Wykład V Laser

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Emisja spontaniczna Emisja wymuszona

Atom w stanie wzbudzonym emituje foton przechodząc do nowego stanu. Emisja wymuszona hn E1 E2 hn =E2-E1 absorpcja emisja spontaniczna emisja wymuszona Absorpcja atom absorbując foton przechodzi ze stanu podstawowego (1) do stanu wzbudzonego (2). Emisja spontaniczna Atom w stanie wzbudzonym emituje foton przechodząc do nowego stanu. Fotony emitowane są we wszystkich kierunkach z jednakowym prawdopodobieństwem w przypadkowych chwilach. Emitowana fala elektromagnetyczna nie jest spójna.

Wymuszający i emitowany foton mają takie same : Emisja wymuszona hn E1 E2 absorpcja emisja spontaniczna emisja wymuszona Emisja wymuszona Atom w stanie wzbudzonym pod wpływem zewnętrznego fotonu emituje drugi foton przechodząc do nowego stanu. Wymuszający i emitowany foton mają takie same : częstotliwość kierunek fazę Emitowana fala jest spójna W stanie równowagi termodynamicznej dominuje emisja spontaniczna.

Emisja spontaniczna i wymuszona Fotony emitowane są we wszystkich kierunkach z jednakowym prawdopodobieństwem w przypadkowych chwilach. Emitowana fala elektromagnetyczna nie jest spójna. Emisja wymuszona Wymuszający i emitowany foton mają takie same : częstotliwość kierunek fazę Emitowana fala jest spójna

n1 - ilość elektronów na poziomie E1 Z równania Boltzmana E1 E2 Przykład: T=3000 K E2-E1=2.0 eV n1 - ilość elektronów na poziomie E1 n2 - ilość elektronów na poziomie E2

Współczynniki Einsteina Prawdopodobieństwo absorpcji wymuszonej R1-2   Prawdopodobieństwo absorpcji wymuszonej R1-2 R1-2 = r (n) B1-2 Proces emisji wymuszonej R2-1 = r (n) B2-1 + A2-1 A 2-1 - proces emisji spontanicznej Zał: n1 atomów w stanie e 1 i n2 atomów w stanie e 2 jest w równowadze w temperaturze T z polem promieniowania o gęstości r (n): n1 R1-2 = n2 R2-1 n1r (n) B1-2 = n2 (r (n) B2-1 + A2-1) Stąd r (n)

gęstość widmowa promieniowania CDC (prawo Plancka) Względna liczba cząstek na dany stan:   r (n) = =     gęstość widmowa promieniowania CDC (prawo Plancka) B1-2/B2-1 = 1

Stosunek A2-1 prawdopodobieństwa emisji spontanicznej do prawdopodobieństwa emisji wymuszonej B2-1r(n ):    Energia hn fotonów światła widzialnego zawiera się w granicach 1.6eV – 3.1eV. kT w temperaturze 300K ~ 0.025eV. Dopiero gdy hn /kT <<1 emisja wymuszona może być dominująca. I tak np. w zakresie mikrofalowym hn <0.0015eV.   W ogólności częstość emisji do częstości absorpcji x jest dana wzorem: jeśli hn /kT <<1.     x~ n2/n1

Warunek akcji laserowej Jeżeli n1 > n2 Padające promieniowanie jest głównie absorbowane Przeważają procesy emisji spontanicznej. Jeżeli n2 >> n1 - inwersja obsadzeń Większość atomów jest w stanie 2, absorpcja padającego promieniowania jest utrudniona. Przeważają procesy emisji wymuszonej. Padająca fala jest wzmacniana. wystąpienie akcji laserowej wymaga aby w układzie zaistniała inwersja obsadzeń

Jak uzyskać inwersję obsadzeń W przypadku wzbudzeń termicznych E1 E2 Nie można uzyskać inwersji obsadzeń. W celu uzyskania inwersji obsadzeń układ musi być „pompowany” Podstawowe metody pompowania: wyładowania elektryczne, pobudzanie optyczne.

Zasada pracy lasera E3 E2 E1 Przykład lasera trójpoziomowego szybkie przejścia E2 akcja laserowa E1 13 przejście w wyniku pompowania. Szybkie przejścia nie radiacyjne z 3 2. Stan 2 jest stanem o stosunkowo długim czasie życia ( metastabilnym). Wytwarza się inwersja obsadzeń pomiędzy poziomami 2 i 1. Akcja laserowa możliwa pomiędzy poziomami 2 i 1.

Przebieg akcji laserowej : szybkie przejścia E2 akcja laserowa E1 Przebieg akcji laserowej : - pompowanie optyczne obsadza poziom e3 o krótkim czasie życia, rzędu 10-8s. Jest to więc pasmo: poziomy: metastabilny i podstawowy są wąskie -  elektrony przechodzą z pasma wzbudzonego na poziom metastabilny i gromadzą się: inwersja obsadzeń. -   emisja wymuszona. (Wystarczy aby jeden elektron opuścił stan metastabilny w procesie emisji spontanicznej. Powstający foton zapoczątkuje emisję wymuszoną.) Wiązka fotonów porusza się prostopadle do luster - powstaje fala stojąca.

Laser rubinowy Wynaleziony w latach 60-tych. Czynnik roboczy: monokryształ rubinu czyli Al2O3 domieszkowany Cr. Pompowanie optyczne poprzez nawiniętą spiralnie lampę błyskową Lustra na obu końcach kryształu. Laser światła czerwonego

Laser rubinowy Akcja laserowa z jonów Cr3+, zawartych w rubinie . Laser trzypoziomowy. Al2O3 Pompowanie optyczne do stanów 4T1 lub 4T2 , poprzez absorpcję fali z zakresu 510-600nm i 360-450nm. Szybkie bezpromieniste przejście elektronów na poziom metastabilny 2E. Akcja laserowa w wyniku przejścia elektronów z 2E na 4A2, z emisją fotonów o częstotliwościwith 694 nm. Cr+ Energy 4A2 4T2 4T1 2T2 2E LASING rapid decay

Laser rubinowy Pierwszy skonstruowany laser konstruktor : Ted Maiman z : Hughes Research Labs rok: 1960