Transcript Document
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
poprzedni wykład:
Widmo elektromagnetyczne i promieniowanie ciała doskonale czarnego
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 .
N 2
Absorpcja
N 1
Emisja spontaniczna
N 2 N 1
Emisja wymuszona
Współczynniki Einsteina:
A
21 ,
B
12 i
B
21 i opisują prawdopodobieństwa przejść między dwoma stanami w jednostce czasu w wyniku: • emisji wymuszonej:
B
21
I
• absorpcji:
B
12
I
• emisji sponatnicznej:
A
21
B
12
A
21
B
21
g 1 B 12
Relacje Einsteina:
= g 2 B 21 A
21
B
12 8
c h
3 ,
g
1 i
g
2 –
degeneracje stanów 1 i 2
Emisja wymuszona: zjawisko leżące u podstaw działania laserów
Współczynniki Einsteina
Einstein rozważał (1917r.) prędkość przejść między stanami energetycznymi ( Przypadkowa w czasie i przestrzeni np. stanów 1 i 2) atomów w równowadze ze światłem o irradiencji (natężeniu)
I
: prędkość emisji spontanicznej:
dN 2 /dt = A 21 N 2 N 2
prędkość absorpcji:
dN 1 /dt = B 12 N 1 I
prędkość emisji wymuszonej:
dN 2 /dt = B 21 N 2 I
równe prawdopodobieństwa ale różne prędkości!
By mogło dojść do równowagi termodynamicznej w obecności pochłanianych i emitowanych fotonów:
B 12 N 1 I = A 21 N 2 + B 21 N 2 I N 1
Absorpcja Emisja spontaniczna
N 2
Emisja wymuszona
N 1
Spójna z fotonem wymuszającym Zazwyczaj:
N 2 << N 1
!!!
I
słabe Emisję wymuszoną można zaniedbać!!!
O emisji wymuszonej
N 2
Prawdopodobieństwa emisji wymuszonej i spontanicznej są równe w:
T
= 33 500 K !!!
W temperaturze pokojowej: ~`10 -35 W
T
= 3000 K (żarówka): ~ 10 -4
N 1
Absorpcja Emisja spontaniczna
N 2
Emisja wymuszona
N 1 B 12 N 1 I = A 21 N 2 + B 21 N 2 I
Zazwyczaj:
N 2 << N 1
!!!
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
.
*
L
ight
A
mplification by
S
timulated
E
mission of
R
adiation
LASER*
wzbudzony
LASER*
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. zwierciadło całkowicie odbijające źródło energii pompujacej zwierciadło wyjściowe ośrodek wzmacniajacy wneka laserowa Laser He-Ne
zwierciadło całkowicie odbijające źródło energii pompujacej zwierciadło wyjściowe
LASERy*
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 Działanie lasera bazuje na dwóch zjawiskach:
inwersji obsadzeń
i
emisji wymuszonej
.
ośrodek wzmacniajacy wneka laserowa Laser He-Ne
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, kolejnych fotonów
spójnych
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 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
I
0
I
1
R
= 100%
I
3 Układ laserowy o wzmocnieniu
G I
2
R
< 100% Układ laseruje, gdy fala świetlna o danej długości fali zyskuje na natężeniu, to znaczy, gdy w obiegu:
I
3
I
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
I
0
I
1
R
= 100%
I
3 Układ laserowy o wzmocnieniu
G I
2
R
< 100% Układ laseruje, gdy fala świetlna o danej długości fali zyskuje na natężeniu, to znaczy, gdy w obiegu:
I
3
I
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
I
0
I
1
R
= 100%
I
3 Układ laserowy o wzmocnieniu
G I
2
R
< 100% Układ laseruje, gdy fala świetlna o danej długości fali zyskuje na natężeniu, to znaczy, gdy w obiegu:
I
3
I
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)
I
(
L
) Zaniedbując emisję spontaniczną, zmiana gęstości fotonów :
dI
c dI dt dz
BN I - BN I
2 1 0
L
[Emisja wymuszona minus absorpcja]
z
2 1 Rozwiązaniem jest: Stała proporcjonalności
I
(0) exp
N
2 1 W zależności od różnicy
N
2
< N
1 nastąpi wykładniczy wzrost lub spadek irradiancji. W równowadze termodynamicznej, zgodnie z rozkładem Boltzmana:
N
2 Ale jeśli
N
2
> N
1 (
inwersja obsadzeń
), ma miejsce wzmocnienie.
< N
1 .
Jeśli
N
2
< N
1 : Jeśli
N
2
> N
1 :
g
N
2
N
1
N
1
N
2 Współczynnik wzmocnienia:
G
exp
N
2 1
Ośrodek laserowy
Akcja laserowa: warunki
I
(0)
I
(
L
) Zaniedbując emisję spontaniczną, zmiana gęstości fotonów :
dI
c dI dt dz
BN I - BN I
2 1 0
L
[Emisja wymuszona minus absorpcja]
z
2 1 Rozwiązaniem jest: Stała proporcjonalności
I
(0) exp
N
2 1 W zależności od różnicy
N
2
< N
1 nastąpi wykładniczy wzrost lub spadek irradiancji. W równowadze termodynamicznej, zgodnie z rozkładem Boltzmana:
N
2 Ale jeśli
N
2
> N
1 (
inwersja obsadzeń
), ma miejsce wzmocnienie.
< N
1 .
Jeśli
N
2
< N
1 : Jeśli
N
2
> N
1 :
g
N
2
N
1
N
1
N
2 Współczynnik wzmocnienia:
G
exp
N
2 1
Ośrodek laserowy
Akcja laserowa: warunki
I
(0)
I
(
L
) Zaniedbując emisję spontaniczną, zmiana gęstości fotonów :
dI
c dI dt dz
BN I - BN I
2 1 0
L
[Emisja wymuszona minus absorpcja]
z
2 1 Rozwiązaniem jest: Stała proporcjonalności
I
(0) exp
N
2 1 W zależności od różnicy
N
2
< N
1 nastąpi wykładniczy wzrost lub spadek irradiancji. W równowadze termodynamicznej, zgodnie z rozkładem Boltzmana:
N
2 Ale jeśli
N
2
> N
1 (
inwersja obsadzeń
), ma miejsce wzmocnienie.
< N
1 .
Współczynnik wzmocnienia:
G
exp
N
2 1
Akcja laserowa: warunki
Akcj ę laserow ą mo ż na otrzyma ć tylko wtedy, je ż eli w o ś rodku czynnym ( kosztem energii wpompowanej w układ) wytworzymy stan
inwersji obsadze ń,
czyli jeśli
N
2
> N
1
.
I
(0) exp
N
2 1
I
(0) Ośrodek laserowy 0
L I
(
L
)
z
Aby uzyskać inwersję, trzeba właściwie wybrać ośrodek aktywny.
Współczynnik wzmocnienia:
G
exp
N
2 1
Inwers ja obsadzeń:
G
exp
N
2 Aby osiągnąć współczynnik wzmocnienia
G
> 1 , czyli: 1
N
2
> N
1 emisja wymuszona musi przewyższać absorpcję, Trzeba wytworzyć stan
nierównowagowy
. W równowadze :
N
2
/ N
1
=
gdzie: exp ( – D
E/k B T
), D
E = E
2
– E
1 .
Równowagowe obsadzenia stanów cząsteczkowych: N
2
< N
1 niska
T
wysoka
T Stan nierównowagowy
Inwersja
Czasteczki Czasteczki
“ujemna temperatura” !
Inwers ja obsadzeń; pompowanie ośrodka aktywnego
Inwersję wytworzyć można kosztem energii wpompowanej w układ w wyniku oświetlenia światłem (
pompowanie optyczne
): • innym laserem, • wyładowaniem prądu w gazach, • lampą błyskową, • reakcjami chemicznymi albo • wykorzystując rekombinację w półprzewodnikach.
I I
I
0
I
1
R
= 100%
I
3 Laser medium
I
2
R
< 100%
I
intensywność lampy błyskowej (użytej do wpompowania energii w ośrodek aktywny)
Inwers ja obsadzeń; pompowanie ośrodka aktywnego
Inwersję wytworzyć można kosztem energii wpompowanej w układ w wyniku oświetlenia światłem (
pompowanie optyczne
): • innym laserem, • wyładowaniem prądu w gazach, • lampą błyskową, • reakcjami chemicznymi albo • wykorzystując rekombinację w półprzewodnikach.
I I
I
0
I
1
R
= 100%
I
3 Laser medium
I
2
R
< 100%
Jakie warunki muszą być spełnione, by osiągnąć inwersję obsadzeń, N 2 > N 1 ?
Inwersja obsadzeń: poszukiwanie ośrodka aktywnego
2 Pompowanie,
I
R ównania bilansu obsadzeń dla układu dwupoziomowego:
1
N
2
N
1 Absorpcja Emisja wymuszona Emisja spontaniczna
dN dt dN
1
dt
2
dt
( 1 2
N
1 ) 2
N
2 )
AN
Natężenie pompy
AN
2 2 2
AN
2 2
N
2 (
N -
całkowita liczba cząsteczek
N
N
1
N
1
N N
2 2
N
1
N N
2
N
1
N
2 )
dt
2
AN
Inwersja obsadzeń: poszukiwanie ośrodka aktywnego
2 Pompowanie,
I
R ównania bilansu obsadzeń dla układu dwupoziomowego:
1
N
2
N
1 Absorpcja Emisja wymuszona Emisja spontaniczna
dN dt dN
1
dt
2
dt
( 1 2
N
1 ) 2
N
2 )
AN
Natężenie pompy
AN
2 2 2
AN
2 2
N
2 (
N -
całkowita liczba cząsteczek
N
N
1
N
1
N N
2 2
N
1
N N
2
N
1
N
2 )
dt
2
AN
Inwersja obsadzeń: poszukiwanie ośrodka aktywnego
2 Pompowanie,
I
R ównania bilansu obsadzeń dla układu dwupoziomowego:
1
N
2
N
1 Absorpcja Emisja wymuszona Emisja spontaniczna
dN dt dN
1
dt
2
dt
( 1 2
N
1 ) 2
N
2 )
AN
Natężenie pompy
AN
2 2 2
AN
2 2
N
2 (
N -
całkowita liczba cząsteczek
N
N
1
N
1
N N
2 2
N
1
N N
2
N
1
N
2 )
dt
2
AN
Dlaczego w układzie
dwupoziomowym
inwersja nie jest możliwa:
2
dt
W warunkach stacjonarnych:
AN
0 2 D
AN N
2 Pompowanie,
I
1
N
2
N
1 1
N sat
gdzie:
I sat I sat
A
/ 2
B
– natężenie nasycenia D
N
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
dt
W warunkach stacjonarnych:
AN
0 2 D
AN
2 Pompowanie,
I
1
N
2
N
1 1
N sat N
gdzie:
I sat I sat
A
/ 2
B
– natężenie nasycenia D
N = N 1 -N 2
jest zawsze dodatnie, niezależnie od tego, jak duże jest
I
!
Inwersja w układzie dwupoziomowym nie jest możliwa!
Co najwyżej: D
N
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:
Emisja spontaniczna dN
2
dt BIN
1
AN
2
Absorpcja dN
1
dt
BIN
1
AN
2 3 2 poziom krótkożyciowy Fast decay poziom długożyciowy Laser Transition 1
Inwersja obsadzeń w układzie trójpoziomowym
3 2 Pompujemy poziom 3, który szybko zanika do metastabilnego (długożyciowego) poziomu 2.
Równania bilansu obsadzeń:
Emisja spontaniczna dN
2
BIN
1
AN
2
dt Absorpcja dN
1
BIN
1
AN
2
dt
Pompowanie 1
N -
całkowita liczba cząsteczek
N
N
1
N
1
N
2
N
2
dt
2
BIN
1 2
AN
2 2
N
2
N
1 2
N N
dt
BIN
AN
Przejście laserowe Poziom 3 jest krótkożyciowy, możemy zaniedbać jego obsadzenie.
Dlaczego w układzie trójpoziomowym inwersja jest możliwa:
3 2 Pompowanie
BIN
dt
W stanie stacjonarnym:
AN
0
BIN
1
AN
) /(
A
BI
) Przejście laserowe
N
1 1
sat sat
gdzie:
I sat I sat
– natężenie nasycenia.
Teraz jeśli
I > I sat
,
D
N
jest ujemne!
Inwersja jest możliwa.
Dlaczego w układzie trójpoziomowym inwersja jest możliwa:
3 2 Pompowanie
BIN
dt
W stanie stacjonarnym:
AN
0
BIN
1
AN
) /(
A
BI
) Przejście laserowe
N
1 1
sat sat
gdzie:
I sat I sat
– natężenie nasycenia.
Teraz jeśli
I > I sat
,
D
N = N 1 -N 2
jest ujemne!
Inwersja jest możliwa.
Inwers ja obsadzeń w układzie czteropoziomowym
2 3 Szybki zanik Załóżmy teraz, że poziom1 też szybko zanika do poziomu 0.
Z r ównania bilansu obsadzeń w stanie stacjonarnym w wyniku rozumowania analogicznego do poprzedniego: Pompowanie 1 0
N
1
sat sat
gdzie:
I sat I sat
– natężenie nasycenia.
Przejście laserowe Szybki zanik
N -
całkowita liczba cząsteczek
N
N
0
N
2
N
2 gdyż:
N
0
N
1 0,
N
2
Teraz
D
N
jest ujemne - zawsze !
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. Hutcheson a. Patent został jednak przyznany Gordonowi Gouldowi. Maiman za prace nad laserem był dwukrotnie nominowany do nagrody Nobla.
Theodore Harold Maiman (1927 - 2007)
Laser rubinowy
(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.
E 3 E 2
2 0 3 1 4F 1 “2” 4F 2 rapid decay (~50ns) blue “1” green
692.7
nm 694.3nm
2 E “0” ground state
Inwersja obsadzeń:
podsumowanie
Układ dwupoziomowy 2 1
N N
2 1 3 2 trójpoziomowy Pompowanie Układ Fast decay Przejście laserowe Układ czteropoziomowy 3 2 Szybki zanik Pompowanie Przejście laserowe 1 1 0 Szybki zanik Co najwyżej równe obsadzenia. Brak laserowania. Trudno jest osiągnąć akcję laserową. Las erowanie łatwo osiągalne!
Inwersja obsadzeń
Fizykom zajęło trochę czasu by zauważyć, że układ czteropoziomowy jest najkorzystniejszy.
Układ dwupoziomowy Układ trójpoziomowy Układ czteropoziomowy 3 2
N
2 3 2 Pompowanie Fast decay Przejście laserowe 2 Pompowanie Szybki zanik Przejście laserowe 1
N
1 1 1 0 Szybki zanik
Podsumowanie:
2 1
N
1
B
12
N
2
A
21
N
2
B
21 Emisja wymuszona
zgodność:
• faz • kierunku • częstości • Propagacja promieniowania spójność, kolimacja, monochromatyczność
I
B
21
A
21
B
21
I
0
e
z
B
12
c
3 3 12
N g
N d
Laserowanie: inwersja obsadzeń emisja wymuszona > em. spontaniczna B 21 > A 21 konieczne duże rezonator
Podsumowanie:
rozwój akcji laserowej Sekwencja wydarzeń: 1.
Pompowanie, i
nwersja 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 – LASEROWA AKCJA
Lasery
Wielorakie konstrukcje: Różnorodne zastosowania
Zastosowania laserów:
1. Spójność holografia 2. Monochromatyczność 3. Kolimacja spektroskopia, fizyka, medycyna, fotochemia 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 ) λ = 632,8 nm 1.
2.
Atomy He wzbudzone są przez rozpędzone elektrony (wyładowanie elektryczne). Wzbudzone atomy He w zderzeniach przekazują energię atomom Ne.
Laser na dwutlenku węgla,
CO 2
Gazowy laser molekularny
długości fal
9.4 µm
i
10.6 µm
, w którym ośrodkiem czynnym jest mieszanina dwutlenku węgla, azotu, wodoru i helu. Emituje falę w zakresie podczerwieni, główne linie widmowe znajdują się w zakresie . Emitowana moc dochodzi do 100 kW przy pracy ciągłej i 1013 W przy pracy impulsowej. Laser na CO 2 pracuje analogicznie do lasera He-Ne: pompowana jest cząsteczka N 2 , która przekazuje energię do CO 2 .
Akcja laserowa zachodzi dla wielu linii rotacyjnych przejść oscylacyjnych cząsteczki CO2
Laser na dwutlenku węgla,
CO 2
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
Jonowy laser argonowy, Ar
+
Laser o pracy ciągłej.
Wyładowanie w plazmie pozwala uzyskać wzmocnienie dla ponad 15 przejść.
Linie lasera argonowego: 35 eV
4p
Pumping (electron impact) 515n m 15.75 eV 0 eV 488 nm
4s
fast radiative decay Ar + ground state collisions Ar ground state 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
Lasery barwnikowe
Substancją czynną jest przepływająca, laminarna struga roztworu zawierającego barwnik organiczny, np. rodaminę. Barwnik jest pompowany optycznie laserem argonowym, kryptonowym lub neodymowym.
S 1 : 1 szy wzbudzony stan elektronowy
Pompowanie Przejście laserowe
S 0 : 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.
Wgłębienie: ~ 125 nm głębokości przy 500 nm szerokości, zaś jego długość: od 850 nm do 3.5 µm • • • 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.
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 (
L
ight
D
etection
A
nd
R
anging) • 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: I
• 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
Polski biegun zimna ( 40 mikrokelwinów= 0,00004 kelwina = -273,1599 0 C ) IFUJ, Kraków, & IF UMK, Toruń