Transcript Laser
Projekt „AS KOMPETENCJI” jest współfinansowany przez Unię Europejską w ramach środków Europejskiego Funduszu Społecznego Program Operacyjny Kapitał Ludzki 2007-2013 CZŁOWIEK – NAJLEPSZA INWESTYCJA Publikacja jest współfinansowana przez Unię Europejską w ramach środków Europejskiego Funduszu Społecznego Prezentacja jest dystrybuowana bezpłatnie DANE INFORMACYJNE • Nazwa szkoły: ZSP Drezdenko • ID grupy: 97/62_mf_g2 • Opiekun: Edyta Dobrychłop-Amrogowicz • Kompetencja: Matematyczno-fizyczna • Temat projektu: •Laser, atomowe światło – pół wieku od odkrycia. • Semestr/rok szkolny: •Semestr V / 2011-12 Laseratomowe światło Kwantowa natura światła • Wielu wybitnych uczonych uważa, że teoria kwantów jest teorią tymczasową, pod pewnymi istotnymi względami niezdolną do sformułowania obrazu świata, w którym żyjemy. Za bardzo konsekwentnego wyznawcę takiego poglądu uchodził również Albert Einstein, który odkrył m.in. kwantową naturę światła i był jednym z twórców teorii kwantów. Jednakże dziś już wiadomo, że modyfikacja podstaw mechaniki kwantowej jest przedsięwzięciem niezwykle trudnym. Historia atomu • Na pomysł istnienia niepodzielnych cząstek materii wpadł jako pierwszy grecki filozof Demokryt ok. 400 lat przed Naszą Erą. W jego modelu świat był kombinacja próżni i wielkiej ilości mikroskopijnych cząstek materii, dość zróżnicowanych pod względem wielkości i kształtu. To on wprowadził do nauki pojęcie atomu Budowa atomu • Atom jest zdefiniowany jako najmniejsza, niepodzielna cząstka danej substancji zachowująca wszystkie właściwości charakterystyczne dla tej substancji. Wszystkie atomy złożone są z dużego jądra i okrążającej je chmury elektronowej. Jądro ma ładunek dodatni i , pomimo małych rozmiarów, skupia w sobie większość masy całego układu. Elektrony są dużo mniejsze od protonów i neutronowo (składników jądra) i posiadają sumaryczny ładunek elektryczny ujemny. Modele budowy atomu według: • 1. Rutherforta - atomy przypominają miniatury układu słonecznego, elektrony poruszają się wokół jądra: A) jądro, B) elektron. 2. Bohra - aby wyjaśnić stabilność atomu wprowadza pojęcie skwantowanych orbit elektronów: A) jądro, B) elektron, C) orbita elektronu. 3. Schrodingera - pomysł precyzyjnie określonych orbit elektronów został zastąpiony opisem obszarów przestrzeni (nazywanych orbitalami), gdzie najprawdopodobniej znajdują się elektrony: A - orbital s: elektrony znajdują się w obszarach takich jak ten. Obszar zacieniony pokazuje prawdopodobieństwo znalezienia elektronu w pewnej odległości. Model budowy atomu Bohra: • Bohra model atomu, opracowany w 1913 przez N. Bohra model budowy atomu o planetarnej strukturze, w którym ujemnie naładowane elektrony obiegają po kołowych orbitach dodatnio naładowane jądro. Wbrew elektrodynamice klasycznej poruszające się po kołowych orbitach elektrony nie emitują promieniowania elektromagnetycznego, a emisja, jak i pochłanianie możliwe jest w porcjach (kwantach energii), czemu towarzyszy zmiana orbity elektronu. Teoria Bohra: Powszechnie wiadomo, że każdy atom zbudowany jest z jądra, które skupia prawie całą masę atomu oraz z krążących wokół jądra elektronów. Składnikami jądra są nukleony czyli protony i neutrony. Liczba protonów, równa liczbie elektronów to tzw. liczba atomowa. Decyduje ona o lokalizacji pierwiastka w układzie okresowym. Natomiast liczba protonów i neutronów nazywana jest liczbą masową . Masy składników jądra wynoszą: masa protonu = 1.0078 u masa neutronu = 1.0086u Masa elektronu jest bardzo mała w porównaniu z tymi masami, około 1840 razy mniejsza. Ponieważ ładunek elektronu jest co do wartości równy ładunkowi protonu, tak więc dzięki równej liczbie obu cząstek w atomie jest on elektrycznie obojętny Główne założenia teorii Bohra: • Bohr wprowadził dwa założenia sprzeczne z klasyczną elektrodynamiką: 1. emisja kwantu promieniowania o energii hν jest możliwa tylko w przypadku przeskoku elektronu z orbity o wyższej energii na orbitę o niższej energii, natomiast nie jest emitowane promieniowanie podczas krążenia elektronu po orbicie stacjonarnej. 2. elektrony mogą w stanie stacjonarnym zajmować tylko takie orbity, aby ich moment pędu był całkowitą wielokrotnością stałej h/2π (h - stała Plancka). Postulat ten wynika bezpośrednio z mechaniki falowej, jeżeli przyjmie się, że elektron krążący po orbicie o promieniu r tworzy falę stojącą o długości π, czyli że tylko takie orbity mogą być zajmowane przez elektrony, aby 2πr = nπ (n - liczba całkowita). Absorpcja i emisja promieniowania: Układy atomowe znajdują się w określonych stanach kwantowych, charakteryzujących się dyskretnymi wartościami energii. Przejściu układu kwantowego od jednego poziomu energetycznego do drugiego towarzyszy pochłonięcie (absorpcja) lub wydzielenie (emisja) kwantu energii, równej różnicy poziomów przejścia. Przejście może być promieniste, kiedy pochłonięta lub wydzielona przez układ kwantowy energia ma postać promieniowania elektromagnetycznego, lub bezpromieniste, kiedy energia ta zostaje przekazana innemu układowi atomowemu, bądź też bezpośredniemu otoczeniu. Przejścia w wyodrębnionym, izolowanym atomie są wyłącznie promieniste. W przypadku przejścia promienistego między dwoma poziomami energetycznymi E1 i E2 częstotliwość v drgań elektromagnetycznych, odpowiadające temu przejściu, określa się z podstawowej zależności kwantowej Bohra: gdzie h - stała Plancka, En i El energie układu w obu stanach stacjonarnych. Absorbcja: Absorbcja jest zjawiskiem odwrotnym: dostarczony z zewnątrz kwant promieniowania hν o tej samej częstotliwości przejścia przenosi układ z poziomu energetycznego niższego E1 do wyższego E2, powiększając jego energię. Jest to więc przejście absorbcyjne. Emisja spontaniczna: Emisja spontaniczna zachodzi wtedy, gdy elektrony znajdujące się na poziomach wzbudzonych w sposób spontaniczny wracają na niższe poziomy energetyczne, emitując przy tym fotony. Emisja wymuszona: Emisja wymuszona (indukowana) zachodzi jeżeli atom znajduje się w stanie wzbudzonym, to pod wpływem padającego na niego fotonu o odpowiedniej, rezonansowej energii przechodzi na niższy poziom energetyczny emitując swój własny foton. Emitowany foton jest spójny z fotonem wymuszającym. Analiza spektralna • Analiza spektralna - dziedzina chemii wykorzystująca metody spektroskopii do wykrywania pierwisatków i związków chemicznych. • Spektroskopia – nauka o powstawaniu i interpretacji widm powstających w wyniku oddziaływań wszelkich rodzajów promieniowania na materię rozumianą jako zbiorowisko atomów i cząsteczek. Twórcy analizy spektralnej • Twórcami analizy spektralnej są niemieccy uczeni: Gustav Kirchoff i Robert Bunsen. Przyrząd służący do przeprowadzenia analizy spektralnej to spektroskop. Schemat analizy spektralnej Laser to generator promieniowania, wykorzystujący zjawisko emisji wymuszonej. Promieniowanie lasera ma charakterystyczne właściwości, trudne lub wręcz niemożliwe do osiągnięcia w innych typach źródeł promieniowania. Jest spójne w czasie i przestrzeni, zazwyczaj spolaryzowane i ma postać wiązki o bardzo małej rozbieżności. W laserze łatwo jest otrzymać promieniowanie o bardzo małej szerokości linii emisyjnej, co jest równoważne bardzo dużej mocy w wybranym, wąskim obszarze widma. W laserach impulsowych można uzyskać bardzo dużą moc w impulsie i bardzo krótki czas trwania impulsu Zasadniczymi częściami lasera są: ośrodek czynny, rezonator optyczny, układ pompujący. Układ pompujący dostarcza energię do ośrodka czynnego, w ośrodku czynnym w odpowiednich warunkach zachodzi akcja laserowa, czyli kwantowe wzmacnianie (powielanie) fotonów, a układ optyczny umożliwia wybranie odpowiednich fotonów. Właściwości światła laserowego: -rozbieżność wiązki; -spójność; -moc promieniowania i gęstość energii; -propagacja promieniowania laserowego w środowisku. • Rozbieżność jest to powiększanie się pola przekroju poprzecznego wiązki wraz z odległością. Rozbieżność wiązki promieniowania określa się kątem rozbieżności Θ. Dzięki małym rozbieżnościom wiązki prawie całą energię promieniowania możemy skierowywać w określonym kierunku. Θ= 1, 22 D λ – długość fali, D – szerokość wiązki na wyjściu z lasera. Spójność światła laserowego: • Spójność czasowa - spójność (korelacja fazowa) wiązek światła wychodzących z danego punktu źródła w różnych momentach czasu. • Spójność przestrzenna - spójność drgań wywołanych przez falę w różnych punktach powierzchni falowej. • W mechanice statystycznej pojęcie określające stan układu, w którym w stanie o energii większej (wzbudzonym) jest większa liczba cząstek niż w stanie o energii niższej (podstawowym). Inwersja obsadzeń jest fundamentalnym pojęciem umożliwiającym zrozumienie działania lasera. Aby mogła zajść akcja laserowa, wzmocnienie promieniowania w obszarze czynnym musi co najmniej równoważyć straty promieniowania wewnątrz rezonatora oraz emisję części promieniowania na zewnątrz rezonatora Rozważmy laser, którego rezonator optyczny ma długość L i jest zakończony dwoma lustrami o współczynnikach odbicia R1 i R2. W trakcie jednego obiegu promieniowania w rezonatorze natężenie światła zmienia się w sposób opisany poniższym wzorem: gdzie: g – wzmocnienie optyczne jednostkowej długości ośrodka czynnego, αL – straty wewnętrzne –– suma wszystkich strat promieniowania, na jednostce długości, wewnątrz rezonatora z wyjątkiem absorpcji (jest już uwzględniona w g). Podział laserów w zależności od mocy • Lasery dużej mocy • Lasery o średniej mocy • Lasery małej mocy Podział laserów w zależności od sposobu pracy • Lasery pracy ciągłej, emitujące promieniowanie o stałym natężeniu • Lasery impulsowe, emitujące impulsy światła • szczególnym rodzajem lasera impulsowego jest laser femtosekundowy Podział laserów w zależności od widma promieniowania, w których laser pracuje • Lasery w podczerwieni • Lasery w części widzialnej • Lasery w nadfiolecie Podział laserów w zależności od zastosowań Specjalne lasery gazowe wytwarzające ultrafiolet o możliwie jak najmniejszej długości fali używane do produkcji półprzewodnikowych układów scalonych: ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ Lasery używane w stomatologii i dermatologii, w tym do usuwania tatuaży, znamion oraz włosów: ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ F_2 (157 nm) ArF (193 nm) KrCl (222 nm) XeCl (308 nm) XeF (351 nm) laser rubinowy (694 nm) Aleksandrytowy (755 nm) pulsacyjna matryca diodowa (810 nm) Nd:YAG (1064 nm) 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 Nazywany również laserem diodowym lub diodą laserową – laser którego obszarem czynnym jest półprzewodnik. Najczęściej laser półprzewodnikowy ma postać złącza p-n w którym obszar czynny jest pompowany przez przepływający przez złącze prąd elektryczny. Są to najbardziej perspektywiczne lasery z punktu widzenia ich zastosowań w fotonice ze względu na małe wymiary, dość wysokie moce, łatwość modulacji prądem sterującym o wysokiej częstotliwości (rzędu gigaherców) i możliwość uzyskania promieniowania od pasma bliskiej podczerwieni (diody laserowe dla telekomunikacji światłowodowej) do skraju fioletowego pasma widzialnego. Laser półprzewodnikowy w obudowie przy monecie jednocentowej Laser rubinowy: Laser rubinowy - laser na ciele stałym, którego obszarem czynnym jest rubin. Ten skład chemiczny zapewnia występowanie trójpoziomowego układu stanów energetycznych w rubinie. Emitowana długość fali jest równa 694,3 nm. Laser ten pracuje w trybie impulsowym. Laser rubinowy był pierwszym działającym typem lasera. Został skonstruowany przez Theodore'a Maimana w 1960. Budowa - Laser rubinowy ma prostą konstrukcję, typową dla laserów w których ośrodkiem czynnym jest ciało stałe. Substancją czynną jest kryształ rubinu ukształtowany w walec. Powierzchnie czołowe walca są dokładnie oszlifowane i przepuszczają światło do luster lub też są pokryte warstwą odbijającą i same stanowią lustra. Laser ten jest pompowany optycznie lampą ksenonową przez boczne powierzchnie. Zastosowanie laserów w różnych dziedzinach życia: • Łączność • Pomiary odległości (lokalizacja) • Geodezja • Miernictwo, pomiary odkształceń • Medycyna • Zapis i odczyt informacji • Holografia • Badania naukowe Łączność : Opis metody • odpowiednio modulowane światło laserowe może przenosić informacje (na analogicznej zasadzie jak fale radiowe), ale większa częstotliwość fal świetlnych pozwala znacznie zwiększyć szybkość jej przekazywania Zastosowania, uwagi • ze względu na prostoliniowy bieg fal świetlnych i znaczną nieprzezroczystość atmosfery do przesyłania impulsów stosuje się różnego rodzaju światłowody Pomiary odległości (lokalizacja) : Lokator laserowy wysyła impuls światła w kierunku badanego obiektu i mierzy czas, jaki upływa do powrotu impulsu odbitego od obiektu; czas ten przeliczany jest na odległość do obiektu. Po umieszczeniu odpowiednich zwierciadeł (misje Apollo) odległość do Księżyca mierzy się rutynowo z dokładnością do kilku cm. Geodezja: Geodeci używają przyrządów zwanych dalmierzami laserowymi do bardzo dokładnych pomiarów odległości - od kilku metrów do około 3 km. Wiązka dalmierza laserowego jest kierowana na odbijający cel. A gdy natrafi na lustro, zostaje obita z powrotem do niego. Instrument rejestruje czas, który upłynął od wysłania impulsu świetlnego do jego odbioru, i oblicza z niego odległość do celu. • Chłodzenie laserowe Opis: osiągane temperatury są rzędu mikrokelwinów; sposób postępowania. Zastosowanie: osiągane temperatury są rzędu mikrokelwinów; sposób postępowania. Miernictwo, pomiary odkształceń: Wykorzystuje się interferencję dwóch wiązek światła laserowego, z których jedna odbija się od ruchomego pryzmatu; przesunięcie pryzmatu powoduje zmianę obrazu interferencyjnego, z której można wywnioskować wielkość przesunięcia. Interferometryczne mierniki laserowe pozwalają rutynowo mierzyć przesunięcia względne (różnice dróg optycznych) na poziomie 10–7–10–8 m Obróbka materiałów : • Silnie skoncentrowane wiązki laserowe ze względu na silne działanie termiczne są wykorzystywane do obróbki (drążenie otworów, cięcie) lub łączenia (zgrzewania) materiałów, zwłaszcza twardych, trudno topliwych lub reaktywnych chemicznie. Zaletą obrabiarek laserowych jest duża dokładność oraz możliwość dokonywania obróbki na obszarach o mikroskopijnej wielkości (poniżej mikrometra) Zastosowanie lasera S p a w a n i e Znakowanie Laserowa obróbka materiałów : • cięcie • spawanie • znakowanie • drążenie otworów obróbka powierzchniowa hartowanie stapianie warstwy powierzchniowej wzbogacanie warstwy przypowierzchniowej w składniki stopowe nakładanie warstwy przypowierzchniowej (natapianie) • • • • • Medycyna : Wykorzystuje się działanie termiczne skoncentrowanej wiązki laserowej; wysoka temperatura powstająca w punkcie naświetlania zapewnia sterylność i wywołuje koagulację tkanek, co zapobiega krwotokowi z rany np. łączenie odwarstwionej siatkówki ocznej z naczyniówką, tamowanie krwotoków wewnątrz gałki ocznej, niszczenie tkanek nowotworowych Ale cięcia wykonane skalpelem krwawią, a w niektórych częściach ciała operowanie skalpelem jest utrudnione. Skalpel laserowy - bardzo Lasery mogą zastępować skupiona wiązka tnie tkankę. Światło lasera zostaje skalpele w sali operacyjnej i doprowadzone do zakończenia ułatwiają bezpieczniejsze, skalpela za pośrednictwem szybsze i skuteczniejsze światłowodu. W wielu bardzo wykonywanie niektórych delikatnych operacjach, jak w delikatnych zabiegów. W chirurgii mózgu, skalpele laserowe tradycyjnej chirurgii wszystkich są używane do wykonywania cięć cięć dokonuje się za pomocą subtelniejszych od włosa skalpela. ludzkiego. Zapis i odczyt informacji: • Dane zapisane są w postaci wgłębień oraz pól, czyli przerw pomiędzy wgłębieniami. Podczas odczytu płyty poprzez wiązkę laserową, zagłębienie odpowiada logicznemu zeru, brak zagłębienia - jedynce. Wgłębienie ma około 125 nm głębokości przy 500 nm szerokości, zaś jego długość waha się od 833 nm do 3,56 µm. Odległości między równoległymi pitami wynoszą 1,6 µm. • Dane odczytywane są laserem półprzewodnikowym o długości fali około 780 nm Droga optyczna promienia lasera w odtwarzaczu CD: Holografia: Światło laserowe pozwala zapisać, a następnie odtworzyć trójwymiarowy obraz; w pierwszym procesie wykorzystuje się zjawisko interferencji światła laserowego; w drugim — dyfrakcji. Hologram jest rodzajem siatki dyfrakcyjnej; oprócz holografii optycznej istnieje także holografia akustyczna . Badania naukowe: Analizując pochłanianie światła o różnych długościach fali przez chemikalia zawarte w powietrzu, można mierzyć skażenie atmosfery. Niektóre związki chemiczne, pobudzone energia lasera, emitują charakterystyczne dla siebie światło. Zjawisko to nosi nazwę fluorescencji. Posługując się podniebnym laserem o odpowiedniej długości fali świetlnej i rejestrując wywołaną przez niego fluorescencję, naukowcy mogą badać tak różne zjawiska, jak stan zdrowia lasów czy rozmiary plamy ropy naftowej na morzu. System LIDAR umożliwia zdalne pomiary wielu parametrów powietrza atmosferycznego, m. in. ciśnienia, temperatury, siły i kierunku wiatru, rodzaju i wielkości zanieczyszczeń, rozmiarów cząsteczek . Ponieważ promieniowanie laserowe o tej samej mocy lecz o różnych długościach fal może wywołać różne skutki podczas oddziaływania z tkanką biologiczną, lasery podzielono na klasy. Zasady bezpiecznej pracy z urządzeniami laserowymi podano w Polskiej Normie PN-EN 60825-1:2005 (Bezpieczeństwo urządzeń laserowych -- Część 1: Klasyfikacja sprzętu, wymagania i przewodnik użytkownika). Nowy podział na siedem klas (1, 1M, 2, 2M, 3R, 3B, 4) 1 - Lasery które są bezpieczne w racjonalnych warunkach pracy 1M - Lasery emitujące promieniowanie w zakresie długości fal od 302,5 nm do 4000 nm, które są bezpieczne w racjonalnych warunkach pracy, ale mogą być niebezpieczne podczas patrzenia w wiązkę przez przyrządy optyczne. 2 - Lasery emitujące promieniowanie widzialne w przedziale długości fal od 400 do 700 nm. Ochrona oka jest zapewniona w sposób naturalny przez instynktowne reakcje obronne 2M - Lasery emitujące promieniowanie widzialne w przedziale długości fal od 400 do 700 nm. Ochrona oka jest zapewniona w sposób naturalny przez instynktowne reakcje obronne, ale mogą być niebezpieczne podczas patrzenia w wiązkę przez przyrządy optyczne 3R - Lasery emitujące promieniowanie w zakresie długości fal od 302,5 nm do 106 nm, dla których bezpośrednie patrzenie w wiązkę jest potencjalnie niebezpieczne. 3B - Lasery, które są niebezpieczne podczas bezpośredniej ekspozycji promieniowania. Patrzenie na odbicia rozproszone jest zwykle bezpieczne. 4 - Lasery, które wytwarzają niebezpieczne odbicia rozproszone. Mogą one powodować uszkodzenie skóry oraz stwarzają zagrożenie pożarem. Podczas obsługi laserów klasy 4 należy zachować szczególną ostrożność. Nasze doświadczenia Projekt „AS KOMPETENCJI” jest współfinansowany przez Unię Europejską w ramach środków Europejskiego Funduszu Społecznego Program Operacyjny Kapitał Ludzki 2007-2013 CZŁOWIEK – NAJLEPSZA INWESTYCJA Publikacja jest współfinansowana przez Unię Europejską w ramach środków Europejskiego Funduszu Społecznego Prezentacja jest dystrybuowana bezpłatnie