Spis treści. Lasery Inne oblicze optyki. Kryteria podziału laserów. Kryteria podziału laserów... dr inż. Ireneusz Owczarek

Transkrypt

1 Spis treści Lasery Inne oblicze optyki dr inż. Ireneusz Owczarek CMF PŁ /14 1 Wzmacniacze kwantowe O akcji laserowej 2 Wzmocnienie światła poprzez wymuszona emisję promieniowania 1 dr inż. Ireneusz Owczarek Lasery Inne oblicze optyki 2 dr inż. Ireneusz Owczarek Lasery Inne oblicze optyki Kryteria podziału laserów Kryteria podziału laserów... Lasery można podzielić stosujac różne kryteria. I tak, ze względu na: 1 długość fali emitowanej przez laser wyróżnia się lasery emitujace promieniowanie: ultrafioletowe, widzialne, podczerwone; 2 rodzaj ośrodka, w którym nastapiło wzbudzenie promieniowania laserowego: lasery na ciele stałym, lasery cieczowe, gazowe, półprzewodnikowe; 3 charakter pracy lasera, wyróżnia się lasery pracujace w sposób: ciagły, impulsowy; 4 moc uzyskanej wiazki laserowej wyróżnia się lasery: nisko-energetyczne, średnio-energetyczne, wysokoenergetyczne. Podział laserów ze względu na rodzaj ośrodka czynnego: 1 Gazowe laser helowo-neonowy He-Ne(543nm lub633nm), laser argonowy (458nm,488nm lub514,5nm), laser azotowy (337,1nm). 2 Na ciele stałym laser rubinowy (694,3nm), laser neodymowy Nd:YAG (Y 3 Al 5 O 12 syntetyczny granat itrowo-glinowy), laser na centrach barwnych. 3 Na cieczy (cieczowe) lasery barwnikowe ośrodkiem czynnym sa barwniki rozpuszczone w nieaktywnym ośrodku przezroczystym, np. rodamina. 4 Półprzewodnikowe złaczowe (diody laserowe), laser na materiale objętościowym, laser na studniach kwantowych, laser na kropkach kwantowych, kwantowy laser kaskadowy. 3 dr inż. Ireneusz Owczarek Lasery Inne oblicze optyki 4 dr inż. Ireneusz Owczarek Lasery Inne oblicze optyki

2 Parametry laserów Lasery Najmniejsze maja rozmiar części milimetra i daja światło o mocy ok. 200mW. Największe, używane do wywołania reakcji jadrowych, moga mieć moc impulsu świetlnego do ok.1014w. Zasadniczymi częściami lasera sa: ośrodek czynny, rezonator optyczny, układ pompujacy. Ośrodek czynny decyduje o najważniejszych parametrach lasera, określa długość emitowanej fali, jej moc, sposób pompowania, możliwe zastosowania lasera. 5 dr inż. Ireneusz Owczarek Lasery Inne oblicze optyki 6 dr inż. Ireneusz Owczarek Lasery Inne oblicze optyki Własności światła laserowego Wzmacniacze kwantowe Rozkładem Boltzmanna porzadek w chaosie Światło laserowe jest koherentne (spójne) w czasie i przestrzeni, tzn. wszystkie kwanty sa przestrzennie uporzadkowane, czyli występuje stały zwiazek fazowy w czasie (spójność czasowa) i między dowolnymi punktami przekroju poprzecznego wiazki (spójność przestrzenna), monochromatyczne szerokość linii widmowej nie przekracza na ogół 0, 002nm, skolimowane (bardzo mała rozbieżnościa wiazki<500µrad), tzn. że wszystkie promienie tworzace wiazkę laserowa biegna równolegle do siebie. moc dla impulsowego lasera skupienie w małym punkcie olbrzymiej gęstości energii nawet do10 17 W/cm 2, spolaryzowane i ukierunkowane. Obserwuje się zjawiska nieliniowe, w których optyczne własności ośrodka zależa od natężenia padajacego światła, np. generacja drugiej harmonicznej, samoogniskowanie się światła. 7 dr inż. Ireneusz Owczarek Lasery Inne oblicze optyki W stałej temperaturze ustala się równowaga dynamiczna procesów: liczba absorbowanych przez atomy fotonów w jednostce czasu równa jest liczbie emitowanych fotonów; średnia liczba wzbudzonych atomów jest stała. JeżeliN określa liczbę atomów w stanie podstawowym o energiie, an 1 liczbę atomów wzbudzonych o energiie 1, to zgodnie z rozkładem Boltzmanna ( N=N 1exp E E1 kt Prawdopodobieństwo pojawienia się stanów o niskich energiach jest większe, niż prawdopodobieństwo o wysokich energiach. 8 dr inż. Ireneusz Owczarek Lasery Inne oblicze optyki ).

3 Rozkładem Boltzmanna... Inwersja obsadzeń JeżeliN<<N 1, to liczba emisji jest proporcjonalna do liczby atomów wzbudzonych. JeżeliN>N 1, to stan taki nazywa się inwersja obsadzeń (rozkład antyboltzmannowski). Wtedy emisja wymuszona odgrywać będzie główna rolę w oddziaływaniu promieniowania z atomami. Wystapienie akcji laserowej wymaga, aby w układzie zaistniała inwersja obsadzeń, tj. stan, w którym w stanie o energii większej (wzbudzonym) jest większa liczba czastek niż w stanie o energii niższej (podstawowym). Liczba obsadzeń poziomu o energii wyższej jest większa niż liczba obsadzeń poziomu o energii niższej. W celu uzyskania inwersji obsadzeń układ musi być pompowany. Pompowanie lasera odbywa się poprzez: błysk lampy błyskowej (flesza), przepływ pradu (wyładowanie) w gazie, reakcję chemiczna, zderzenia atomów, 9 dr inż. Ireneusz Owczarek Lasery Inne oblicze optyki 10 dr inż. Ireneusz Owczarek Lasery Inne oblicze optyki Emisja wymuszona Lasery Procesy które moga zmieniać stan atomu 1 Absorpcja pochłonięcie fotonu o odpowiedniej energii (silne pole większe prawdopodobieństwo), 2 Emisja spontaniczna przypadkowy moment, przypadkowy kierunek, 3 Emisja wymuszona wyzwalana przez przejście fotonu o odpowiedniej energii. Foton wymuszony jest identyczny jak wymuszajacy (silne pole większe prawdopodobieństwo). 11 dr inż. Ireneusz Owczarek Lasery Inne oblicze optyki 12 dr inż. Ireneusz Owczarek Lasery Inne oblicze optyki

4 Rezonator i akcja laserowa O akcji laserowej Rezonator... O akcji laserowej 13 dr inż. Ireneusz Owczarek Lasery Inne oblicze optyki 14 dr inż. Ireneusz Owczarek Lasery Inne oblicze optyki Laser półprzewodnikowy Lasery półprzewodnikowy... Nazywany również laserem diodowym lub dioda laserowa to laser, którego obszarem czynnym jest półprzewodnik. Najbardziej perspektywiczne lasery z punktu widzenia ich zastosowań ze względu na: małe wymiary, dość wysokie moce, łatwość modulacji pradem sterujacym o wysokiej częstotliwości (GHz), niezawodność pracy, proste zasilanie, możliwość uzyskania promieniowania od pasma bliskiej podczerwieni (diody laserowe dla telekomunikacji światłowodowej) do skraju fioletowego pasma widzialnego. 15 dr inż. Ireneusz Owczarek Lasery Inne oblicze optyki 1 Ciagle sa udoskonalane, obejmujace coraz szerszy zakres widma częstości i generujace promieniowanie nawet o znacznych mocach stanowia prawdziwy przełom w technice laserowej, 2 Produkowane sa masowo i stosowane w wielu powszechnie używanych urzadzeniach, 3 Znalazły szerokie zastosowanie jako źródło modulowanego promieniowania w telekomunikacji światłowodowej. w odtwarzaczach i napędach optycznych do odczytu informacji optycznej zapisanej na płytach CD, DVD, Blu-ray. 16 dr inż. Ireneusz Owczarek Lasery Inne oblicze optyki

5 Kropki kwantowe w medycynie Kropka kwantowa to niewielki obszar przestrzeni ograniczony w trzech wymiarach barierami potencjału. Wewnatrz uwięziona jest czastka o długości fali porównywalnej z rozmiarami kropki. Oznacza to, że opis zachowania czastki musi być przeprowadzony z użyciem mechaniki kwantowej. 1 Korekcja wad wzroku (astygmatyzm, krótkowzroczność i dalekowzroczność wady refrakcji), LASIK (Laser Assised In Situ Keratomileusis) Metoda mechaniczno laserowa, inwazyjna, polegajaca na użyciu ultrafioletowego lasera ekscimerowegoxecl (308nm), który działajac z dokładnościa do 0,25µm odparowuje nierówności w głębszych warstwach rogówki. PRK (Photorefractive keratectomy) Metoda czysto laserowa, wykorzystywany jest laser ekscimerowy, który modeluje rogówkę oka poprzez usuwanie jej tkanek. Prowadzi to do zmiany krzywizny rogówki, a tym samym mocy optycznej oka. Rysunek: Kropki kwantowe w bateriach solarnych. Rysunek: Schemat urzadzenia składajacego się z dwuwarstwowych kropek kwantowych (rysunek a) oraz z mieszaniny kropek (rysunek b). Czerwone kule reprezentuja kropki kwantowe zpbs, niebieskie kropki kwantowe zbi 2 Si dr inż. Ireneusz Owczarek Lasery Inne oblicze optyki 18 dr inż. Ireneusz Owczarek Lasery Inne oblicze optyki w medycynie... w przemyśle 2 Chirurgia mało-inwazyjna. Np. skalpel laserowy (stosowany laserco 2, laser YAG). Skupiona wiazka laserowa tnie precyzyjnie tkankę. Stosowanie skalpela laserowego ogranicza krwawienia pooperacyjne, ponieważ ciepło, jakie wydzielaja, zgrzewa przecinane naczynia krwionośne. Laserowe cięcie (laserco 2). Wykorzystywana jest metoda termicznego oddzielania materiału poprzez: sublimację, topienie, wypalanie. Cecha ciecia laserowego jest punktowe wprowadzenie energii i wysokoenergetyczny strumień tnacy. Znakowanie laserowe (grawerowanie). 3 Laseroterapia, biostymulacja. Wykorzystuje się lasery niskoenergetyczne nie przekraczajace kilkudziesięciu miliwatów. Promienie wytwarzane przez lasery tego typu wykazuja właściwości lecznicze, wśród których można wymienić likwidowanie stanów zapalnych, działanie przeciwbólowe, regenerujace komórki i tkanki, usprawniajace przemianę materii. 4 Stomatologia. Utwardzanie polimerowych wypełnień, ozonoterapia, wybielanie zębów. 5 Chirurgia kosmetyczna. Usuwanie tatuaży, blizn, włosów. Spawanie laserowe. Polega na stapianiu obszaru styku łaczonych przedmiotów ciepłem otrzymanym w wyniku doprowadzenia do tego obszaru skoncentrowanej wiazki światła koherentnego, o bardzo dużej gęstości mocy, od102 do1011w/mm dr inż. Ireneusz Owczarek Lasery Inne oblicze optyki 20 dr inż. Ireneusz Owczarek Lasery Inne oblicze optyki

6 Zastosowania militarne Inne zastosowania Wskaźniki celu. Oświetlacze. Urzadzenia lokacji to laserowe odpowiedniki stacji radiolokacyjnych, służace do ustalenia odległości, położenia katowego celu i szybkości przemieszczania się celu. Dalmierze, celowniki laserowe, broń laserowa. Zastosowania użytkowe: Drukarka laserowa. Gromadzenie informacji, danych płyty CD, DVD, Blu-ray. Czytniki kodów paskowych. Urzadzenia geodezyjne (poziomice laserowe). Poligrafia. Sprzęt komputerowy (mysz optyczna o dużej rozdzielczości, nagrywarki CD/DVD, Blu-ray). Zastosowania naukowe: Osadzanie materiałów w postaci struktur wielowarstwowych. Precyzyjna mikro-obróbka np: drażarki laserowe. Wytwarzanie układów elektronicznych (np: technika grubowarstwowa laserowe kalibrowanie parametrów podzespołów). Mikroskopia, nanotechnologia. 21 dr inż. Ireneusz Owczarek Lasery Inne oblicze optyki 22 dr inż. Ireneusz Owczarek Lasery Inne oblicze optyki Literatura podstawowa Kania S. Wykłady z fizyki cz. 1 i 2. Wydawnictwo PŁ, Łódź Halliday D., Resnick R, Walker J. Podstawy Fizyki t PWN, Warszawa Orear J. Fizyka t. I i II. WNT, Warszawa Sawieliew I. W. Wykłady z fizyki t. I-III. PWN, Warszawa Strona internetowa prowadzona przez CMF PŁ e-fizyka. Podstawy fizyki. Kakol Z. Żukrowski J. kakol/wyklady_pl.htm Wykłady z fizyki. 23 dr inż. Ireneusz Owczarek Lasery Inne oblicze optyki