DN

 2 BI DN  AN  ADN
dt
 N  DN
Inwersja obsadzeń:
poszukiwanie ośrodka aktywnego
2
Pompowanie,
I
1
Równania bilansu obsadzeń dla układu
dwupoziomowego:
Absorpcja
Emisja wymuszona
N2
N1
Emisja
spontaniczna
dN 2
 BI ( N1  N 2 )  AN 2
dt
Natężenie pompy
dN1
 BI ( N 2  N1 )  AN 2
dt
d DN

 2 BI DN  2 AN 2
dt
N - całkowita liczba
cząsteczek
N  N1  N2
DN  N1  N2
2 N2  ( N1  N2 )  ( N1  N 2 )
d DN

 2 BI DN  AN  ADN
dt
 N  DN
Inwersja obsadzeń:
poszukiwanie ośrodka aktywnego
2
Pompowanie,
I
1
Równania bilansu obsadzeń dla układu
dwupoziomowego:
Absorpcja
Emisja wymuszona
N2
N1
Emisja
spontaniczna
dN 2
 BI ( N1  N 2 )  AN 2
dt
Natężenie pompy
dN1
 BI ( N 2  N1 )  AN 2
dt
d DN

 2 BI DN  2 AN 2
dt
N - całkowita liczba
cząsteczek
N  N1  N2
DN  N1  N2
2 N2  ( N1  N2 )  ( N1  N 2 )
d DN

 2 BI DN  AN  ADN
dt
 N  DN
Dlaczego w układzie
dwupoziomowym
inwersja nie jest możliwa:
2
Pompowanie,
I
d DN
 2 BI DN  AN  ADN
dt
1
N2
N1
W warunkach stacjonarnych:
0  2BI DN  AN  ADN
 DN  N /(1  2BI / A)
N
 DN 
1  I / I sat
gdzie:
I sat  A / 2B
Isat – natężenie nasycenia
DN jest zawsze dodatnie, niezależnie od tego, jak duże jest I !
Inwersja w układzie dwupoziomowym nie jest możliwa!
Dlaczego w układzie
dwupoziomowym
inwersja nie jest możliwa:
2
Pompowanie,
I
d DN
 2 BI DN  AN  ADN
dt
1
N2
N1
W warunkach stacjonarnych:
0  2BI DN  AN  ADN
 DN  N /(1  2BI / A)
N
 DN 
1  I / I sat
gdzie:
I sat  A / 2B
Isat – natężenie nasycenia
DN = N1-N2 jest zawsze dodatnie, niezależnie od tego, jak duże jest I !
Inwersja w układzie dwupoziomowym nie jest możliwa!
Co najwyżej:
DN  N / 2 dla I  I sat
Inwersja obsadzeń w
układzie trójpoziomowym
Pompujemy poziom 3, który szybko zanika do
metastabilnego (długożyciowego) poziomu 2.
Równania bilansu obsadzeń:
dN 2
 BIN1  AN 2
dt
Emisja
spontaniczna
Absorpcja
dN1
  BIN1  AN 2
dt
3
2
poziom krótkożyciowy
Pump
Pompowanie
Transition
I
1
Fast decay
poziom
długożyciowy
Laser
Transition
Inwersja obsadzeń w
układzie trójpoziomowym
Pompujemy poziom 3, który szybko zanika do
metastabilnego (długożyciowego) poziomu 2.
Równania bilansu obsadzeń:
Emisja
spontaniczna
dN 2
 BIN1  AN 2
dt
Absorpcja
dN1
  BIN1  AN 2
dt
d DN
 2 BIN1  2 AN 2
dt
3
2
Pompowanie
Fast
decay
Szybki
zanik
Przejście
laserowe
1
N - całkowita
liczba cząsteczek
N  N1  N2
DN  N1  N2
2N2  N  DN
2N1  N  DN
d DN
  BIN  BI DN  AN  ADN

dt
Poziom 3 jest
krótkożyciowy,
możemy
zaniedbać
jego
obsadzenie.
Dlaczego w układzie
3
2
trójpoziomowym inwersja
jest możliwa:
Pompowanie
Fast
decay
Szybki
zanik
Przejście
laserowe
d DN
1
  BIN  BI DN  AN  ADN
dt
W stanie stacjonarnym:
0   BIN  BI DN  AN  ADN
 DN  N ( A  BI ) /( A  BI )
1  I / I sat
 DN  N
1  I / I sat
gdzie:
I sat  A / B
Isat – natężenie nasycenia.
Teraz jeśli I > Isat, DN jest ujemne! Inwersja jest możliwa.
Dlaczego w układzie
3
2
trójpoziomowym inwersja
jest możliwa:
Pompowanie
Fast
decay
Szybki
zanik
Przejście
laserowe
d DN
1
  BIN  BI DN  AN  ADN
dt
W stanie stacjonarnym:
0   BIN  BI DN  AN  ADN
 DN  N ( A  BI ) /( A  BI )
1  I / I sat
 DN  N
1  I / I sat
gdzie:
I sat  A / B
Isat – natężenie nasycenia.
Teraz jeśli I > Isat, DN = N1-N2 jest ujemne! Inwersja jest możliwa.
Inwersja obsadzeń w
układzie czteropoziomowym
Załóżmy teraz, że poziom1 też szybko
zanika do poziomu 0.
Z równania bilansu obsadzeń w stanie
stacjonarnym w wyniku rozumowania
analogicznego do poprzedniego:

I / I sat
DN   N
1  I / I sat
gdzie:
I sat  A / B
Isat – natężenie nasycenia.
Teraz DN jest ujemne - zawsze !
3
Szybki zanik
2
Pompowanie
1
0
Przejście
laserowe
Szybki zanik
N - całkowita
liczba cząsteczek
N  N0  N 2
N0  N  N 2
gdyż: N1  0, DN   N2
Pierwszy laser:
Laser rubinowy,
uruchomiony w 1960r (dopiero!)
w Hughes Research Laboratories, Malibu,
California
W laserze Maimana laser ośrodkiem czynnym był
syntetyczny kryształ rubinu wyhodowany przez
Ralpha L. Hutchesona. Patent został jednak
przyznany Gordonowi Gouldowi.
Maiman za prace nad laserem był dwukrotnie
nominowany do nagrody Nobla.
Theodore Harold Maiman
(1927 - 2007)
Laser rubinowy
E3
E2
(jony Cr+ w krysztale Al2O3)
Pierwszy laser, skonstruowany przez
Theodora a Maimana z Hughes Research
Labs w 1960r.
Laser impulsowy pracujący w schemacie
trójpoziomowym. Jest pompowany
optycznie lampą ksenonową przez boczne
powierzchnie walca z rubinu.
3
4F1
rapid decay
(~50ns)
energy (eV)
“2”
2
4F2
“1”
blue
1
2E
692.7
green nm
694.3nm
0
“0”
ground state
Inwersja obsadzeń: podsumowanie
Układ
trójpoziomowy
Układ
dwupoziomowy
Układ
czteropoziomowy
3
Fast decay
3
2
2
N2
N1
Co najwyżej równe
obsadzenia.
Brak laserowania.
2
Fast
decay
Szybki
zanik
Pompowanie
Pompowanie
1
Szybki zanik
Przejście
laserowe
1
Trudno jest
osiągnąć akcję
laserową.
1
0
Przejście
laserowe
Szybki zanik
Laserowanie łatwo
osiągalne!
Inwersja obsadzeń
Fizykom zajęło trochę czasu by zauważyć, że układ czteropoziomowy
jest najkorzystniejszy.
Układ
trójpoziomowy
Układ
dwupoziomowy
Układ
czteropoziomowy
3
3
2
2
N2
Pompowanie
1
N1
1
Fast decay
Szybki zanik
2
Fast
decay
Szybki
zanik
Pompowanie
Przejście
laserowe
1
0
Przejście
laserowe
Szybki zanik
Podsumowanie:
2
B21  B12
1
A21  3

B21  c 3 12
N1B12   N2 A21  N2 B21 
Emisja wymuszona
zgodność:
• faz
• kierunku
• częstości
spójność, kolimacja, monochromatyczność
• Propagacja promieniowania
Laserowanie:

I z   I 0 e z
   N g  Nd 
inwersja obsadzeń
 emisja wymuszona > em. spontaniczna
B21  > A21
konieczne duże   rezonator
Podsumowanie: rozwój akcji laserowej
Sekwencja wydarzeń:
1. Pompowanie, inwersja obsadzeń
2. Emisja spontaniczna
4. Zwierciadło zawraca do wnęki fotony
przyosiowe (kolimacja)
5. Zmiana fazy fali na zwierciadle (węzeł)
6. Narastanie lawiny fotonów emisji
wymuszonej
7. Zwierciadło wyjściowe zawraca część
promieniowania do wzmacniacza (dalsza
kolimacja)
7. Zmiana faza fali na zwierciadle,
8. Przekroczenie progu – AKCJA
LASEROWA
Lasery
Wielorakie konstrukcje:
Różnorodne zastosowania
Zastosowania laserów:
1. Spójność  holografia
2. Monochromatyczność  spektroskopia,
fizyka, medycyna, fotochemia
3. Kolimacja
 spektroskopia, dalmierze
(np. pomiar odl. Ziemia – Księżyc),
 telekomunikacja (światłowody)
 płyty CD, DVD,
4. Intensywność
 militarne,
 przemysł
 medycyna
Klasyfikacja laserów w zależności od
ośrodka czynnego
* Lasery gazowe:
helowo-neonowy (543 nm lub 633 nm)
argonowy (458 nm, 488 nm lub 514,5 nm)
azotowy (308 nm)
kryptonowy (jonowy 647nm, 676 nm)
na dwutlenku węgla (10.6 μm)
na tlenku węgla
* Lasery na ciele stałym
rubinowy (694,3 nm)
neodymowy na szkle
neodymowy na YAG-u (Nd:YAG)
erbowy na YAG-u (Er:YAG) (1645 nm)
tulowy na YAG-u (Tm:YAG) (2015 nm)
holmowy na YAG-u (Ho:YAG) (2090 nm)
tytanowy na szafirze (Ti:szafir)
na centrach barwnych
* Lasery na cieczy (barwnikowe)
* Lasery półprzewodnikowe (diody laserowe)
Laser helowo-neonowy
pierwszy działający laser gazowy (1960r., Laboratorium Bella )
1. Atomy He wzbudzone są
przez rozpędzone
elektrony (wyładowanie
elektryczne).
λ = 632,8 nm
2. Wzbudzone atomy He w
zderzeniach przekazują
energię atomom Ne.
Laser na dwutlenku węgla, CO2
Gazowy laser molekularny, w którym ośrodkiem czynnym jest
mieszanina dwutlenku węgla, azotu, wodoru i helu. Emituje falę w
zakresie podczerwieni, główne linie widmowe znajdują się w zakresie
długości fal 9.4 µm i 10.6 µm. Emitowana moc dochodzi do 100 kW przy
pracy ciągłej i 1013 W przy pracy impulsowej.
Laser na CO2 pracuje
analogicznie do lasera He-Ne:
pompowana jest cząsteczka N2 ,
która przekazuje energię do CO2.
Akcja laserowa zachodzi dla wielu
linii rotacyjnych przejść
oscylacyjnych cząsteczki CO2
Laser na dwutlenku węgla, CO2
Gazowy laser molekularny, w którym ośrodkiem czynnym jest mieszanina
dwutlenku węgla, azotu, wodoru i helu.
Emituje falę w zakresie podczerwieni, główne linie widmowe znajdują się w
zakresie długości fal 9.4 µm i 10.6 µm. Emitowana moc dochodzi do 100 kW
przy pracy ciągłej i 1013 W przy pracy impulsowej.
Zastosowania:
* obróbka materiałów (cięcie i spawanie)
* LIDAR
* chirurgia
* kosmetyka - usuwanie brodawek, tatuaży i blizn
* badania naukowe
35 eV
energy (eV)
Jonowy laser argonowy,
Ar+
Laser o pracy ciągłej.
Wyładowanie w plazmie pozwala
uzyskać wzmocnienie dla ponad 15
przejść.
15.75 eV
0 eV
Linie lasera argonowego:
Długość fali
454.6 nm
457.9 nm
465.8 nm
472.7 nm
476.5 nm
488.0 nm
496.5 nm
501.7 nm
514.5 nm
528.7 nm
Moc względna
.03
.06
.03
.05
.12
.32
.12
.07
.40
.07
Moc
.8 W
1.5 W
.8 W
1.3 W
3.0 W
8.0 W
3.0 W
1.8 W
10.0 W
1.8 W
488
nm
4p
Pumping
(electron
impact)
515n
m
4s
fast radiative
decay
Ar+ ground
state
collisions
Ar ground
state
Lasery barwnikowe
Substancją czynną jest przepływająca, laminarna struga roztworu
zawierającego barwnik organiczny, np. rodaminę. Barwnik jest
pompowany optycznie laserem argonowym, kryptonowym lub
neodymowym.
S1: 1szy wzbudzony
stan elektronowy
Pompowanie
Przejście laserowe
S0: Podstawowy stan
elektronowy
Lasery barwnikowe pracują w schemacie czteropoziomowym.
Lasery barwnikowe
Substancją czynną jest przepływająca, laminarna struga roztworu
zawierającego barwnik organiczny, np. rodaminę. Barwnik jest
pompowany optycznie laserem argonowym, kryptonowym lub
neodymowym.
Laser barwnikowy na
Rodaminie 6G (barwnik
pomarańczowy), emisja
na 580 nm (żółty). Roztwór
barwnika pompowany jest
światłem lasera
argonowego (514 nm,
niebieski).
Lasery barwnikowe
Odpowiedni dobór barwników umożliwia strojenie długością fali od
bliskiej podczerwieni, przez zakres widzialny do bliskiego ultrafioletu
(spektroskopia).
Lasery diodowe
Rezonatorem jest kryształ półprzewodnika.
Najczęściej laser półprzewodnikowy ma postać
złącza p-n. Obszar czynny jest pompowany przez
przepływający przez złącze prąd elektryczny.
Lasery diodowe
Rezonatorem jest kryształ półprzewodnika.
Najczęściej laser półprzewodnikowy ma postać
złącza p-n. Obszar czynny jest pompowany przez
przepływający przez złącze prąd elektryczny.
Laser półprzewodnikowy
z napędu dysków CD
Ze względu na niewielkie
rozmiary, niskie koszty produkcji,
oraz wysoką wydajność, lasery
półprzewodnikowe są dzisiaj
najczęściej wykorzystywanym
rodzajem laserów. Znajdują
zastosowanie między innymi w
napędach CD, DVD,
wskaźnikach laserowych,
łączności światłowodowej.
Drukarka laserowa
Płyta kompaktowa
Standardowa płyta CD mieści 74 minuty
muzyki, co odpowiada 650 MB danych.
Wgłębienie: ~ 125 nm głębokości przy
500 nm szerokości, zaś jego długość: od
850 nm do 3.5 µm
Płyta kompaktowa
Standardowa płyta CD mieści 74 minuty
muzyki, co odpowiada 650 MB danych.
Ciekawostki:
• Długość ścieżki zapisanej na płycie CD
wynosi około 50 kilometrów.
• Średnica płyty CD (12cm), która
pozwala na nagranie 74 minut
dźwięku, została dobrana tak, aby
zmieściła się na niej cała IX Symfonia
Ludwiga van Beethovena.
• Od czasu wprowadzenia płyt CD, na
całym świecie sprzedano ponad 200
miliardów egzemplarzy tego nośnika.
Wystarczająco dużo, aby płyty ułożone
jedna na drugiej opasały Ziemię sześć
razy.
Wgłębienie: ~ 125 nm głębokości przy
500 nm szerokości, zaś jego długość: od
850 nm do 3.5 µm
Drukarka laserowa
Zasada druku: W większości drukarek wykorzystywana jest
"klasyczna" technika druku, polegająca na polaryzowaniu za
pomocą promienia laserowego odpowiedniego miejsca na
powierzchni wstępnie naelektryzowanego światłoczułego bębna
pokrytego warstwą OPC (organic photoconducting cartridge) lub
krzemu amorficznego.
Źródłem światła jest zazwyczaj dioda laserowa emitująca światło
przerywane w taki sposób, aby niosło informację odpowiadającą
kolejnym bitom danych do wydruku.
Przez soczewkę światło
kierowane jest na wielokątne
obrotowe zwierciadło. Dzięki
obrotom lustra poszczególne
błyski odbijane są pod
różnymi kątami i trafiają w
kolejne punkty danej linii
obrazu tworzonego na
bębnie.
Drukarka laserowa
Zasada druku:
Powierzchnia bębna musi być naładowana. Dlatego przykłada się
wysokie napięcie do specjalnych szczotek. W ten sposób
powstaje pole jonizujące, obejmujące jego ruchomą część.
Powierzchnia bębna jest
omiatana światłem lasera lub
światłem pochodzącym z
zestawu diod LED,
modulowanym na podstawie
obrazu strony
przechowywanego w
pamięci drukarki.
W efekcie naświetlone
fragmenty bębna
drukującego zmieniają swoje
właściwości elektryczne,
otrzymując ładunek dodatni.
Przykłady jeszcze innych zastosowań:
Lasery gazowe wytwarzające ultrafiolet o możliwie jak najmniejszej długości fali
używane do produkcji półprzewodnikowych układów scalonych:
F2 (157 nm)
ArF (193 nm)
KrCl (222 nm)
XeCl (308 nm)
XeF (351 nm)
Lasery używane w stomatologii i dermatologii w tym do usuwania tatuaży,
znamion oraz włosów:
rubinowy (694 nm)
aleksandrytowy (755 nm)
pulsacyjna matryca diodowa (810 nm)
Nd:YAG (1064)
Ho:YAG (2090 nm)
Er:YAG (2940 nm)
Półprzewodnikowe diody laserowe:
małej mocy - używane we wskaźnikach laserowych, drukarkach laserowych, CD/DVD
dużej mocy - używane w przemyśle do cięcia i spawania, występują o mocach do 10
kW
Przykłady jeszcze innych zastosowań:
Szkodliwe skutki oddziaływania
promieniowania laserowego
Przykłady rodzimych
zastosowań naukowych:
• Różnorodne techniki spektroskopowe
• Badania materii przy pomocy światła
rozproszonego
• Badania LIDARowe
• Chłodzenie atomów
(ciśnienie światła – siły optyczne chłodzenie i pułapkowanie)
• Zjawiska nieliniowe
• Kondensaty Bosego-Einsteina
• Kryptografia kwantowa
Przykłady rodzimych
zastosowań naukowych:
Spułapkowana
kropla ze
sferycznymi
inkluzjami
Zmiana
promienia
kropli w
wyniku
parowania
(teoria
rozpraszania
Mie)
Przykłady rodzimych
zastosowań naukowych:
• Różnorodne techniki spektroskopowe
• Badania materii przy pomocy światła
rozproszonego
• Badania LIDARowe (Light Detection And
Ranging)
• Chłodzenie atomów
(ciśnienie światła – siły optyczne chłodzenie i pułapkowanie)
• Zjawiska nieliniowe
• Kondensaty Bosego-Einsteina
• Kryptografia kwantowa
Schemat blokowy lidaru zbudowanego w IF UW
Przykłady rodzimych
zastosowań naukowych:
• Różnorodne techniki spektroskopowe
• Badania materii przy pomocy światła
rozproszonego
• Badania LIDARowe
• Chłodzenie atomów
(ciśnienie światła – siły optyczne chłodzenie i pułapkowanie)
• Zjawiska nieliniowe
• Kondensaty Bosego-Einsteina
• Kryptografia kwantowa
I
I
Polski biegun zimna
(40 mikrokelwinów=
0,00004 kelwina =
-273,1599 0C)
IFUJ, Kraków,
& IF UMK, Toruń
Bal Fizyków, Politechnika Warszawska, 2005
Bal Fizyków, Politechnika Warszawska, 2005
Bal Fizyków, Politechnika Warszawska, 2005
Bal Fizyków, Politechnika Warszawska, 2005
Bal Fizyków, Politechnika Warszawska, 2005
Dziękuję za uwagę

similar documents