Lasery – co każdy powinien wiedzieć,

Prezentacja na temat: "Lasery – co każdy powinien wiedzieć,"— Zapis prezentacji:

1 Lasery – co każdy powinien wiedzieć,
ale się bał zapytać... główny mechanizm – emisja wymuszona – przez wzbudzone atomy Emisja wymuszona fazy emisji kierunki emisji częstości emisji Skorelowane z fotonami wymuszającymi !!! konieczne warunki działania lasera: Inwersja obsadzeń stanów o wyższej energii względem niższej (aby emisja promieniowania przeważała nad absorpcją) Rezonator laserowy pozwalający na zwiększenie liczby fotonów wymuszających (aby emisja wymuszona przeważała nad spontaniczną) Wojciech Gawlik - Opt.Met.Badania Materiałów /10

2 transformacja materiałów Laserowa obróbka,
Pole EM związane z promieniowaniem lasera może modyfikować a) str. energetyczną materiałów – własności fiz-chem. b) selektywnie inicjować reakcje chemiczne 2. Termiczne działanie wiązki laserowej na materiały (musi być absorbowana) Fotoablacja – rozrywanie wiązań molekularnych (dysocjacja, defragmentacja) 4. Laser-Plasma Deposition (nanoszenie materiałów za pomocą plazmy laserowej) (dwie wiązki lasera excymerowego generują strumienie plazmowe różnych substancji, które się osadzają na płytce substratu w odpowiednich proporcjach) Wojciech Gawlik - Opt.Met.Badania Materiałów /10

3 Badania rozpraszania światła
Rodzaje rozpraszania Rezonansowe – światło rezonansowo oddziałuje z określonym przejściem w atomach/cząsteczkach – absorpcja/reemisja  światła rozpraszanego =  św. reemitowanego – możliwy pomiar str. widmowej – str. energetycznej scatt exc Natęż. św. rozprosz. rozpraszanie elastyczne scatt = exc gdy bogatsza str. poziomów – bogatsze widma D D2 exc scatt Natęż. św. rozprosz. rozpraszanie Ramana scatt = excDi umożliwia pomiar rozszczepień Di D1 D2 Wojciech Gawlik - Opt.Met.Badania Materiałów /10

4 SRS (Stimulated Raman Scattering)
Z laserowym wzbudzeniem - rozpraszanie wymuszone 1 2 E=h(1-2) 2. Rozpraszanie nierezonansowe (oscylujący dipol) małe cząstki (objętość  ) – rozprasz. Rayleigha – elastyczne  kolor nieba i zachodzącego słońca duże cząstki – rozpraszanie Mie [Gustaw Mie] – zależne od rozmiarów cząstek, słabiej zależy od  - kolor chmur Wojciech Gawlik - Opt.Met.Badania Materiałów /10

5 Rola interferencji i dyfrakcji
w rozpraszaniu w rozpraszaniu Mie, interferują przyczynki światła rozprosz. przez różne części cząstki i dają zależność od rozmiaru cząstek natęż. światła rozproszonego średnica cząstek Wojciech Gawlik - Opt.Met.Badania Materiałów /10

6 w rozpraszaniu na wielu małych cząstkach istotna dyfrakcja na indywidualnych cząstkach
kąt minimum pierścieni przy dyfrakcji na okrągłych (sferycznych) obiektach o średnicy d: Przykład - badania aerozoli  Analiza obrazów dyfr. = ważna metoda pomiaru rozmiarów obiektów i struktur Wojciech Gawlik - Opt.Met.Badania Materiałów /10

7 Elastometria defektoskopia
analizator polaryzator przezroczysty przedmiot z naprężeniami obraz naprężeń defektoskopia badanie naprężeń, sprawdzanie modeli konstrukcji Wojciech Gawlik - Opt.Met.Badania Materiałów /10

8 Koherencja światła lasera
 zastos. do interferometrii laser speckle („cętki” laserowe) - wynik interferencji światła rozproszonego Interferometria plamkowa  nieniszcząca metoda badania powierzchni Wojciech Gawlik - Opt.Met.Badania Materiałów /10

9 Przykłady zastosowań interferometrii laser speckle
wizualizacja uszkodzeń i ruchu obiektów i powierzchni Wojciech Gawlik - Opt.Met.Badania Materiałów /10

10 Prążki mory (moire pattern)
mechanizm powstawania – interferencja fal świetlnych Zastosowania - np. ochrona zabytków: Wojciech Gawlik - Opt.Met.Badania Materiałów /10

11 Materiały fotoniczne szkło BK-7 1. Materiały na standardowe elementy optyczne (soczewki, pryzmaty, okienka)  ważna transmisja/absorpcja i dyspersja szkło kwarcowe szafir CaF2 Wojciech Gawlik - Opt.Met.Badania Materiałów /10

12 2. Materiały do manipulacji wiązkami świetlnymi
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 (B2) (Cottona-Moutona) V = stała Verdeta 2) efekt Kerra poprzeczne pole elektr. L P E A K = stała Kerra gdy podłużne pole E - ef. Pockelsa (E) Wojciech Gawlik - Opt.Met.Badania Materiałów /10

13 Modulatory częstości (FM) i fazy
– najczęściej elektro-optyczne (EOM) (materiał dwójłomny bez polaryzatorów) Ważne modulatory akusto-optyczne (AOM) wykorzystujące efekt elastooptyczny (ciśnieniowa modyfikacja n ) 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:      generator akust.  wiązka o częstości  PZT wiązka ugięta o częstości - lub +  modulatory akusto-optyczne umożliwiają: szybkie kierowanie wiązki laserowej w zadanym kierunku modulowanie częstości wiązki świetlnej      Wojciech Gawlik - Opt.Met.Badania Materiałów /10

14 Optyczne materiały nieliniowe
oddziaływania nieliniowe: n i  są też nieliniowymi funkcjami natężenia światła Podstawowe optyczne zjawiska nieliniowe 1. Generacja drugiej harmonicznej 2. Samoogniskowanie i deogniskowanie światła gdy n2>0, ośrodek nieliniowy działa jak soczewka skupiająca, gdy n2<0, ośrodek nieliniowy działa jak soczewka rozpraszająca, Wojciech Gawlik - Opt.Met.Badania Materiałów /10

15 Pomiary nieliniowości optycznej
metoda Z-scan n2 < 0 n2 > 0 w zależności od znaku n2 , nieliniowa próbka poddana jest samoogniskowaniu lub samo-deogniskowaniu i w zależności od swego położenia wzgl. ogniska wiązki laserowej, wywołuje charakterystyczne zmiany rejestrowanego natężenia światła Wojciech Gawlik - Opt.Met.Badania Materiałów /10

16 Pojedyncze centra barwne/kropki kwantowe („niby-atomy”)
kryształ 2x2x0.32 mm Wojciech Gawlik - Opt.Met.Badania Materiałów /10

17 Technologia centrów NV
syntetyczne diamenty a) HPHT (High Pressure High Temperature) b) CVD (Chemical Vapor Deposition)  cena, kontrola parametrów (koncentracja N: 6 –600 ppm, 1018–1020 cm–3, zawartość azotu - typ Ia lub IIa ) naświetlanie wiązką jonizującą (e, p, He+, ... @ 1.7–3 MeV, 1016–1018 cm – 2) *( [V] < 1022 cm-3 ) V N 17

18 Optyczna detekcja stanu spinowego
prawdopodobieństwa absorpcji; |0 rozprasza 30% więcej fotonów niż |±1 |0 : stan jasny |±1 : stan ciemny 2 . 8 G H z absorpcja fluorescencja |MS=0> |MS= ±1> *Large oscillator strenght for NV- between ground and excited state : (Room-temperature coherent coupling of single spins in diamond, Gaebel, Jelezko) * technika ODMR (Optically Detected Magnetic Resonance) – transfer populacji między podpoziomami spinowymi przez rezonansowe pole w, ESR (podwójny rezonans) – detekcja zmian absorpcji, fluorescencji, ... Wojciech Gawlik - Opt.Met.Badania Materiałów /10 18

19 Nanomagnetometria G. Balasubramanian et al. Nature 455, 648 (2008)
Wojciech Gawlik - Opt.Met.Badania Materiałów /10

20 Kryształy fotoniczne = materiały z periodycznymi niejednorodnościami
współczynnika załamania charakteryzują się „fotoniczną przerwą energetyczną” – obszarem „zabronionych” częstotliwości fal świetlnych Kryształy fotoniczne pozwalają na propagację dozwolonych modów promieniowania z b. małymi stratami i zmianę kierunku propagacji pod b. ostrymi kątami (co jest niemożliwe w standardowych światłowodach) Wojciech Gawlik - Opt.Met.Badania Materiałów /10

21 Światłowody fotoniczne
Przykładowe konstrukcje: dozwolone (a) i zabronione (b i c) mody promieniowania w światłowodzie fotonicznym (a) (b) (c) bardzo małe tłumienie, bardzo silne nieliniowości Wojciech Gawlik - Opt.Met.Badania Materiałów /10

22 RHM (right-handed materials)
Metamateriały, left-handed materials   jonosfera Re(n) = 0 RHM (right-handed materials) n > 0 LHM n < 0 seignetto-magnetyki Wojciech Gawlik - Opt.Met.Badania Materiałów /10

23  <0, n urojone  <0, n <0
Wojciech Gawlik - Opt.Met.Badania Materiałów /10

24 Wojciech Gawlik - Opt.Met.Badania Materiałów 3 - 2009/10