Lasery i Masery Zasada działania i zastosowanie Wydział Górnictwa i Geoinżynierii Kierunek Górnictwo i Geologia Mateusz Korzeniak i Paweł Łodkowski Kraków, 15.04.15r.

Spis Treści Czym jest maser? Pojęcia podstawowe Powstanie pierwszego masera Stosowane typy maserów Zastosowanie maserów Czym jest laser? Krótka historia laserów Typy laserów i zasada ich działania Zastosowanie laserów

Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation MASER Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation Zdj. 1. Maser wodorowy [5].

Kwantowy charakter budowy atomu Rys. 1. Model atomu wodoru Nielsa H. D. Bohr’a [5].

Kwantowy charakter budowy atomu Kwantowy charakter budowy atomu polega na tym, że energia elektronu w atomie może przyjmować jedynie określone wartości, tj. elektron może znajdować się na określonych poziomach energetycznych. Oznacza to, że zmiany energii elektronu nie mogą się odbywać w sposób ciągły, lecz tylko skokami. (Klejman H., Masery i lasery: nowe zdobycze elektroniki)

Kwantowy charakter budowy atomu Rys. 2. Poziomy energetyczne wodoru [6].

Kwantowy charakter budowy atomu Rys. 3. Widma promieniowania [5].

Emisja wymuszona Rys. 4. Schemat emisji wymuszonej [5].

Inwersja obsadzeń Rys. 5. Schemat emisji wymuszonej [9].

Powstanie masera Zdj. 2. Charles H. Townes i prototyp masera NH3 [5].

GORDON TOWNES Powstanie masera James P. Charles H. Herb J. ZEIGER Zdj. 3. J. P. Gordon, Ch. H. Townes, H. J. Zeiger [10].

Maser amoniakalny Rys. 6. Maser amoniakalny [3].

Maser amoniakalny Maser amoniakalny, w zasadzie, nie znalazł zastosowania jako wzmacniacz ze względu na wąskie pasmo przenoszenia i bardzo mały zakres przestrajania, wynoszący zaledwie kilka kiloherców, jak również z powodu ograniczonej wartości mocy wyjściowej nie przekraczającej 10-9 W. (Klejman H., Masery i lasery: nowe zdobycze elektroniki)

Maser amoniakalny Maser amoniakalny miał wybitnie wąską przepustowość. Nie wzmacniał sygnału który zbaczał od częstotliwości 24 GHz o więcej niż 3 – 5 kHz. To sprawia że jego użyteczność jako wzmacniacza była ograniczona. W kanałach TV, potrzebujących 4 MHz przepustowości, maser amoniakalny nie mógł zostać wykorzystany. (Leinwoll S., Understanding lasers and masers)

Maser krystaliczny Rys. 6. Schemat masera rubinowego [11].

Maser wodorowy Rys. 7. Schemat masera wodorowego [11]. Zdj. 4. Widok masera wodorowego [5].

Ostatnie odkrycie Zdj. 5. Rdzeń masera pracującego w temperaturze pokojowej [12].

Ostatnie odkrycie Ten pierwszy w historii maser działający w temperaturze pokojowej przy normalnym ciśnieniu atmosferycznym to wynalazek naukowców z Brytyjskiego Narodowego Laboratorium Fizycznego (NPL – National Physical Laboratory). Dodatkowo maser ten nie potrzebuje pola magnetycznego do działania! Mogą zatem być użyte równie powszechnie jak lasery. Brytyjczycy zamiast rubinowego kryształu (który pożądane właściwości osiągał w bardzo niskich temperaturach) wykorzystali kryształ p-terfenylu wzbogaconego pentacenem. W temperautrze pokojowej ma on takie same właściwości co kryształ rubinu przy temeraturze bliskiej zera bezwzględnego.

Zastosowanie maserów Zdj. 6. Radioteleskop w Junnanie, Chiny [13].

Zastosowanie maserów Zdj. 7. Satelita [14].

Zastosowanie maserów Zdj. 8. Zegar atomowy również wykorzystuje maser [15].

Zastosowanie maserów Zdj. 9. Maser znajduje zastosowanie w sprzęcie diagnostyki medycznej [5].

Zastosowanie maserów Zdj. 10. Wykorzystanie masera w celach wojskowych [16].

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation czyli wzmocnienie światła poprzez wymuszoną emisję promieniowania. Fot. 11. Lasery [5].

Krótka historia laserów Albert Einstein stwierdza w 1917r., że możliwa jest wymuszona emisja światła przez atomy, W 1957 Gordon Gould ogłosił pomysł (jak też i nazwę) lasera, równolegle z niezależnymi pracami nad maserami optycznymi (Arthur Leonard Schawlow, Charles Townes), Pierwszy laser (rubinowy) zbudował i uruchomił 16 maja 1960 roku Theodore Maiman, ośrodkiem czynnym był kryształ korundu domieszkowany chromem – rubin, Pierwszą akcję laserową w laserze gazowym, helowo-neonowym uzyskano w 1960r. Fot. 12. Młody Albert Einstein [5]. Fot. 13. Theodore Maiman [5].

Krótka historia laserów Nagroda Nobla z fizyki - 1964 - N. G. Basow i A. M. Prochorow (ZSRR) oraz C. H. Townes (USA) za prace będące podstawą działania laserów i maserów, W tym samym roku zbudowany został pierwszy laser półprzewodnikowy z pompowaniem diodowym, W kolejnych latach pojawiały się kolejne typy laserów, Pierwszy polski laser powstał w Wojskowej Akademii Technicznej w 1963 (laser gazowy He-Ne, generujący promieniowanie podczerwone o długości fali 1,15 µm). Fot. 14. Nikołaj Basow [5]. Fot. 15. Aleksandr Prochorow [5]. Fot. 16. Charles Towens [5].

Rys. 9. Emisja kwantu energii [8]. Atom i Absorpcja Działanie lasera opiera się na powłokowym modelu budowy atomu i na procesie absorpcji czyli pochłonienia energii fali elektromagnetycznej przez substancję. Emitowanie energii z atomu ma miejsce gdy wzbudzony przez wzrost energii ciała (na skutek pochłonięcia energii fali elektromagnetycznej) elektron powraca z wyższego poziomu energetycznego na swój podstawowy poziom. Rys. 8. Budowa atomu [7]. Rys. 9. Emisja kwantu energii [8].

Emisja wymuszona hn = E2 - E1 Kolejnym zjawiskiem na którym opiera się działanie lasera to emisja wymuszona. Emisja wymuszona zachodzi, gdy atom wzbudzony zderza się z fotonem o takiej częstotliwości, że jego energia kwantu jest równa różnicy energii poziomów między stanem wzbudzonym a podstawowym. Foton uderzający nie ulega pochłonięciu, ale przyspiesza przejście atomu ze stanu wzbudzonego do podstawowego i dlatego z atomu wylatują w tym samym kierunku dwa spójne, to znaczy zgodne w fazie fotony o tej samej energii więc i częstotliwości Rys. 10. Zjawisko emisji [5]. hn = E2 - E1

Rys. 11. Zjawisko inwersji obsadzeń [9]. Inwersja obsadzeń Atomy w stanie podstawowym pochłaniają fotony wzbudzające (także te wyemitowane). Aby laser działał proces emisji wymuszonej musi przeważyć nad pochłanianiem występuje to, gdy w ośrodku jest więcej atomów w stanie wzbudzonym niż w stanie podstawowym (inwersja obsadzeń poziomów energetycznych). Rys. 11. Zjawisko inwersji obsadzeń [9].

Pompowanie optyczne Zadaniem układu pompującego jest przeniesienie jak największej liczby elektronów w substancji czynnej do stanu wzbudzonego. Pompowanie lasera odbywa się poprzez błysk lampy błyskowej (flasha), błysk innego lasera, przepływ prądu w gazie, reakcję chemiczną, zderzenia atomów, wstrzelenie wiązki elektronów do substancji. Rys. 12. Schemat lasera [17].

Rys. 13. Schemat lasera rubinowego [20]. Układ optyczny Układ optyczny składa się zazwyczaj z dwóch zwierciadeł z czego przynajmniej jedno jest częściowo przepuszczalne, dokładnie wykonane i odpowiednio ustawione zwierciadła stanowią rezonator dla wybranej częstotliwości fali i określonego kierunku ruchu, tylko te fotony dla których układ optyczny jest rezonatorem wielokrotnie przebiegają przez ośrodek czynny wywołując emisję kolejnych fotonów spójnych z nimi, pozostałe fotony zanikają w ośrodku czynnym lub układzie optycznym. Rys. 13. Schemat lasera rubinowego [20].

Emisja wymuszona

Własności światła laserowego Światło laserowe jest monochromatyczne – czyli zawiera jedną długość fali (jeden konkretny kolor), Jest koherentne – czyli zorganizowane, wszystkie fotony poruszają się tak samo, Posiada bardzo małą rozbieżność – wiązka lasera jest spójna i skoncentrowana, Wytwarza duże promieniowanie. Rys. 14. Koherencja [5]. Fot. 17. Wiązki laserowe [5].

Fot. 18. Laser gazowy (He-Ne) [19]. Fot. 19. Laser barwnikowy [20]. Podział laserów W zależności od mocy wiązki: Małej mocy - od 1 do 6 mW, Średniej mocy – do 500 mW, Dużej mocy (wysokoenergetyczne) – od 500 mW do 10 kW. W zależności od sposobu pracy: O pracy ciągłej emitujące promieniowanie o stałym natężeniu, Impulsowe emitujące promieniowanie okresowo. W zależności od ośrodka czynnego: Lasery gazowe: Helowo-Neonowe, Azotowe, Argonowe, Na dwutlenku węgla, Na tlenku węgla, Chemiczne. Lasery na ciele stałym: Rubinowy, Neodymowy na szkle, Tytanowy na szafirze. Lasery na cieczy: Laser barwnikowy – ośrodkiem czynnym barwniki rozpuszczone w nieaktywnym ośrodku przezroczystym Lasery półprzewodnikowe: Złączowe (diody laserowe), Laser na materiale objętościowym, Kwantowy laser kaskadowy, Bezzłączowe. Fot. 18. Laser gazowy (He-Ne) [19]. Fot. 19. Laser barwnikowy [20].

Rys. 15. Częstotliwość pracy poszczególnych laserów komercyjnych [5]. Podział laserów 4. W zależności od widma promieniowania w którym pracują: Lasery w podczerwieni, Lasery w świetle widzialnym, Lasery w nadfiolecie. Rys. 15. Częstotliwość pracy poszczególnych laserów komercyjnych [5].

Laser Helowo - Neonowy . Fot. 20. Laser Helowo-Neonowy [5]. Rys. 16. Schemat poziomów energetycznych [1].

Laser rubinowy Rys. 21. Laser rubinowy w częściach [19]. Rys. 17. Schemat poziomów energetycznych [1].

Laser barwnikowy Fot. 22. Laser barwnikowy [20]. Rys. 18. Schemat lasera barwnikowego [22].

Laser półprzewodnikowy Rys. 19. Budowa lasera półprzewodnikowego [22]. Fot. 23. i 24. Laser półprzewodnikowy [5].

Zastosowanie laserów Fot. 25. Światłowody [4]. Fot. 26. Czytnik kodów kreskowych [4].

Fot. 28. Wskaźnik laserowy [4]. Zastosowanie laserów Fot. 27. Płyty CD [4]. Fot. 28. Wskaźnik laserowy [4].

Zastosowanie laserów Fot. 29. Maszyna do obróbki i cięcia metali [4]. Fot. 30. Holograficzne struktury na krzemowej płytce [4].

Zastosowanie laserów Fot. 31. Grawerowanie laserem [4]. Fot. 32. Mapa wykonana poprzez LIDAR [4].

Fot. 34. Skan tomografii laserowej [4]. Zastosowanie laserów Fot. 33. Operacje wzroku metodą LASIK [4]. Fot. 34. Skan tomografii laserowej [4].

Fot. 36. Zabezpieczenia laserowe [4]. Zastosowanie laserów Fot. 35. Oprawa koncertu [4]. Fot. 36. Zabezpieczenia laserowe [4].

Zastosowanie laserów Fot. 37. F-16 z pociskiem namierzanym laserowo [4]. Fot. 38. Reaktor fuzyjny [4].

Bibliografia i Netografia [1]. Bryl R.: „Podstawy działania laserów i ich zastosowania”, skrypt do wykładów na Wydziale Fizyki i Astronomii Uniwersytetu Wrocławskiego. [2]. Kleiman H.: „Masery i lasery. Nowe zdobycze elektroniki”, 1999r., [3]. Leinwoll S.: „Understanding masers and lasers”, 1995r., [4]. www.laserfest.org, [5]. www.wikipedia.pl, [6]. www.physast.uga.edu, [6]. www.Howstuffworks.com, [7]. www.budowa-atomu.blogspot.com, [8]. www.edudu.pl, [9]. www.plodd.p.lodz.pl, [10]. osa.org, [11]. www.daenotes.com, [12]. eandt.theiet.org, [13]. astro.uni.torun.pl, [14]. Macedoniaonline.eu, [15]. skyscanatomicclock.zaleplon.info,

Bibliografia i Netografia [16]. www.hmmwvinscale.com, [17]. www.porownaj-laser.pl, [18]. www.gry.onet.pl, [19]. www.elektroda.pl, [20]. www.drhart.ucoz.com, [21]. www.donklipstein.com,

Dziękujemy za uwagę