5. Lasery Rola emisji wymuszonej

Prezentacja na temat: "5. Lasery Rola emisji wymuszonej"— Zapis prezentacji:

1 5. Lasery Rola emisji wymuszonej
Rozwój akcji laserowej we wnęce laserowej Cechy światła laserowego Podstawy fizyczne działania laserów: Inwersja obsadzeń Wybór ośrodka aktywnego Przegląd podstawowych typów laserów Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Laser

2 poprzedni wykład: Widmo elektromagnetyczne i promieniowanie ciała doskonale czarnego
Rzędy wielkości energii przejść elektronowych i rotacyjno-wibracyjnych w atomach i cząsteczkach Boltzmannowski rozkład obsadzeń Emisja spontaniczna Absorpcja, widma absorpcyjne Światło oświetlające Ziemię Promieniowanie ciała doskonale czarnego, rozkład Plancka Promieniowanie reliktowe Emisja wymuszona Einsteinowskie wspólczynniki Widmo elektromagnetyczne Proces widzenia u człowieka i zwierząt Zadania

3 Einstein pokazał, że prócz emisji spontanicznej i absorpcji
istnieje również emisja wymuszona. Absorpcja Emisja spontaniczna wymuszona N2 N1 A. Einstein rozumował: jeżeli oddziaływanie atomu z fotonem wywołuje pochłonięcie fotonu z prawdopodobieństwem zależnym od ilości fotonów o odpowiedniej energii (natężeniu oświetlania), zaś emisja występuje czysto swobodnie, z prawdopodobieństwem zależnym wyłącznie od wielkości charakteryzujących wzbudzony poziom energetyczny, to atom wzbudzony musi emitować foton w wyniku oddziaływania z fotonem, z prawdopodobieństwem zależnym od ilości odpowiednich fotonów, by mogło dojść do równowagi termodynamicznej między pochłanianiem i emitowaniem fotonów. Emisja wymuszona jest zjawiskiem odwrotnym do pochłaniania fotonów przez atomy (cząsteczki). Prawdopodobieństwo pochłonięcia fotonu przez atom w stanie o mniejszej energii jest takie samo jak prawdopodobieństwo emisji wymuszonej atomu wzbudzonego, dlatego o wielkości emisji/pochłaniania ośrodka decyduje różnica liczby atomów w stanie wzbudzonym i podstawowym.

4 Emisja wymuszona: zjawisko leżące u podstaw działania laserów
Współczynniki Einsteina: A21, B12 i B21 i opisują prawdopodobieństwa przejść między dwoma stanami w jednostce czasu w wyniku: emisji wymuszonej: B21I absorpcji: B12I emisji sponatnicznej: A21 Relacje Einsteina: g1 i g2 – degeneracje stanów 1 i 2 B A B21 g1B12 = g2B21 Jak pamiętamy, oddziaływanie światła z materią można wyjaśnić za pomocą trzech zjawisk: pochłanianie fotonów (absorpcja), emisji spontanicznej oraz emisji wymuszonej fotonu. Emisja wymuszona: zjawisko leżące u podstaw działania laserów

5 Współczynniki Einsteina
Einstein rozważał (1917r.) prędkość przejść między stanami energetycznymi (np. stanów 1 i 2) atomów w równowadze ze światłem o irradiencji (natężeniu) I: prędkość emisji spontanicznej: dN2/dt = A21 N2 prędkość absorpcji: dN1/dt = B12 N1 I prędkość emisji wymuszonej: dN2/dt = B21 N2 I Przypadkowa w czasie i przestrzeni Absorpcja Emisja spontaniczna wymuszona N2 N1 Absorpcja Emisja spontaniczna wymuszona N2 N1 równe prawdopodobieństwa ale różne prędkości! Spójna z fotonem wymuszającym (text), patrz też Haken, str.79 Emisja wymuszona jest zjawiskiem odwrotnym do pochłaniania fotonów przez atomy (cząsteczki). Prawdopodobieństwo pochłonięcia fotonu przez atom w stanie o mniejszej energii jest takie samo jak prawdopodobieństwo emisji wymuszonej atomu wzbudzonego, dlatego o wielkości emisji/pochłaniania ośrodka decyduje różnica liczby atomów w stanie wzbudzonym i podstawowym. By mogło dojść do równowagi termodynamicznej w obecności pochłanianych i emitowanych fotonów: B12 N1 I = A21 N2 + B21 N2 I Zazwyczaj: N2 << N1 !!! Emisję wymuszoną można zaniedbać!!! I słabe

6 O emisji wymuszonej T = 33 500 K !!! B12 N1 I = A21 N2 + B21 N2 I
Absorpcja Emisja spontaniczna wymuszona N2 N1 Prawdopodobieństwa emisji wymuszonej i spontanicznej są równe w: T = K !!! W temperaturze pokojowej: ~`10-35 W T = 3000 K (żarówka): ~ 10-4 (text), patrz też Haken, str.79 B12 N1 I = A21 N2 + B21 N2 I Zazwyczaj: N2 << N1 !!! Emisję wymuszoną można zaniedbać!!! I słabe

7 Lasery Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
Rola emisji wymuszonej Rozwój akcji laserowej we wnęce laserowej Cechy światła laserowego Podstawy fizyczne działania laserów: Inwersja obsadzeń Wybór ośrodka aktywnego Przegląd podstawowych typów laserów Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Laser

8 Lasery

9 Lasery Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Laser
Ale lasery mogą również słuzyć do bardzo wielu innych rzeczy Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Laser

10 Lasery Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Laser
Lasery różnią się też konstrukcją, (wielkością) i innymi prametrami, o których będziemy mówić na dzisiejszym wykładzie. Ich różnorodność wiąże się z wielorakością celów, do jakich zostały skonstruowane. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Laser

11 LASER* inwersji obsadzeń i emisji wymuszonej.
Działanie lasera bazuje na dwóch zjawiskach: inwersji obsadzeń i emisji wymuszonej. nazwa utworzona jako akronim od Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation - wzmocnienie światła poprzez wymuszoną emisję promieniowania. Laser jest generatorem światła. Działanie lasera bazuje na dwóch zjawiskach: inwersji obsadzeń i emisji wymuszonej. Otrzymywane światło ma charakterystyczne właściwości, trudne lub wręcz niemożliwe do osiągnięcia w innych typach źródeł światła, małą szerokość linii emisyjnej, co jest równoważne bardzo dużej mocy w wybranym obszarze widma. W laserach łatwo uzyskać wiązkę spolaryzowaną, spójną w czasie i przestrzeni oraz o bardzo małej rozbieżności. W laserach impulsowych można uzyskać bardzo dużą moc w impulsie oraz szybkie narastanie impulsu. Thus, a beam generated by a small laboratory laser such as a helium-neon laser spreads to about 1.6 kilometers (1 mile) diameter if shone from the Earth to the Moon. By comparison, the output of a typical semiconductor laser, due to its small diameter, diverges almost as soon as it leaves the aperture, at an angle of anything up to 50°. However, such a divergent beam can be transformed into a collimated beam by means of a lens. In contrast, the light from non-laser light sources cannot be collimated by optics as well or much. * Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

12 LASER* wzbudzony

13 LASER* Unikalne właściwości światła laserowego:
zwierciadło całkowicie odbijające zwierciadło wyjściowe ośrodek wzmacniajacy wneka laserowa źródło energii pompujacej LASER* Unikalne właściwości światła laserowego: mała szerokość linii emisyjnej (duża moc w emisyjnym obszarze widma) można uzyskać wiązkę: spolaryzowaną, spójną w czasie i przestrzeni o bardzo małej rozbieżności W laserach impulsowych można uzyskać bardzo dużą moc w impulsie oraz szybkie narastanie impulsu. Laser He-Ne światło lasera ma charakterystyczne właściwości, trudne lub wręcz niemożliwe do osiągnięcia w innych typach źródeł światła, małą szerokość linii emisyjnej, co jest równoważne bardzo dużej mocy w wybranym obszarze widma. W laserach łatwo uzyskać wiązkę spolaryzowaną, spójną w czasie i przestrzeni oraz o bardzo małej rozbieżności. W laserach impulsowych można uzyskać bardzo dużą moc w impulsie oraz szybkie narastanie impulsu. Zasadniczymi częściami lasera są: ośrodek czynny, rezonator optyczny, układ pompujący. Układ pompujący dostarcza energii do ośrodka czynnego, w ośrodku czynnym w odpowiednich warunkach zachodzi akcja laserowa, czyli kwantowe wzmacnianie (powielanie) fotonów, a układ optyczny umożliwia wybranie odpowiednich fotonów. Thus, a beam generated by a small laboratory laser such as a helium-neon laser spreads to about 1.6 kilometers (1 mile) diameter if shone from the Earth to the Moon. By comparison, the output of a typical semiconductor laser, due to its small diameter, diverges almost as soon as it leaves the aperture, at an angle of anything up to 50°. However, such a divergent beam can be transformed into a collimated beam by means of a lens. In contrast, the light from non-laser light sources cannot be collimated by optics as well or much.

14 LASERy* inwersji obsadzeń i emisji wymuszonej.
zwierciadło całkowicie odbijające zwierciadło wyjściowe ośrodek wzmacniajacy wneka laserowa źródło energii pompujacej LASERy* Unikalne właściwości światła laserowego: mała szerokość linii emisyjnej (duża moc w emisyjnym obszarze widma) łatwo uzyskać wiązkę: spolaryzowaną, spójną w czasie i przestrzeni o bardzo małej rozbieżności Laser He-Ne Działanie lasera bazuje na dwóch zjawiskach: inwersji obsadzeń i emisji wymuszonej.

15 Rola emisji wymuszonej we wnęce laserowej
Jeden foton emisji spontanicznej może wywołać lawinę fotonów: początek akcji laserowej. Proces ten jest podstawą działania laserów. Ośrodek o wielu atomach wzbudzonych Zjawisko emisji wymuszonej zostało przewidziane przez Alberta Einsteina, który zauważył, że bez tego zjawiska nie mogłoby dojść do równowagi między pochłanianiem i emisją ciała oświetlonego przez inne ciało.

16 Cechy światła generowanego w procesie emisji wymuszonej we wnęce laserowej
promieniowanie ma tą samą częstotliwość co promieniowanie wymuszające promieniowanie ma ten sam kierunek co promieniowanie wymuszające (fotony emisji spontanicznej emitowane są w przypadkowych kierunkach!!!) promieniowanie ma tą samą fazę co promieniowanie wymuszające Wzmacniacz kwantowy

17 Wnęka laserowa (dodatnia pętla sprzężenia zwrotnego)
- rezonator optyczny dla wybranych częstotliwości i kierunku (wielokrotne odbicie fal) zamknięta jest zwierciadłami, jedno z nich jest częściowo przepuszczalne. Wzmacniacz laserowy zamienia się w generator, gdy ośrodek wzmacniający zostanie umieszczony w rezonatorze. Wówczas promieniowanie wprowadzone wzdłuż osi rezonatora odbija się od zwierciadła umieszczonego na jednym końcu rezonatora oraz od półprzeźroczystego zwierciadła na drugim końcu. Pomiędzy zwierciadłami fale są wzmacniane wskutek emisji wymuszonej. Promieniowanie wychodzi z rezonatora przez półprzeźroczyste zwierciadło w postaci spójnej, monochromatycznej, równoległej wiązki światła o dużej mocy. Emitowana wiązka jest mało rozbieżna i równoległa do osi wnęki, bowiem fale, które nie wędrują tam i z powrotem między zwierciadłami, szybko uciekają na boki ośrodka drgającego bez wzmocnienia. Wnęka laserowa wprowadza sprzężenie zwrotnego dla wybranych częstotliwości, dzięki czemu laser generuje światło tylko o wybranym, wąskim przedziale częstotliwości. Układ optyczny składają 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. Wzmacniacz laserowy zamienia się w generator, gdy ośrodek wzmacniający zostanie umieszczony w rezonatorze.

18 Wnęka laserowa zapewnia olbrzymią gęstość mocy:
- rezonator optyczny dla wybranych częstotliwości i kierunku (wielokrotne odbicie fal) zamknięta jest zwierciadłami, jedno z nich jest częściowo przepuszczalne. Wnęka laserowa zapewnia olbrzymią gęstość mocy: (w oszacowaniach prawdopodobieństwo emisji spontanicznej można zaniedbać)! Wzmacniacz laserowy zamienia się w generator, gdy ośrodek wzmacniający zostanie umieszczony w rezonatorze. Wówczas promieniowanie wprowadzone wzdłuż osi rezonatora odbija się od zwierciadła umieszczonego na jednym końcu rezonatora oraz od półprzeźroczystego zwierciadła na drugim końcu. Pomiędzy zwierciadłami fale są wzmacniane wskutek emisji wymuszonej. Promieniowanie wychodzi z rezonatora przez półprzeźroczyste zwierciadło w postaci spójnej, monochromatycznej, równoległej wiązki światła o dużej mocy. Emitowana wiązka jest mało rozbieżna i równoległa do osi wnęki, bowiem fale, które nie wędrują tam i z powrotem między zwierciadłami, szybko uciekają na boki ośrodka drgającego bez wzmocnienia. Wnęka laserowa wprowadza sprzężenie zwrotnego dla wybranych częstotliwości, dzięki czemu laser generuje światło tylko o wybranym, wąskim przedziale częstotliwości. Układ optyczny składają 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. Emitowana wiązka jest równoległa do osi wnęki (fale, które nie wędrują tam i z powrotem między zwierciadłami, szybko uciekają na boki bez wzmocnienia). Tylko te fotony dla których układ optyczny jest rezonatorem (częstość i kierunek), mogą wielokrotnie przebiec przez ośrodek czynny wywołując emisję kolejnych fotonów spójnych z nimi; pozostałe fotony nie uczestniczą w akcji laserowej (straty).

19 Wybrane częstotliwości
Wnęka laserowa (dodatnia pętla sprzężenia zwrotnego) Wybrane częstotliwości (długości fal):

20 Wnęka laserowa Zmiana długości fali przez zmianę długości drogi optycznej we wnęce

21 Wnęka laserowa

22 Wnęka laserowa (poprzeczne)
Widok modów niepoosiowych - symetria prostokątna

23 Wnęka laserowa R = 100% R < 100% I0 I1 I2 I3 Układ laserowy o wzmocnieniu G Układ laseruje, gdy fala świetlna o danej długości fali zyskuje na natężeniu, to znaczy, gdy w obiegu: Z obiegiem światła we wnęce związane są straty w natężeniu (absorpcja, rozpraszanie, odbicia). Aby mogła zajść akcja laserowa, wzmocnienie promieniowania w obszarze czynnym musi co najmniej równoważyć straty: wzmocnienie straty Równość: wzmocnienie= straty określa próg akcji laserowej Aby mogła zajść akcja laserowa, wzmocnienie promieniowania w obszarze czynnym musi co najmniej równoważyć straty promieniowania wewnątrz rezonatora (rozpraszanie, straty dyfrakcyjne) oraz emisję części promieniowania na zewnątrz rezonatora (np. przez częściowo przepuszczalne lustro wyjściowe).

24 Wnęka laserowa R = 100% R < 100% I0 I1 I2 I3 Układ laserowy o wzmocnieniu G Układ laseruje, gdy fala świetlna o danej długości fali zyskuje na natężeniu, to znaczy, gdy w obiegu: Z obiegiem światła we wnęce związane są straty w natężeniu (absorpcja, rozpraszanie, odbicia). Aby mogła zajść akcja laserowa, wzmocnienie promieniowania w obszarze czynnym musi co najmniej równoważyć straty: wzmocnienie straty Równość: wzmocnienie= straty określa próg akcji laserowej Aby mogła zajść akcja laserowa, wzmocnienie promieniowania w obszarze czynnym musi co najmniej równoważyć straty promieniowania wewnątrz rezonatora (rozpraszanie, straty dyfrakcyjne) oraz emisję części promieniowania na zewnątrz rezonatora (np. przez częściowo przepuszczalne lustro wyjściowe).

25 Wnęka laserowa R = 100% R < 100% I0 I1 I2 I3 Układ laserowy o wzmocnieniu G Układ laseruje, gdy fala świetlna o danej długości fali zyskuje na natężeniu, to znaczy, gdy w obiegu: Z obiegiem światła we wnęce związane są straty w natężeniu (absorpcja, rozpraszanie, odbicia). Aby mogła zajść akcja laserowa, wzmocnienie promieniowania w obszarze czynnym musi co najmniej równoważyć straty: wzmocnienie straty Równość: wzmocnienie= straty określa próg akcji laserowej. Aby mogła zajść akcja laserowa, wzmocnienie promieniowania w obszarze czynnym musi co najmniej równoważyć straty promieniowania wewnątrz rezonatora (rozpraszanie, straty dyfrakcyjne) oraz emisję części promieniowania na zewnątrz rezonatora (np. przez częściowo przepuszczalne lustro wyjściowe).

26 Akcja laserowa: warunki
Ośrodek laserowy I(0) z L I(L) Zaniedbując emisję spontaniczną, zmiana gęstości fotonów : [Emisja wymuszona minus absorpcja] Stała proporcjonalności Rozwiązaniem jest: W zależności od różnicy N2 < N1 nastąpi wykładniczy wzrost lub spadek irradiancji. W równowadze termodynamicznej, zgodnie z rozkładem Boltzmana: N2 < N1. Ale jeśli N2 > N1 (inwersja obsadzeń), ma miejsce wzmocnienie. Jeśli N2 > N1: Jeśli N2 < N1 : Współczynnik wzmocnienia:

27 Akcja laserowa: warunki
Ośrodek laserowy I(0) z L I(L) Zaniedbując emisję spontaniczną, zmiana gęstości fotonów : [Emisja wymuszona minus absorpcja] Stała proporcjonalności Rozwiązaniem jest: W zależności od różnicy N2 < N1 nastąpi wykładniczy wzrost lub spadek irradiancji. W równowadze termodynamicznej, zgodnie z rozkładem Boltzmana: N2 < N1. Ale jeśli N2 > N1 (inwersja obsadzeń), ma miejsce wzmocnienie. Jeśli N2 > N1: Jeśli N2 < N1 : Współczynnik wzmocnienia:

28 Akcja laserowa: warunki
Ośrodek laserowy I(0) z L I(L) Zaniedbując emisję spontaniczną, zmiana gęstości fotonów : [Emisja wymuszona minus absorpcja] Stała proporcjonalności Rozwiązaniem jest: W zależności od różnicy N2 < N1 nastąpi wykładniczy wzrost lub spadek irradiancji. W równowadze termodynamicznej, zgodnie z rozkładem Boltzmana: N2 < N1. Ale jeśli N2 > N1 (inwersja obsadzeń), ma miejsce wzmocnienie. Współczynnik wzmocnienia:

29 Akcja laserowa: warunki
Ośrodek laserowy I(0) z L I(L) Akcję laserową można otrzymać tylko wtedy, jeżeli w ośrodku czynnym (kosztem energii wpompowanej w układ) wytworzymy stan inwersji obsadzeń, czyli jeśli N2 > N1 . Aby uzyskać inwersję, trzeba właściwie wybrać ośrodek aktywny. Współczynnik wzmocnienia:

30 Inwersja obsadzeń: N2 > N1 Inwersja
Aby osiągnąć współczynnik wzmocnienia G > 1, czyli: emisja wymuszona musi przewyższać absorpcję, Trzeba wytworzyć stan nierównowagowy. N2 > N1 W równowadze: N2 / N1 = exp(–DE/kBT ), gdzie: DE = E2 – E1. N2 < N1 Równowagowe obsadzenia stanów cząsteczkowych: niska T wysoka T Stan nierównowagowy Energia Inwersja Energia Czasteczki Energia Czasteczki Energia “ujemna temperatura” !

31 Inwersja obsadzeń; pompowanie ośrodka aktywnego
Inwersję wytworzyć można kosztem energii wpompowanej w układ w wyniku oświetlenia światłem (pompowanie optyczne): innym laserem, lampą błyskową, wyładowaniem prądu w gazach, reakcjami chemicznymi albo wykorzystując rekombinację w półprzewodnikach. I R = 100% R < 100% I0 I1 I2 I3 Laser medium I I - intensywność lampy błyskowej (użytej do wpompowania energii w ośrodek aktywny)

32 Inwersja obsadzeń; pompowanie ośrodka aktywnego
Inwersję wytworzyć można kosztem energii wpompowanej w układ w wyniku oświetlenia światłem (pompowanie optyczne): innym laserem, lampą błyskową, wyładowaniem prądu w gazach, reakcjami chemicznymi albo wykorzystując rekombinację w półprzewodnikach. I R = 100% R < 100% I0 I1 I2 I3 Laser medium I Jakie warunki muszą być spełnione, by osiągnąć inwersję obsadzeń, N2 > N1?

33 Inwersja obsadzeń: poszukiwanie ośrodka aktywnego
2 1 N2 N1 Pompowanie, I Równania bilansu obsadzeń dla układu dwupoziomowego: Emisja wymuszona Emisja spontaniczna Absorpcja N - całkowita liczba cząsteczek Natężenie pompy

34 Inwersja obsadzeń: poszukiwanie ośrodka aktywnego
2 1 N2 N1 Pompowanie, I Równania bilansu obsadzeń dla układu dwupoziomowego: Emisja wymuszona Emisja spontaniczna Absorpcja N - całkowita liczba cząsteczek Natężenie pompy

35 Inwersja obsadzeń: poszukiwanie ośrodka aktywnego
2 1 N2 N1 Pompowanie, I Równania bilansu obsadzeń dla układu dwupoziomowego: Emisja wymuszona Emisja spontaniczna Absorpcja N - całkowita liczba cząsteczek Natężenie pompy

36 Dlaczego w układzie dwupoziomowym inwersja nie jest możliwa:
2 1 N2 N1 Pompowanie, I W warunkach stacjonarnych: gdzie: Isat – natężenie nasycenia DN jest zawsze dodatnie, niezależnie od tego, jak duże jest I ! Inwersja w układzie dwupoziomowym nie jest możliwa!

37 Dlaczego w układzie dwupoziomowym inwersja nie jest możliwa:
2 1 N2 N1 Pompowanie, I W warunkach stacjonarnych: gdzie: Isat – natężenie nasycenia DN = N1-N2 jest zawsze dodatnie, niezależnie od tego, jak duże jest I ! Inwersja w układzie dwupoziomowym nie jest możliwa! Co najwyżej:

38 Inwersja obsadzeń w układzie trójpoziomowym
poziom krótkożyciowy Fast decay Laser Transition Pump Transition 1 2 3 Pompowanie I poziom długożyciowy Pompujemy poziom 3, który szybko zanika do metastabilnego (długożyciowego) poziomu 2. Równania bilansu obsadzeń: Emisja spontaniczna Absorpcja

39 Inwersja obsadzeń w układzie trójpoziomowym
Fast decay Przejście laserowe Pompowanie 1 2 3 Szybki zanik Pompujemy poziom 3, który szybko zanika do metastabilnego (długożyciowego) poziomu 2. Równania bilansu obsadzeń: Emisja spontaniczna N - całkowita liczba cząsteczek Poziom 3 jest krótkożyciowy, możemy zaniedbać jego obsadzenie. Absorpcja Filmik jest zrobiony dla przejścia bezpromienistego, a rachunek dla emisji spontanicznej

40 Dlaczego w układzie trójpoziomowym inwersja jest możliwa:
Fast decay Przejście laserowe Pompowanie 1 2 3 Szybki zanik W stanie stacjonarnym: gdzie: Isat – natężenie nasycenia. Teraz jeśli I > Isat, DN jest ujemne! Inwersja jest możliwa.

41 Dlaczego w układzie trójpoziomowym inwersja jest możliwa:
Fast decay Przejście laserowe Pompowanie 1 2 3 Szybki zanik W stanie stacjonarnym: gdzie: Isat – natężenie nasycenia. Teraz jeśli I > Isat, DN = N1-N2 jest ujemne! Inwersja jest możliwa.

42 Inwersja obsadzeń w układzie czteropoziomowym
Przejście laserowe Pompowanie Szybki zanik 1 2 3 Załóżmy teraz, że poziom1 też szybko zanika do poziomu 0. Z równania bilansu obsadzeń w stanie stacjonarnym w wyniku rozumowania analogicznego do poprzedniego: N - całkowita liczba cząsteczek gdyż: gdzie: Isat – natężenie nasycenia. Teraz DN jest ujemne - zawsze !

43 Theodore Harold Maiman
Pierwszy laser: Theodore Harold Maiman ( ) Laser rubinowy, uruchomiony w 1960r (dopiero!) w Hughes Research Laboratories, Malibu, California W laserze Maimana laser ośrodkiem czynnym był syntetyczny kryształ rubinu wyhodowany przez Ralpha L. Hutchesona. Patent został jednak przyznany Gordonowi Gouldowi. Maiman za prace nad laserem był dwukrotnie nominowany do nagrody Nobla.

44 Laser rubinowy (jony Cr+ w krysztale Al2O3)
Pierwszy laser, skonstruowany przez Theodora a Maimana z Hughes Research Labs w 1960r. Laser impulsowy pracujący w schemacie trójpoziomowym. Jest pompowany optycznie lampą ksenonową przez boczne powierzchnie walca z rubinu. 1 3 energy (eV) 2 ground state 694.3nm 692.7 nm rapid decay (~50ns) “0” “2” “1” blue green 4F1 4F2 2E Laser rubinowy - laser na ciele stałym, którego obszarem czynnym jest rubin. Emitowana długość fali jest równa 694,3 nm. Laser ten pracuje w trybie impulsowym. Laser rubinowy był pierwszym działającym typem lasera. Został skonstruowany przez Theodore'a Maimana w 1960.

45 Inwersja obsadzeń: podsumowanie
Układ dwupoziomowy Układ trójpoziomowy Układ czteropoziomowy Przejście laserowe Pompowanie Szybki zanik 1 2 3 Fast decay Trudno jest osiągnąć akcję laserową. Fast decay Przejście laserowe Pompowanie 1 2 3 Szybki zanik 2 1 N2 N1 Co najwyżej równe obsadzenia. Brak laserowania. Laserowanie łatwo osiągalne!

46 Układ czteropoziomowy
Inwersja obsadzeń Fizykom zajęło trochę czasu by zauważyć, że układ czteropoziomowy jest najkorzystniejszy. Układ dwupoziomowy Układ trójpoziomowy Układ czteropoziomowy Przejście laserowe Pompowanie Szybki zanik 1 2 3 Fast decay Fast decay Przejście laserowe Pompowanie 1 2 3 Szybki zanik 2 1 N2 N1

47 spójność, kolimacja, monochromatyczność
Podsumowanie: 2 1 Emisja wymuszona zgodność: faz kierunku częstości spójność, kolimacja, monochromatyczność Propagacja promieniowania Laserowanie:  inwersja obsadzeń  emisja wymuszona > em. spontaniczna B21  > A21 konieczne duże   rezonator

48 Podsumowanie: rozwój akcji laserowej
Sekwencja wydarzeń: Pompowanie, inwersja obsadzeń Emisja spontaniczna 4. Zwierciadło zawraca do wnęki fotony przyosiowe (kolimacja) 5. Zmiana fazy fali na zwierciadle (węzeł) 6. Narastanie lawiny fotonów emisji wymuszonej 7. Zwierciadło wyjściowe zawraca część promieniowania do wzmacniacza (dalsza kolimacja) 7. Zmiana faza fali na zwierciadle, 8. Przekroczenie progu – AKCJA LASEROWA Pompowanie energii: lamba błyskowa laser rubinowy), inny laser (w osrodkach aktywnych, którymi są barwniki), wyładowanie elektryczne (laser He-Ne), przyłożone napiecie (lasery diodowe)

49 Wielorakie konstrukcje: Różnorodne zastosowania
Lasery Wielorakie konstrukcje: Różnorodne zastosowania

50 Zastosowania laserów:
1. Spójność  holografia 2. Monochromatyczność  spektroskopia, fizyka, medycyna, fotochemia 3. Kolimacja  spektroskopia, dalmierze (np. pomiar odl. Ziemia – Księżyc),  telekomunikacja (światłowody)  płyty CD, DVD, 4. Intensywność  militarne,  przemysł  medycyna

51 Klasyfikacja laserów w zależności od ośrodka czynnego
* Lasery gazowe: helowo-neonowy (543 nm lub 633 nm) argonowy (458 nm, 488 nm lub 514,5 nm) azotowy (308 nm) kryptonowy (jonowy 647nm, 676 nm) na dwutlenku węgla (10.6 μm) na tlenku węgla * Lasery na ciele stałym rubinowy (694,3 nm) neodymowy na szkle neodymowy na YAG-u (Nd:YAG) erbowy na YAG-u (Er:YAG) (1645 nm) tulowy na YAG-u (Tm:YAG) (2015 nm) holmowy na YAG-u (Ho:YAG) (2090 nm) tytanowy na szafirze (Ti:szafir) na centrach barwnych * Lasery na cieczy (barwnikowe) * Lasery półprzewodnikowe (diody laserowe) Użytkownicy laserów muszą je bardzo starannie dobierać do swoich potrzeb, ponieważ każdy emituje światło o jednej tylko szczególnej długości fali i określonym zakresie mocy, przystosowanym do danego zadania. Chociaż istnieją setki różnych laserów, to nie ma lasera uniwersalnego.

52 Laser helowo-neonowy pierwszy działający laser gazowy (1960r., Laboratorium Bella ) Atomy He wzbudzone są przez rozpędzone elektrony (wyładowanie elektryczne). Wzbudzone atomy He w zderzeniach przekazują energię atomom Ne. λ = 632,8 nm Laser helowo-neonowy (He-Ne) - laser gazowy o działaniu ciągłym. Substancją roboczą wewnątrz rury próżniowej jest mieszanina neonu pod ciśnieniem 0,1 mm Hg i helu pod ciśnieniem 1 mm Hg (ciśnienia są identyczne, ponieważ oba gazy są wymieszane, ale ich stosunek wynosi ok. 1:10). Hel wzbudzany jest do wyższego stanu przez elektrony wytwatzane przez wyładowanie elektryczne za pomocą odpowiednich elektrod. W wyniku zderzeń z helem atomy neonu wzbudzane są na poziom typu 3, co umożliwia zainicjowanie akcji laserowej. Układ rezonujący tworzą dwa zwierciadła płaskie. Laser helowo-neonowy emituje użyteczną wiązkę światła o długości fali λ = 632,8 nm (część widma widzialnego odpowiadająca czerwieni. Laser helowo-neonowy był pierwszym działającym typem lasera gazowego. W 1960 zespół z Laboratorium Bella uzyskał falę ciągłą emitowaną przez ten laser.

53 Laser na dwutlenku węgla, CO2
Gazowy laser molekularny, w którym ośrodkiem czynnym jest mieszanina dwutlenku węgla, azotu, wodoru i helu. Emituje falę w zakresie podczerwieni, główne linie widmowe znajdują się w zakresie długości fal 9.4 µm i 10.6 µm. Emitowana moc dochodzi do 100 kW przy pracy ciągłej i 1013 W przy pracy impulsowej. Laser na CO2 pracuje analogicznie do lasera He-Ne: pompowana jest cząsteczka N2 , która przekazuje energię do CO2. Akcja laserowa zachodzi dla wielu linii rotacyjnych przejść oscylacyjnych cząsteczki CO2 Vibrational energy level diagram depicting the 10.6 micron infrared transition in the carbon dioxide molecule. (The nitrogen vibrational levels shown on the right are used to enhance lasing in laboratory lasers) Image from

54 Laser na dwutlenku węgla, CO2
Gazowy laser molekularny, w którym ośrodkiem czynnym jest mieszanina dwutlenku węgla, azotu, wodoru i helu. Emituje falę w zakresie podczerwieni, główne linie widmowe znajdują się w zakresie długości fal 9.4 µm i 10.6 µm. Emitowana moc dochodzi do 100 kW przy pracy ciągłej i 1013 W przy pracy impulsowej. Zastosowania: * obróbka materiałów (cięcie i spawanie) * LIDAR * chirurgia * kosmetyka - usuwanie brodawek, tatuaży i blizn * badania naukowe Lasery CO2 stosuje się w obróbce materiałów, medycynie, badaniach fizycznych. Vibrational energy level diagram depicting the 10.6 micron infrared transition in the carbon dioxide molecule. (The nitrogen

55 Jonowy laser argonowy, Ar+
35 eV energy (eV) fast radiative decay Ar ground state 15.75 eV 0 eV collisions 488 nm Ar+ ground state 4p 4s Pumping (electron impact) 515nm Laser o pracy ciągłej. Wyładowanie w plazmie pozwala uzyskać wzmocnienie dla ponad 15 przejść. Linie lasera argonowego: Długość fali Moc względna Moc 454.6 nm W 457.9 nm W 465.8 nm W 472.7 nm W 476.5 nm W 488.0 nm W 496.5 nm W 501.7 nm W 514.5 nm W 528.7 nm W Wyładowani w plaźmie pozwala uzyskać wzmocnienie dla ponad 15 przejść. Jest to laser o pracy ciągłej. Lasery argonowe stosuje się w medycynie i spektroskopii. Population inversion is achieved in a two step process. First of all, the electrons in the tube collide with argon atoms and ionize them according to the scheme: Ar (ground state) + lots of energetic electrons Þ Ar+ (ground state) + (lots + 1) less energetic electrons . The Ar+ ground state has a long lifetime and some of the Ar+ ions are able to collide with more electrons before recombining with slow electrons. This puts them into the excited states according to: Ar+ (ground state) + high energy electrons Þ Ar+ (excited state) + lower energy electrons . Since there are six 4p levels as compared to only two 4s levels, the statistics of the collisional process leaves three times as many electrons in the 4p level than in the 4s level. Hence we have population inversion. Moreover, cascade transitions from higher excited states also facilitates the population inversion mechanism. The lifetime of the 4p level is 10 ns, which compares to the 1 ns lifetime of the 4s level. Hence we satisfy tupper > tlower and lasing is possible. Table from Energy level diagram from

56 Lasery barwnikowe Substancją czynną jest przepływająca, laminarna struga roztworu zawierającego barwnik organiczny, np. rodaminę. Barwnik jest pompowany optycznie laserem argonowym, kryptonowym lub neodymowym. S1: 1szy wzbudzony stan elektronowy Pompowanie Przejście laserowe S0: Podstawowy stan elektronowy Lasery barwnikowe pracują w schemacie czteropoziomowym.

57 Lasery barwnikowe Substancją czynną jest przepływająca, laminarna struga roztworu zawierającego barwnik organiczny, np. rodaminę. Barwnik jest pompowany optycznie laserem argonowym, kryptonowym lub neodymowym. Laser barwnikowy na Rodaminie 6G (barwnik pomarańczowy), emisja na 580 nm (żółty). Roztwór barwnika pompowany jest światłem lasera argonowego (514 nm, niebieski). Duarte and Piper, Appl. Opt. 23,

58 Lasery barwnikowe Odpowiedni dobór barwników umożliwia strojenie długością fali od bliskiej podczerwieni, przez zakres widzialny do bliskiego ultrafioletu (spektroskopia).

59 Lasery diodowe Rezonatorem jest kryształ półprzewodnika. Najczęściej laser półprzewodnikowy ma postać złącza p-n. Obszar czynny jest pompowany przez przepływający przez złącze prąd elektryczny. Bardzo popularne lasery półprzewodnikowe mają niewielkie rozmiary. Rezonatorem jest kryształ półprzewodnika zwykle krótszy niż l mm. Pompowanie jest elektryczne, sprawność bardzo duża równa około 50%, Używane są w telekomunikacji światłowodowej, poligrafii, metrologii itp.

60 Laser półprzewodnikowy
Lasery diodowe Laser półprzewodnikowy z napędu dysków CD Rezonatorem jest kryształ półprzewodnika. Najczęściej laser półprzewodnikowy ma postać złącza p-n. Obszar czynny jest pompowany przez przepływający przez złącze prąd elektryczny. Ze względu na niewielkie rozmiary, niskie koszty produkcji, oraz wysoką wydajność, lasery półprzewodnikowe są dzisiaj najczęściej wykorzystywanym rodzajem laserów. Znajdują zastosowanie między innymi w napędach CD, DVD, wskaźnikach laserowych, łączności światłowodowej. Drukarka laserowa

61 Płyta kompaktowa Standardowa płyta CD mieści 74 minuty muzyki, co odpowiada 650 MB danych. Standardowa płyta CD często określana jako audio CD, dla odróżnienia od późniejszych wariantów, przechowuje cyfrowy zapis dźwięku w standardzie zgodnym z „czerwoną książeczką” (ang. red book). Płyty kompaktowe wykonane są z poliwęglanowej płytki o grubości 1,2 mm i średnicy 12 cm pokrytej cienką warstwą glinu (aluminium) w której zawarte są informacje (w postaci kombinacji mikrorowków i miejsc ich pozbawionych). Odczytywane są one laserem półprzewodnikowym (AlGaAs) o długości fali około 780 nm. Zapis tworzy spiralną ścieżkę biegnącą od środka do brzegu płyty. Prędkość obrotowa płyty zmienia się w taki sposób, że stała jest prędkość liniowa głowicy odczytującej względem ścieżki i zawiera się w zakresie od 1,2 do 1,4 m/s. Odczyt płyty odbywa się od środka na zewnątrz, a prędkość obrotowa maleje wraz z czasem odczytu – im ścieżka bardziej odległa od środka płyty, tym prędkość obrotowa jest mniejsza. Dane zapisane są w postaci wgłębień (ang. pit) oraz pól (ang. land), czyli przerw pomiędzy wgłębieniami. Każda zmiana stanu z wgłębienia na pole jest odczytywana przez układ optyczny jako 1, brak zmiany jako 0. Wgłębienie ma około 125 nm głębokości przy 500 nm szerokości, zaś jego długość waha się od 850 nm do 3.5 µm. Wgłębienie: ~ 125 nm głębokości przy 500 nm szerokości, zaś jego długość: od 850 nm do 3.5 µm

62 Płyta kompaktowa Ciekawostki:
Standardowa płyta CD mieści 74 minuty muzyki, co odpowiada 650 MB danych. Ciekawostki: Długość ścieżki zapisanej na płycie CD wynosi około 50 kilometrów. Średnica płyty CD (12cm), która pozwala na nagranie 74 minut dźwięku, została dobrana tak, aby zmieściła się na niej cała IX Symfonia Ludwiga van Beethovena. Od czasu wprowadzenia płyt CD, na całym świecie sprzedano ponad 200 miliardów egzemplarzy tego nośnika. Wystarczająco dużo, aby płyty ułożone jedna na drugiej opasały Ziemię sześć razy. Wgłębienie: ~ 125 nm głębokości przy 500 nm szerokości, zaś jego długość: od 850 nm do 3.5 µm

63 Drukarka laserowa Zasada druku: W większości drukarek wykorzystywana jest "klasyczna" technika druku, polegająca na polaryzowaniu za pomocą promienia laserowego odpowiedniego miejsca na powierzchni wstępnie naelektryzowanego światłoczułego bębna pokrytego warstwą OPC (organic photoconducting cartridge) lub krzemu amorficznego. Źródłem światła jest zazwyczaj dioda laserowa emitująca światło przerywane w taki sposób, aby niosło informację odpowiadającą kolejnym bitom danych do wydruku. Przez soczewkę światło kierowane jest na wielokątne obrotowe zwierciadło. Dzięki obrotom lustra poszczególne błyski odbijane są pod różnymi kątami i trafiają w kolejne punkty danej linii obrazu tworzonego na bębnie.

64 Drukarka laserowa Zasada druku:
Powierzchnia bębna musi być naładowana. Dlatego przykłada się wysokie napięcie do specjalnych szczotek. W ten sposób powstaje pole jonizujące, obejmujące jego ruchomą część. Powierzchnia bębna jest omiatana światłem lasera lub światłem pochodzącym z zestawu diod LED, modulowanym na podstawie obrazu strony przechowywanego w pamięci drukarki. W efekcie naświetlone fragmenty bębna drukującego zmieniają swoje właściwości elektryczne, otrzymując ładunek dodatni.

65 Przykłady jeszcze innych zastosowań:
Lasery gazowe wytwarzające ultrafiolet o możliwie jak najmniejszej długości fali używane do produkcji półprzewodnikowych układów scalonych: F2 (157 nm) ArF (193 nm) KrCl (222 nm) XeCl (308 nm) XeF (351 nm) Lasery używane w stomatologii i dermatologii w tym do usuwania tatuaży, znamion oraz włosów: rubinowy (694 nm) aleksandrytowy (755 nm) pulsacyjna matryca diodowa (810 nm) Nd:YAG (1064) Ho:YAG (2090 nm) Er:YAG (2940 nm) Półprzewodnikowe diody laserowe: małej mocy - używane we wskaźnikach laserowych, drukarkach laserowych, CD/DVD dużej mocy - używane w przemyśle do cięcia i spawania, występują o mocach do 10 kW

66 Przykłady jeszcze innych zastosowań:

67 Szkodliwe skutki oddziaływania promieniowania laserowego

68 zastosowań naukowych:
Przykłady rodzimych zastosowań naukowych: Różnorodne techniki spektroskopowe Badania materii przy pomocy światła rozproszonego Badania LIDARowe Chłodzenie atomów (ciśnienie światła – siły optyczne - chłodzenie i pułapkowanie) Zjawiska nieliniowe Kondensaty Bosego-Einsteina Kryptografia kwantowa

69 zastosowań naukowych:
Przykłady rodzimych zastosowań naukowych: Spułapkowana kropla ze sferycznymi inkluzjami Zmiana promienia kropli w wyniku parowania (teoria rozpraszania Mie)

70 zastosowań naukowych:
Przykłady rodzimych zastosowań naukowych: Różnorodne techniki spektroskopowe Badania materii przy pomocy światła rozproszonego Badania LIDARowe (Light Detection And Ranging) Chłodzenie atomów (ciśnienie światła – siły optyczne - chłodzenie i pułapkowanie) Zjawiska nieliniowe Kondensaty Bosego-Einsteina Kryptografia kwantowa Lidar jest połączeniem lasera z teleskopem. Laser wysyła poprzez specjalny układ optyczny bardzo krótkie i dokładnie odmierzone, ale silne impulsy światła o konkretnej długości fali i w określonym kierunku. Światło to ulega po drodze rozproszeniu, które jest obserwowane za pomocą teleskopu, znajdującego się w tym samym urządzeniu, a następnie rejestrowane za pomocą czułego detektora – fotodiody lub fotopowielacza, który bada natężenie zaobserwowanego rozproszonego światła. Otrzymane dane są następnie analizowane komputerowo. Lidar służy do wyznaczania przejrzystości powietrza, badania koncentracji zanieczyszczeń w atmosferze i detekcji ich składu, wykrywania obszarów o odmiennej temperaturze, pomiaru ruchów powietrza na dużych odległościach itp. Schemat blokowy lidaru zbudowanego w IF UW

71 zastosowań naukowych:
Przykłady rodzimych zastosowań naukowych: I Różnorodne techniki spektroskopowe Badania materii przy pomocy światła rozproszonego Badania LIDARowe Chłodzenie atomów (ciśnienie światła – siły optyczne - chłodzenie i pułapkowanie) Zjawiska nieliniowe Kondensaty Bosego-Einsteina Kryptografia kwantowa Polski biegun zimna (40 mikrokelwinów= 0,00004 kelwina = -273,1599 0C) IFUJ, Kraków, & IF UMK, Toruń

72 Bal Fizyków, Politechnika Warszawska, 2005

73 Bal Fizyków, Politechnika Warszawska, 2005

74 Bal Fizyków, Politechnika Warszawska, 2005

75 Bal Fizyków, Politechnika Warszawska, 2005

76 Bal Fizyków, Politechnika Warszawska, 2005

77 Dziękuję za uwagę