Budowa i zasada działania lasera

Transkrypt

1 Budowa i zasada działaia lasera

2 Budowa atomu Demokryt ( p..e.) materia składa się z iepodzielych elemetów; (atom, gr. atomos - iepodziely). Sta wiedzy o atomie w drugiej połowie XIX stulecia: Atom ma budowę złożoą, a w skład jego wchodzą cząstki obdarzoe dodatimi i ujemymi ładukami elektryczymi; Po wyrwaiu ujemie aładowaego elektrou, atom staje się dodatio aładowaym joem; Ładuki elektroów oderwaych od atomów dowolego pierwiastka są jedakowe, zaś dodatie ładuki atomów są ściśle związae z ich masą, czyli z rodzajem pierwiastka; Masa elektrou jest ok. 000 razy miejsza od ajlżejszego jou, czyli jou wodoru.

3 Model Thomsoa (1904) Atom ma postać rówomierie, dodatio aładowaej kuli o promieiu rzędu 10-9 m, wewątrz której swobodie poruszają się elektroy Elektroy Ciągły ośrodek aładoway dodatio

4 Model Rutherforda Źródło cząstek Ekra ZS Mikroskop Rozproszoe cząstki Kolimator Folia Au (410-7 m.)

5 Zdecydowaa większość cząstek przechodzi przez folię (tzw. rozproszeie do przodu). Zdarzyły się jedak rozproszeia do tyłu (a do przodu było jedo! do tyłu). Rozproszeie do tyłu ie może być spowodowae przez elektroy atomu

6 Jądrowy model atomu (Rutherford 1911): Atom składa się z dodatio aładowaego jądra o promieiu ok m., w którym skupioa jest praktyczie cała masa atomu. Elektroy krążą wokół jądra po orbitach o promieiu ok m. Wszystkie orbity są rówoprawe, a elektroy mogą mieć dowoly okres obiegu. Podstawowe wady modelu: Atomy są stabile, a widmo eergetycze wysyłaego promieiowaia jest dyskrete. Cząstki aładowae poruszające się ruchem przyspieszoym, promieiują eergię w postaci fali elektromagetyczej. Wiosek: Elektro w modelu Rutherforda krążący wokół jądra powiie tracić eergię w sposób ciągły, a tym samym atomy powiy być iestabile.

7 Model atomu Bohra Aby usuąć sprzeczości pomiędzy modelem Rutherforda a teorią Maxwella Niels Bohr zapropoował w roku 1913 kwatowy model budowy atomu. Istotę tego modelu staowią astępujące postulaty: I. Elektro w atomie może krążyć tylko po pewych dozwoloych orbitach zwaych orbitami stacjoarymi. II. Dla orbity kołowej momet pędu elektrou musi spełiać waruek m v r h m masa elektrou, v jego prędkość, r promień orbity, = 1,, 3...(główa liczba kwatowa) h stała Placka.

8 III. Elektro krążący po orbicie stacjoarej ie emituje eergii. IV. Atom może absorbować eergię o wartości rówej eergii kwatu E=h (wzór Eisteia) przechodząc z orbity iższej (miejsze ) a orbitę wyższą. V. Atom wypromieiowuje eergię gdy elektro przechodzi z orbity wyższej a orbitę iższą. Ilość wypromieiowaej eergii daa jest wzorem h E E k E i E k eergie elektrou a tych orbitach (>k).

9 0 r e 4 1 r v m h r v m,, 0 0 h e v me h r k p h 8 me mv 1 r 4 e E E E k 1 k 1 C 1 k 1 h 8 me E E 1 k 1 Z C

10 Wybrae serie widmowe atomu wodoru

11 Elemety optyki kwatowej Eergia elektrou związaego w atomie lub cząsteczce jest skwatowaa. Najiższy poziom eergii azywa się podstawowym, wszystkie poziomy wyższe azywamy poziomami wzbudzoymi. Przekazaie atomowi odpowiediej porcji eergii powoduje wzbudzeie atomu, tz. przejście elektrou a wyższy poziom. Atom w staie wzbudzoym przebywa przez krótki czas (10-8 s), po czym elektro przechodzi z powrotem a poziom podstawowy - bezpośredio, albo poprzez poziomy pośredie. Nadmiar eergii zostaje wypromieioway w postaci jedego lub więcej fotoów.

12 Zjawisko fluorescecji polega a pobudzeiu ciała do świeceia pod wpływem padającego a ie promieiowaia Światło przechodzące ma zabarwieie purpurowe; Patrząc z boku widzimy atomiast wyraźie barwę zielokawą. Iterpretacja obserwowaego efektu: Światło przechodzące ma zabarwieie purpurowe, co świadczy o pochłoięciu przez jod zieloej części widma. Część atomów jodu zajdująca się w staie podstawowym zostaje wzbudzoa światłem zieloym. Pochłoięte światło zieloe jest wypromieiowae powtórie we wszystkich kierukach. Atomy wzbudzoe przechodzą z powrotem do stau podstawowego.

13 Schemat trzech rodzajów fluorescecji w dwupoziomowym układzie eergii. a. o ie zmieioej długości fali, b. o zwiększoej długości fali,, c. o zmiejszoej długości fali. ' ' '

14 Sta metastabily (metatrwały) - sta wzbudzoy, którego czas życia jest rzędu kilku sekud. Fosforescecja - świeceie ciał po przerwaiu aświetleia staowi bezpośredi dowód istieia staów metastabilych.

15 Oddziaływaie atomu z promieiowaiem Gdy a zbiór jedakowych atomów pada promieiowaie, mogą zachodzić jedocześie trzy procesy: absorpcja promieiowaia, emisja spotaicza, emisja wymuszoa. E 1 E

16 Przez emisję spotaiczą rozumiemy emisję fotoów przez wzbudzoe atomy zachodzącą samorzutie (bez wpływu czyików zewętrzych). Emisja wymuszoa (stymulowaa) zachodzi wówczas, gdy atom wzbudzoy zderza się z fotoem rezoasowym. W wyiku tego zderzeia foto ie ulega absorpcji, ale przyspiesza przejście atomu do stau podstawowego i w efekcie wylatują w tym samym kieruku dwa spóje, tj. zgode w fazie, fotoy o tej samej częstotliwości (Eistei 1917). Proces wzbudzaia atomów a wyższe poziomy eergetycze przez ich oświetlaie osi azwę pompowaia optyczego.

17 Jeżeli zbiór atomów ma stałą temperaturę, to ustala się rówowaga dyamicza opisaych trzech procesów. Polega oa a tym, że liczba fotoów absorbowaych w jedostce czasu jest rówa liczbie fotoów emitowaych. Liczba atomów w staie wzbudzoym rówież pozostaje stała w czasie. Jeżeli przez N 1 ozaczymy liczbę atomów w staie podstawowym o eergii E 1, a przez N liczbę atomów w staie wzbudzoym o eergii E, to liczba atomów w staie wzbudzoym podlega rozkładowi Boltzmaa N E E 1 kt N1e T temperatura układu, k stała Boltzmaa.

18 Laser Laser jest uikalym geeratorem światła Nazwa pochodzi od pierwszych liter słów Light Amplificatio by Stimulated Emissio of Radiatio (wzmocieie światła przez wymuszoą emisję promieiowaia). Uikale cechy światła laserowego to: kierukowość i atężeie, jedobarwość (moochromatyczość), spójość.

19 Przypuśćmy, że mamy zbiór atomów (lub cząsteczek), w którym większość atomów zajduje się wstaie wzbudzoym E. Taki układ moża przygotować a wiele sposobów, między iymi tak: za pomocą pompowaia optyczego, wskutek zderzeń ze strumieiem elektroów lub iych wzbudzoych atomów, w wyiku emisji spotaiczej z jeszcze wyżej położoych staów wzbudzoych, itp. Zasada działaia lasera oparta jest a procesie emisji wymuszoej

20 Pierwszy foto ma zamiar zderzyć się ze wzbudzoym elektroem. Wzbudzoy atom wyemitował swój foto, który ma zamiar zderzyć się z drugim wzbudzoym atomem. Te trzy fotoy odbiły się od ściay i mają zamiar zebrać czwarty foto.

21 Wszystkie wyemitowae fotoy będą miały taką samą fazę. Jeżeli a obu końcach zbiorika z atomami zajdują się zwierciadła, to zaczie się reakcja łańcuchowa, która będzie trwała dopóty, dopóki wszystkie atomy ie zajdą się w iższym staie eergetyczym. Aby emisja wymuszoa przeważała ad absorpcją, w wyższym staie eergetyczym musi zajdować się więcej atomów iż w staie iższym, tz. istieje tak zwaa iwersja staów. Jeżeli jedo ze zwierciadeł jest zwierciadłem częściowo odbijającym i częściowo przepuszczającym to przechodząca przezeń spója wiązka będzie staowiła ciągłą falę siusoidalą promieiowaia elektromagetyczego, tak samo jak promieiowaie elektromagetycze wysyłae przez adajik radiowy.

22 Poziomy eergetycze w laserze helowo eoowym Atomy Ne są wzbudzae a poziom E w trakcie zderzeń ze wzbudzoymi atomami He. Przejście a poziom E zachodzi wskutek emisji wymuszoej. Istota akcji laserowej zawiera się w dwóch zjawiskach: iwersji obsadzeń poziomów eergetyczych i emisji wymuszoej.

23 Laser rubiowy rubi kryształ tleku gliu(al O 3 ), w którym iektóre atomy gliu są zastąpioe atomami chromu. Schemat eergetyczy atomów chromu w rubiie

24 Budowa lasera rubiowego: Pręt rubiowy ma postać walca o średicy około 5 mm i długości 510 cm. Końce walca tworzą ideale rówoległe zwierciadła, z których jedo jest półprzezroczyste Pręt jest otoczoy kilkoma zwojami spiralej lampy błyskowej zasilaej z baterii kodesatorów. Pręt i lampa zajdują się w chłodzoej obudowie odbijającej światło.

25 Podstawy wystąpieia akcji laserowej: Absorbując światło o długości fali 560 m atomy przechodzą do pasma wzbudzoego E. Proces te staje się masowy, gdy rubi zaczyamy oświetlać silą wiązką światła białego (pompowaie optycze). Atomy z poziomu E 3 przechodzą a poziom E w sposób bezpromieisty. Poziom E 3 jest metastabily, o czasie życia 3 ms, podczas gdy czas życia poziomu E wyosi 0.05 s. Przez odpowiedio szybkie pompowaie moża osiągąć iwersją obsadzeia staów E 3 i E 1, tz. N 3 >N 1. Emisja wymuszoa zachodzi z poziomu E 3 a E 1 z emisją fotou o długości fali rówej =694.3 m.

26 Aby uzyskać silą emisję wymuszoą, koiecze jest utworzeie optyczej komory rezoasowej. Komorę tworzy sam kryształ rubiu w postaci pręta, którego powierzchie czołowe są wypolerowae i pokryte powłokami odbijającymi. Wystarczy pojawieie się jedego fotou rezoasowego poruszającego się rówolegle do osi pręty aby akcja laserowa się rozpoczęła.