Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Wielkość: px
Rozpocząć pokaz od strony:

Download "Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej"

Transkrypt

1 Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej Część I: Optyka, wykład 7 wykład: Piotr Fita pokazy: Andrzej Wysmołek ćwiczenia: Anna Grochola, Barbara Piętka Wydział Fizyki Uniwersytet Warszawski 2014/15

2 Plan 1 Lidar 2 Wzmacniacze optyczne 3 Rezonatory optyczne 4 Laser

3 Lidar Light Detection And Ranging

4 Lidar L(z) = A z ) ( 2 z 2 β(z) exp α(x)dx 0 β - współczynnik rozpraszania do tyłu α - współczynnik absorpcji

5 Lidar [

6 Wzmocnienie światła Szybkość absorpcji: dn 12 dt = B 12 ρ(ν)n 1 Szybkość emisji wymuszonej: dn 21 dt = B 21 ρ(ν)n 2 (B 12 = B 21 ) Jeśli N 2 > N 1 to emisja wymuszona przeważa nad absorpcja obserwujemy wzmocnienie światła W wyprowadzeniu prawa Lamberta-Beera N 2 = 0; dla N 2 > 0: di ν dz = B hν 12 c (N 2 N 1 ) = σ(ν) N = γ(ν) N = N 2 N 1 inwersja obsadzeń γ(ν) = σ(ν) N współczynnik wzmocnienia

7 Wzmocnienie światła I ν (z) = I 0 e γ(ν)z

8 Inwersja obsadzeń pompowanie Inwersji obsadzeń nie można uzyskać w ośrodku dwupoziomowym (ćwiczenia) Wymagany ośrodek o większej liczbie poziomów, np. 3-poziomowy, 4-poziomowy τ 4 ~ 0 τ ν 23 2 τ 2 Jeśli τ 3 > τ 2, to poziom 2 jest szybciej opróżniany od poziomu 3 i N 3 > N 2 Na przejściu 3 2 można uzyskać wzmocnienie 1

9 Ośrodki wzmacniajace i pompowanie Pompowanie wyładowaniem elektrycznym Gazy atomowe lub molekularne: He-Ne, Ar +, laser N 2, CO 2, ekscymery (Xe-Cl itp.) Pompowanie optyczne (lampa lub innym laserem) Ciecze (roztwory barwników) Kryształy (szafir Ti:Al 2 O 3, rubin Cr 3+ :Al 2 O 3, granat ytrowo-glinowy Nd 3+ :YAG) Szkła, ceramiki włókna optyczne domieszkowane jonami Pompowanie przepływem pradu elektrycznego Struktury półprzewodnikowe

10 Ośrodki wzmacniajace Kryształy YAG domieszkowane różnymi pierwiastkami [i01.i.aliimg.com]

11 Ośrodki wzmacniajace Kryształy szafiru [cn.lambdaoptics.com/]

12 Rezonatory optyczne Rezonator optyczny - układ zwierciadeł umożliwiajacy powstanie fali stojacej Warunek powstania fali stojacej w rezonatorze płaskim: L = m λ m 2 m liczba naturalna określajaca mod podłużny

13 Mody podłużne rezonatora płaskiego Tylko fale o długości λ m = 2L m sa podtrzymywane w rezonatorze Częstości modów: ν m = c λ m = m c 2L Odległość modów: ν = ν m+1 ν m = c 2L [wikipedia.org]

14 Rezonatory z lustrami sferycznymi Ze względu na trudności w wyjustowaniu rezonatora płaskiego o większych wymiarach, częściej używa się konstrukcji z lustrami sferycznymi [wikipedia.org]

15 Mody poprzeczne rezonatora Różne poprzeczne rozkłady pola spełniaja warunek powstawania fali stojacej. Odległość ( ν) modów poprzecznych jest dużo mniejsza niż podłużnych ( c 2L ) Zazwyczaj chcemy, żeby laser pracował w modzie podstawowym TEM 00 [photonicswiki.org]

16 Warunek akcji laserowej Laser = ośrodek wzmacniajacy w rezonatorze optycznym Zmiana natężenia światła po jednym obiegu rezonatora: I 1 = I 0 Re 2γL e 2αL Akcja laserowa zachodzi, jeśli I 1 I 0 Warunek progowy: R e 2(γ α)l Współczynnik odbicia lustra wyjściowego R musi być dostatecznie duży

17 Widmo emisji laserowej Przy ustalonym R wzmocnienie γ(ν) α + ln R 2L = γ prog Wzbudzaja się te mody, dla których γ(ν) γ prog

18 Widmo lasera wielomodowego Widmo wielomodowej diody laserowej [cdn.intechopen.com]

19 Lasery jedno- i wielomodowe Lasery wielomodowe: źle określona długość fali dudnienia między modami - fluktuacje mocy wyjściowej ograniczona spójność światła Lasery jednomodowe: widmo może być bardzo waskie (< 1 khz) stabilne natężenie wiazki wyjściowej wysoka spójność Pracę jednomodowa trzeba wymusić konstrukcja lasera (np. waskie filtry spektralne wewnatrz rezonatora, odpowiednia długość rezonatora)

20 Nasycenie wzmocnienia Obecność światła w ośrodku wzmacniajacym prowadzi do zmniejszenia inwersji obsadzeń w wyniku przejść wymuszonych Wzmocnienie ośrodka maleje w miarę wzrostu natężenia światła w rezonatorze γ(i) = γ I I s W laserze ustala się takie natężenie światła, przy którym wzmocnienie dokładnie równoważy straty

21 Przełaczanie dobroci rezonatora (q-switching) W zablokowanym rezonatorze wzmocnienie narasta powyżej progu akcji laserowej (nie ma efektu nasycenia) Po odblokowaniu rezonatora powstaje silny impuls laserowy ( ns) Przełaczanie strat w rezonatorze szybka migawka akustooptyczna lub elektrooptyczna