Wzbudzony stan energetyczny atomu

Transkrypt

1 LASERY

2 Wzbudzony stan energetyczny atomu Z III postulatu Bohra kj E k E h j Emisja spontaniczna Atom absorbuje tylko określone kwanty energii przechodząc ze stanu podstawowego do wzbudzonego. Zaabsorbowana energia kwantów jest dokładnie równa różnicy pomiędzy energiami stanów wzbudzonych. 2 m Ue 2 Doświadczenie Francka-Hertza Nagroda Nobla 1925 k S E e Hg i V A 4.9 ev 9.8 ev U[V]

3 1.Elektrony zderzają z atomami Hg 2. Zderzenia są sprężyste (zach. pędu i zach. energii kinetycznej) przed osiągnięciem napięcia równego U=4.9 V 3. Elektron nie traci energii kinetycznej bo mhg me 4. Gdy energia kinetyczna elektronu przekroczy 4.9 ev prąd spada, gdyż część elektronów straciła energie kinetyczną na zderzenia niesprężyste E 1 =4,9eV E 1 =4,9eV E 0 =0 E 0 =0 nm atom przed zderzeniem z elektronem atom po zderzeniu z elektronem atom przed emisją fotonu atom po emisji fotonu ultrafiolet Dyskretne widmo atomu jeśli wzbudzony atom powraca do stanu podstawowego na różne sposoby: bez emisji fotonu (elektron przy zderzeniu z atomem odbiera wzbudzenia zderzenia niesprężyste II rodzaju), promieniowanie rezonansowe gdy wzbudzony atom ze stanu n-tego przechodzi z emisją fotonu do stanu podstawowego, cz. emitowane jest promieniowanie o długości fali promieniowania padającego.

4 Wzbudzanie za pomocą fotonów E 2 E 2 h przed absorpcją E 1 po absorpcji fotonu E 1 Rozkład Boltzmana-Maxwella Zbiór atomów wysyła fotony w przypadkowych kierunkach i w przypadkowych chwilach, więc akty emisji są od siebie niezależne i podlegają prawom statycznym. W chwili t na wzbudzonym poziomie energetycznym znajduje się N atomów. Prawdopodobieństwo przejścia (-dn) atomów ze stanu wzbudzonego do stanu podstawowego w czasie dt. dn N dn N Adt t t 0 Adt

5 Wykładnicze prawo zaniku atomów wstanie wzbudzenia N 0 N e At Różne czasy życia dla różnych stanów wzbudzonych ( [ s] ) N 0 N(t) N0 ti i 1 N 0 Średni czas życia poziomu energetycznego Dla Hg 4.9 ev = [s] N(t)= N 0 exp(-t/ ) t

6 Wzbudzenie termiczne Liczba atomów w n-tym stanie wzbudzonym w danej temperaturze N N 0 T=const N(E)=N 0 exp[-(e n -E 0 )/kt] N 1 N 2 E 0 E 1 E 2 E

7 Emisja wymuszona Foton wyemitowany spontanicznie przez jeden z atomów wzbudzonych spotykając drugi atom wzbudzony powoduje przejście tego atomu do stanu podstawowego z emisją drugiego identycznego fotonu. Emisja wymuszona jest przejściem rezonansowym. Wiązka promieniowania powstała w wyniku kolejnych aktów emisji wymuszonej będzie monochromatyczna, zbieżna i spójna.

8 Laser Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Aby w układzie przeważała emisja wymuszona to w wyższym stanie energetycznym powinno znajdować się więcej atomów niż w stanie niższym, otrzymujemy wtedy rozkład antyboltzmanowski. N Rozkład antyboltzmannowski E 0 E 1 E 2 E

9 Taki rozkład można otrzymać za pomocą zderzeń z innymi atomami lub za pomocą pompowania optycznego cz. Wzbudzania atomów na wyższe poziomy przez ich oświetlenie. E 2 2 poziom krótkozyjący > E 1 pompowanie 1 poziom metatrwały > Promieniowanie laserowe E 0 0 poziom podstawowy E2 E0 Bombardując elektronami lub oświetlając fotonami 2 wzbudzamy h atomy do poziomu. Wzbudzone atomy przechodzą do stanu podstawowego lub na długożyjący (metatrwały) poziom. Poziom zapełnia się (prowadząc do inwersji obsadzeń N ), że jest w nim więcej atomów niż w. Jeżeli do układu wpadnie foton E2 0 E1 E1 1 N 0 E 0 1 E1 E0 h o częstości rezonansowej to spowoduje on emisję wymuszoną ze względu na wyższe prawdopodobieństwo emisji niż absorpcji. Lawinowy rozwój emisji wymuszonej zachodzi jeśli foton pozostanie w układzie pomiędzy zwierciadłami lasera w odległości 2. E

10 Laser He Ne ev E s He Ne 3s s > 2s 19 =633nm 2p spójne laserowe promieniowanie pompow. =600nm 1s niespójne promieniowanie 16 poziom podst. Atomy He wzbudzane są energią kinetyczną elektronów (wyładowanie w gazie) do poziomów 2 1 s i 2 3 s metatrwałych. W wyniku zderzeń atomów He z atomami Ne atomy Ne są wzbudzone do stanu 3s i 2s, atomy He powracają do stanu podstawowego. Stany 3s i 2s Ne są metatrwałe (N 1 >N 0 ), występuje inwersja tych stanów względem stanu p.

11 Laser rubinowy pręt z kryształu Al 2 O 3 z czynnymi jonami w postaci domieszki Cr. E 2 poziom krótkożyjący ^ ^ emisja spontaniczna h E 1 poziom metatrwały > 550nm > h =E 1 -E 0 ^ > promieniowanie laserowe E 0 w wyniku absorpcji fotonów 550 nm przez atomy Cr wzrasta obsadzenie poziomu E 2 emisja spontaniczna zwiększa obsadzenie stanu E 1 N1 N 0 zachodzi inwersja obsadzeń w wyniku pochłonięcia energii rezonansowej fotonu h E 1 E 0 dochodzi do wymuszonej emisji lawinowej.

12 Pręt Al 2 O 3 Zwierciadło półprzepuszczalne zwierciadło Fotony uciekające z boku + - Lampa błyskowa generująca pompowanie optyczne

13 Statystyki fotonów Porównując rozkład B-E z rozkładem Poissona widać, że światło termiczne ma znacznie szerszy rozkład niż światło spójne Przypadkowe (niespójne) źródła, gwiazdy, żarówki, emitują fotony o przypadkowych czasach rejestracji i rozkładzie Bosego-Einsteina. Lasery (spójne) źródła, posiadają bardziej jednorodny rozkład statystyczny: Poissona.

14

15

16

17

18

19

20