Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 2, 2009/101/17 Elementarne warunki działania lasera Konieczne spełnienie 2 warunków  Emisja promieniowania spójnego.

Podobne prezentacje


Prezentacja na temat: "Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 2, 2009/101/17 Elementarne warunki działania lasera Konieczne spełnienie 2 warunków  Emisja promieniowania spójnego."— Zapis prezentacji:

1 Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 2, 2009/101/17 Elementarne warunki działania lasera Konieczne spełnienie 2 warunków  Emisja promieniowania spójnego możliwa gdy: emisja wymuszona > em. spontaniczna liczba aktów em. wym. liczba aktów em. spont. N 2 B 21   N 2 A 21 > B 21   > A 21 konieczne duże    rezonator  Wzmocnienie możliwe gdy: emisja > absorpcja E2E1E2E1 N2N1N2N1 N2N1N2N1  N 2 > N 1 inwersja obsadzeń 

2 Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 2, 2009/102/17 laser na swobodnych elektronach (FEL) laser gazowy He-Ne laser „stałociałowy” np. rubin, YAG

3 Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 2, 2009/103/17 O ś rodki laserowe/wzmacniaj ą ce możliwość kreowania inwersji (z „zapasem” dla pokonania strat) przezroczystość dla promieniowania (generowanego i wzbudzającego) wytrzymałość na zniszczenia (kryształy, ciecze, gazy + mat. rezonatora; problemy - m.in. chłodzenia) lasery diodowe (monolityczna konstr. ośrodka generującego i rezonatora – ważne współczynniki załamania) kryształy, gazy, ciecze, swobodne elektrony,... przykłady: He-Ne, excimer, N 2 lasery światłowodowe (rezonator „wmontowany” we włókno)

4 Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 2, 2009/104/17 Laser rubinowy Laser rubinowy (jony Cr + w krysztale Al 2 O 3 ) 550 nm 690 nm wzbudzenie lampą błyskową l. obsadzeń N 2 < N 1 N 0 E2E1E0E2E1E0 E laser rubinowy to typowy układ trójpoziomowy Wytwarzanie inwersji: Bardziej wydajne są układy czteropoziomowe z możliwością dodatkowego opróżniania dolnego poziomu (np. Nd:YAG, + jony Er, Ho,... ) gdy nie ma opróżniania – inwersja zanika (self-termination)  generacja krótkich impulsów + jony Er, Ho,... ) + jony Er, Ho,... ) LASERY WŁÓKNOWE !!!

5 Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 2, 2009/105/17 632,8 nm 3,39  m 1,15  m * Laser He-Ne wzbudzenie przez zderzenia z elektronami (wyładowanie w gazie) He Ne ok. 20 eV substancja aktywna - neon (10 : 1) poziomy metastabilne

6 Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 2, 2009/106/17 Lasery ekscymerowe (ekscypleksowe) Lasery ekscymerowe (ekscypleksowe) cząsteczki: XeCl, Ar F, Kr F stany wzbudzone (wyładowanie) - związane stan podstawowy - dysocjuje  N 1 =0 N2N2 N1N1 Xe Cl bardzo łatwo o inwersję: N 2 > N 1 (N 2 > 0) wysoka sprawność,  nm

7 Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 2, 2009/107/17 substancja aktywna – roztwory barwników, wzbudzane światłem (lampy błyskowe, inne lasery) Lasery barwnikowe Lasery barwnikowe zamiast dyskretnych poziomów → szerokie pasma energetyczne wąskie linie → szerokie pasma spektralne brak monochromatyczności → konieczny selektywny rezonator możliwość przestrajania ! z relacji Fouriera  E  t  1 wynika możliwość generacji krótkich impulsów, gdy szerokie pasmo  Podobnie lasery Ti:sapphire lasery Ti:sapphire (zakres nm) (zakres nm)

8 Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 2, 2009/108/17 Lasery półprzewodnikowe (diodowe) Lasery półprzewodnikowe (diodowe) V = 0 V  0 zakres spektralny zależy od szer. przerwy energetycznej (matreiału i domieszek)

9 Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 2, 2009/109/17 Planar-Cavity Surface-Emitting diode Laser (PCSEL) Vertical-Cavity Surface-Emitting diode Laser (VCSEL) podobna zasada, ale bez rezonatora LEDLED

10 Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 2, 2009/1010/17 3. Materia ł y do manipulacji wi ą zkami ś wietlnymi Modulatory światła: wymuszona dwójłomność – efekty magneto- i elektro-optyczne Np. modulatory natężenia (AM) – substancja dwójłomna między skrzyż. polaryzatorami 1) efekt Faraday’a podłużne pole magnet. P B A L gdy poprzeczne pole B - ef. Voigta (  B 2 ) (Cottona-Moutona) gdy poprzeczne pole B - ef. Voigta (  B 2 ) (Cottona-Moutona) V = stała Verdeta Typowe wartości V : szkło optyczne 589 nm): flint 1 mrad/G·m, kwarc.48 mrad/G·m, dop. Tb -6.3 mrad/G·m granaty terbowo-galowe: TGG nm, nm YIG nm

11 Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 2, 2009/1011/17 2) efekt Kerra poprzeczne pole elektr. L P E A K = stała Kerra gdy podłużne pole E - ef. Pockelsa (  E) gdy podłużne pole E - ef. Pockelsa (  E)

12 Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 2, 2009/1012/17 Modulatory częstości (FM) i fazy – najczęściej elektro-optyczne (EOM) (materiał dwójłomny bez polaryzatorów) modulatory akusto-optyczne (AOM) Ważne modulatory akusto-optyczne (AOM) wykorzystujące efekt elastooptyczny (ciśnieniowa modyfikacja n ) generator akust.  PZT wiązka ugięta o częstości  -  l ub  +  wiązka o częstości   modulatory akusto-optyczne umożliwiają: 1)szybkie kierowanie wiązki laserowej w zadanym kierunku 2)modulowanie częstości wiązki świetlnej      Piezoceramiczny nadajnik ultradźwiękowy (PZT) wytwarza w krysztale falę zagęszczeń n (o częstości  ), na której następuje ugięcie wiązki świetlnej. Ponadto ugięta wiązka ma częstość zmienioną o częstość fali zagęszczeń:     

13 Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 2, 2009/1013/17 modulatory światłowodowe interferometr Macha-Zehndera

14 Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 2, 2009/1014/17 4. Materia ł y o strukturze periodycznej zwierciadła, warstwy antyodblaskowe filtry interferencyjne kryształy z fotoniczną przerwą energetyczną (kryształy fotoniczne)

15 Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 2, 2009/1015/17 Interferencja wielowiązkowa - podstawy - różnica faz sąsiednich promieni: - całkowite pole elektr. fali przepuszczonej - najwygodniej przez podział amplitud interferometr Fabry-Perot  - można przez podział frontu falowego

16 Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 2, 2009/1016/17 - natężenie światła przepuszczonego: wzór Airy analogia z rezonansową funkcją Lorentza „współczynnik finezji” - nie mylić z „finezją” 22 x 1010 F

17 Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 2, 2009/1017/17 Uwaga! Dla interferometru Michelsona było Zależność prążków Airy od współczynnika odbicia luster R prążki w interferencji dwuwiązkowej są sinusoidalne, a w interferencji wielowiązkowej są znacznie węższe I(  )/I 0 R=4% R=18 % R=80 % R=95 % gdy  =2  n;  =n, I=I max =I 0, mimo luster wszystko przechodzi !!! układ 2 luster zachowuje się inaczej niż jedno lustro (interferencja) gdy  =(2n+1)  ;  =(2n+1) /2, szerokość maksimum pojęcie szerokości połówkowej:  1/2 ; I(  1/2 )=I 0 /2 (WHM) lub 2  1/2 ( FWHM )  22 0 

18 Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 2, 2009/1018/17 warstwy antyodblaskowe (interferencja destruktywna obu odbitych wiązek) + cienkie warstwy, + lustra i filtry dielektryczne + laser speckles n2n2 n0n0 n1n1 Współcz. odbicia od granicy powietrze-szkło z warstwą antyrefleksyjną optymalizowaną dla światła widzialnego R [%]

19 Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 2, 2009/1019/17

20 Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 2, 2009/1020/17 Optyczne materiały nieliniowe oddziaływania nieliniowe: n i  są też nieliniowymi funkcjami natężenia światła 1. Generacja drugiej harmonicznej Podstawowe optyczne zjawiska nieliniowe 2. Samoogniskowanie i deogniskowanie światła gdy n 2 >0, ośrodek nieliniowy działa jak soczewka skupiająca, gdy n 2 <0, ośrodek nieliniowy działa jak soczewka rozpraszająca,

21 Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 2, 2009/1021/17 Pomiary nieliniowości optycznej metoda Z-scan n 2 > 0 n 2 < 0 w zależności od znaku n 2, nieliniowa próbka poddana jest samoogniskowaniu lub samo-deogniskowaniu i w zależności od swego położenia wzgl. ogniska wiązki laserowej, wywołuje charakterystyczne zmiany rejestrowanego natężenia światła

22 Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 2, 2009/1022/17 Nieliniowo ść koherencyjna: 1) pompowanie optyczne 1966, Alfred Kastler rezonans optyczny – zasada zachow. energii ħ  = ħ  fi foton niesie też kręt – zasada zachow. krętu (W. Rubinowicz, 1932)     ħ  absorpcja fotonu zmienia rzut krętu atomowego różnica populacji (orientacji krętu J) Detekcja optyczna → B 1 =0 B10B10 Podwójny rezonans/ ESR m J = –1/2 +1/2 2 P 1/2 2 S 1/2 detektor ++ B ++ ++ ++ B 1 cos  t B 1 =0 B10B10  B g J B  I det → namagnesowanie atomów

23 Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 2, 2009/1023/17   B J=0 J=1 B0B0 m +1 0 –1 B=0B=0  0  n – 1 0  0   0 n – 1 0  0   0 absorpcja dyspersja m +1 0 –1 Nieliniowo ść koherencyjna 2) ciemne rezonanse / EIT Przejście elektronowe J=1 – J’=0 & liniowo spolaryzowane św. rezonansowe

24 Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 2, 2009/1024/17 Spektroskopia transmisyjna/absorcyjna ħħ -ogranicz. zdolność rozdzielcza (szerokość instr.) -ogranicz. czułość (droga optyczna)  I0I0  T np. widmo Fraunhoffera klasyczna metodyka: spektroskop/ monochromator detektor próbka źródło – lampa spektr. Pomiar   wymaga przezroczystego ośrodka !

25 Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 2, 2009/1025/17

26 Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 2, 2009/1026/17  T 00 Lasery w spektroskopii klasycznej  T detektor próbka lampa spektr. spektroskop/ monochromator monochromatyczność  zwiększ. zdolności rozdz. (   instr    doppler ) detektor próbka laser przestraj. kolimacja wiązki świetlnej  zwiększ. czułości (drogi opt.) (liniowej ) oddziaływania nieliniowe: 2. Inne zalety wiązek laserowych  nieliniowa spektroskopia laserowa 1. Udoskonalenie klasycznych metod dzięki kolimacji i monochromatyczności wiązek laserowych

27 Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 2, 2009/1027/17 Light sources Light sources that are used in photonics are usually more sophisticated than light bulbs. Commonly used light sources in photonics are semiconductor light sources like light-emitting diodes (LEDs), superluminescent diodes and lasers as well as fluorescent lamps, cathode ray tubes (CRTs) and plasma screens. It has to be noted that while CRTs, plasma screens and OLED displays generate their own light, liquid crystal displays (LCDs) like TFT screens require a backlight which is comprised of either cold cathode fluorescent lamps or nowadays more often of LEDs. light bulbslight-emitting diodessuperluminescent diodeslasersfluorescent lampscathode ray tubesplasma screensOLEDliquid crystal displaysTFT screensbacklightcold cathode fluorescent lamps Characteristic for research on semiconductor light sources is the frequent use of III-V semiconductors instead of the classical semiconductors like silicon and germanium. This is due to the special properties of III-V semiconductors that allow for the implementation of light emitting devices. Examples for material systems used are gallium arsenide (GaAs) and aluminium gallium arsenide (AlGaAs) or other compound semiconductors. They are also used in conjunction with silicon to produce hybrid silicon lasers.III-V semiconductorssilicongermaniumIII-V semiconductorslight emitting devicesgallium arsenide aluminium gallium arsenidecompound semiconductorshybrid silicon lasers Transmission media Light can be transmitted through any transparent medium. Glass fiber or plastic optical fiber can be used to guide the light along a desired path. In optical communications optical fibers allow for transmission distances of more than 100 km without amplification depending on the bit rate and modulation format used for transmission. A very advanced research topic within photonics is the investigation and fabrication of special structures and "materials" with engineered optical properties. These include photonic crystals, photonic crystal fibers and metamaterials.transparentGlass fiber plastic optical fiber optical communicationstransmissionphotonic crystalsphotonic crystal fibersmetamaterials

28 Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 2, 2009/1028/17 Amplifiers Optical amplifiersOptical amplifiers are used to amplify an optical signal. Optical amplifiers used in optical communications are erbium-doped fiber amplifiers, semiconductor optical amplifiers, Raman amplifiers and optical parametric amplifiers. A very advanced research topic on optical amplifiers is the research on quantum dot semiconductor optical amplifiers.erbium-doped fiber amplifierssemiconductor optical amplifiersRaman amplifiersoptical parametric amplifiersquantum dot Detection PhotodetectorsPhotodetectors detect light. Photodetectors range from very fast photodiodes for communications applications over medium speed charge coupled devices (CCDs) for digital cameras to very slow solar cells that are used for energy harvesting from sunlight. There are also many other photodetectors based on thermal, chemical, quantum, photoelectric and other effects.photodiodesCCDsdigital camerassolar cellsenergy harvestingsunlightchemicalphotoelectric Modulation Modulation of a light source is used to encode information on a light source. Modulation can be achieved by the light source directly. One of the easiest examples is to use a flashlight to send Morse code. Another method is to take the light from a light source and modulate it in an external optical modulator.flashlightMorse codeoptical modulator An additional topic covered by modulation research is the modulation format. On- off keying has been the commonly used modulation format in optical communications. In the last years more advanced modulation formats like phase-shift keying or even orthogonal frequency-division multiplexing have been investigated to counteract effects like dispersion that degrade the quality of the transmitted signal.On- off keyingphase-shift keyingorthogonal frequency-division multiplexingdispersion Photonic systems Photonics also includes research on. This term is often used for optical communication systems. This area of research focuses on the implementation of photonic systems like high speed photonic networks. This also includes research on which are used to improve the signal quality of an optical signal.optical communication

29 Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 2, 2009/1029/17 Optyczne własności materiałów prawo Lamberta-Beera: L Absorpcja Rozproszenie światła Odbicie światła I R =I 0 R Transmisja zależy od odbicia i absorpcji np. przez próbkę z dwiema odbijającymi powierzchniami (ten sam współczynnik R ):

30 Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 2, 2009/1030/17 The science of photonics includes the generation, emission, transmission, modulation, signal processing, switching, amplification, detection and sensing of light. The term photonics thereby emphasizes that photons are neither particles nor waves — they are different in that they have both particle and wave nature. It basically covers all technical applications of light over the whole spectrum from ultraviolet over the visible to the near-, mid- and far-infrared. Most applications, however, are in the range of the visible and near infrared light. The term photonics developed as an outgrowth of the first practical semiconductor light emitters invented in the early 1960s and optical fibers developed in the 1970s. Fotonika to interdyscyplinarna dziedzina nauki i techniki, łącząca dokonania optyki, elektroniki i informatyki w celu opracowywania technik i urządzeń wykorzystujących promieniowanie elektromagnetyczne (oprócz radiowego) do przenoszenia i przetwarzania informacji. W pewnym sensie można powiedzieć, że fotonika jest rozwinięciem elektroniki z zastosowaniem fotonów zamiast elektronów. Fotonika jest w dużym stopniu tożsama z optoelektroniką, aczkolwiek fotonika nie ogranicza się tylko do styku elektroniki z optyką, lecz zajmuje się wszystkim co ma związek z fotonami i przetwarzaniem informacji. W szczególności, w obszarze fotoniki leży: opracowywanie technik gromadzenia i przetwarzania obrazu konstruowanie urządzeń pomiarowych wykorzystujących promieniowanie elektromagnetyczne opracowywanie technik gromadzenia informacji z użyciem promieniowania elektromagnetycznego. badania nad optycznymi zamiennikami elementów elektronicznych, które docelowo mogą doprowadzić do budowy komputera kwantowego.


Pobierz ppt "Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 2, 2009/101/17 Elementarne warunki działania lasera Konieczne spełnienie 2 warunków  Emisja promieniowania spójnego."

Podobne prezentacje


Reklamy Google