Wykład XIII 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   n2/n1>>1 Inwersja obsadzeń:

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