Lasery Inne oblicze optyki

Transkrypt

1 Lasery Inne oblicze optyki dr inż. Ireneusz Owczarek CMF PŁ /13 Spis treści 1. Zasada działania lasera Wstęp Wzmacniacze kwantowe Podstawowe procesy O akcji laserowej Zastosowanie laserów Przykładowe lasery Obszary zastosowań

2 1. Zasada działania lasera 1.1. Wstęp Kryteria podziału laserów Lasery można podzielić stosując różne kryteria. I tak, ze względu na: 1. długość fali emitowanej przez laser wyróżnia się lasery emitujące promieniowanie: ultrafioletowe, widzialne, podczerwone; 2. rodzaj ośrodka, w którym nastąpiło wzbudzenie promieniowania laserowego: lasery na ciele stałym, lasery cieczowe, gazowe, półprzewodnikowe; 3. charakter pracy lasera, wyróżnia się lasery pracujące w sposób: ciągły, impulsowy; 4. moc uzyskanej wiązki 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 lub 633nm), laser argonowy (458nm, 488nm lub 514, 5nm), laser azotowy (337, 1nm). 2. Na ciele stałym laser rubinowy (694, 3nm), laser neodymowy na YAG-u (Nd:YAG), laser na centrach barwnych. 3. Na cieczy (cieczowe) lasery barwnikowe ośrodkiem czynnym są barwniki rozpuszczone w nieaktywnym ośrodku przezroczystym, np. rodamina. 4. Półprzewodnikowe złączowe (diody laserowe), laser na materiale objętościowym, laser na studniach kwantowych, laser na kropkach kwantowych, bezzłączowe, kwantowy laser kaskadowy. c Ireneusz Owczarek,

3 Parametry laserów Lasery Najmniejsze mają rozmiar części milimetra i dają światło o mocy ok. 200mW. Największe, używane do wywołania reakcji jądrowych, mogą mieć moc impulsu świetlnego do ok. 1014W. Zasadniczymi częściami lasera są: ośrodek czynny, rezonator optyczny, układ pompujący. Ośrodek czynny decyduje o najważniejszych parametrach lasera, określa długość emitowanej fali, jej moc, sposób pompowania, możliwe zastosowania lasera. c Ireneusz Owczarek,

4 1.2. Wzmacniacze kwantowe Własności światła laserowego Światło laserowe jest koherentne (spójne) w czasie i przestrzeni, tzn. wszystkie kwanty są przestrzennie uporządkowane, czyli występuje stały związek fazowy w czasie (spójność czasowa) i między dowolnymi punktami przekroju poprzecznego wiązki (spójność przestrzenna), monochromatyczne szerokość linii widmowej nie przekracza na ogół 0, 002nm, skolimowane (bardzo mała rozbieżnością wiązki < 500µrad), tzn. że wszystkie promienie tworzące wiązkę laserową biegną równolegle do siebie. moc dla impulsowego lasera skupienie w małym punkcie olbrzymiej gęstości energii nawet do W/cm 2, spolaryzowane i ukierunkowane. Obserwuje się zjawiska nieliniowe, w których optyczne własności ośrodka zależą od natężenia padającego światła, np. generacja drugiej harmonicznej, samoogniskowanie się światła Podstawowe procesy Rozkładem Boltzmanna porzadek w chaosie 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. Jeżeli N określa liczbę atomów w stanie podstawowym o energii E, a N 1 liczbę atomów wzbudzonych o energii E 1, to zgodnie z rozkładem Boltzmanna ( N = N 1 exp E ) E1. kt Prawdopodobieństwo pojawienia się stanów o niskich energiach jest większe, niż prawdopodobieństwo o wysokich energiach. Jeżeli N << N 1, to liczba emisji jest proporcjonalna do liczby atomów wzbudzonych. Jeżeli N > N 1, to stan taki nazywa się inwersją obsadzeń (rozkład antyboltzmannowski). Wtedy emisja wymuszona odgrywać będzie główną rolę w oddziaływaniu promieniowania z atomami. Liczba obsadzeń poziomu o energii wyższej jest większa niż liczba obsadzeń poziomu o energii niższej. c Ireneusz Owczarek,

5 Emisja wymuszona Procesy które mogą 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 wymuszający (silne pole większe prawdopodobieństwo). Inwersja obsadzeń Wystąpienie akcji laserowej wymaga, aby w układzie zaistniała inwersja obsadzeń, tj. stan, w którym w stanie o energii większej (wzbudzonym) jest większa liczba cząstek niż w stanie o energii niższej (podstawowym). W celu uzyskania inwersji obsadzeń układ musi być pompowany. Pompowanie lasera odbywa się poprzez: błysk lampy błyskowej (flesza), przepływ prądu (wyładowanie) w gazie, reakcję chemiczną, zderzenia atomów, c Ireneusz Owczarek,

6 Lasery c Ireneusz Owczarek,

7 1.4. O akcji laserowej Rezonator i akcja laserowa c Ireneusz Owczarek,

8 2. Zastosowanie laserów 2.1. Przykładowe lasery Laser półprzewodnikowy Nazywany również laserem diodowym lub diodą laserową 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 prądem sterującym 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. 1. Ciągle są udoskonalane, obejmujące coraz szerszy zakres widma częstości i generujące promieniowanie nawet o znacznych mocach stanowią prawdziwy przełom w technice laserowej, 2. Produkowane są masowo i stosowane w wielu powszechnie używanych urządzeniach, 3. Znalazły szerokie zastosowanie jako źródło modulowanego promieniowania w telekomunikacji światłowodowej. Zastosowanie laserów w odtwarzaczach i napędach optycznych do odczytu informacji optycznej zapisanej na płytach CD, DVD. Kropki kwantowe Kropka kwantowa to niewielki obszar przestrzeni ograniczony w trzech wymiarach barierami potencjału. Wewnątrz uwięziona jest cząstka o długości fali porównywalnej z rozmiarami kropki. Oznacza to, że opis zachowania cząstki musi być przeprowadzony z użyciem mechaniki kwantowej. c Ireneusz Owczarek,

9 Rysunek 1: Kropki kwantowe w bateriach solarnych. Rysunek 2: Schemat urządzenia składającego się z dwuwarstwowych kropek kwantowych (rysunek a) oraz z mieszaniny kropek (rysunek b). Czerwone kule reprezentują kropki kwantowe z P bs, niebieskie kropki kwantowe z Bi 2 Si Obszary zastosowań Zastosowanie laserów w medycynie 1. Korekcja wad wzroku (astygmatyzm, krótkowzroczność i dalekowzroczność wady refrakcji), LASIK (Laser Assised In Situ Keratomileusis) Metoda mechaniczno laserowa, inwazyjna, polegająca na użyciu ultrafioletowego lasera ekscimerowego XeCl (308nm), który działając z dokładnością 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. 2. Chirurgia mało-inwazyjna. Np. skalpel laserowy (stosowany laser CO 2, laser YAG). Skupiona wiązka laserowa tnie precyzyjnie tkankę. Stosowanie skalpela laserowego ogranicza krwawienia pooperacyjne, ponieważ ciepło, jakie wydzielają, zgrzewa przecinane naczynia krwionośne. 3. Laseroterapia, biostymulacja. Wykorzystuje się lasery niskoenergetyczne nie przekraczające kilkudziesięciu miliwatów. Promienie wytwarzane przez lasery tego typu wykazują właściwości lecznicze, wśród których można wymienić likwidowanie stanów zapalnych, działanie przeciwbólowe, regenerujące komórki i tkanki, usprawniające przemianę materii. 4. Stomatologia. Utwardzanie polimerowych wypełnień, ozonoterapia, wybielanie zębów. c Ireneusz Owczarek,

10 5. Chirurgia kosmetyczna. Usuwanie tatuaży, blizn, włosów. Zastosowanie laserów w przemyśle Laserowe cięcie (laser CO 2). Wykorzystywana jest metoda termicznego oddzielania materiału poprzez: sublimację, topienie, wypalanie. Cechą ciecia laserowego jest punktowe wprowadzenie energii i wysokoenergetyczny strumień tnący. Znakowanie laserowe (grawerowanie). Spawanie laserowe. Polega na stapianiu obszaru styku łączonych przedmiotów ciepłem otrzymanym w wyniku doprowadzenia do tego obszaru skoncentrowanej wiązki światła koherentnego, o bardzo dużej gęstości mocy, od 102 do 1011W/mm 2. Zastosowania militarne Wskaźniki celu. Oświetlacze. Urządzenia lokacji to laserowe odpowiedniki stacji radiolokacyjnych, służące do ustalenia odległości, położenia kątowego celu i szybkości przemieszczania się celu. Dalmierze, celowniki laserowe, broń laserowa. c Ireneusz Owczarek,

11 Inne zastosowania Zastosowania użytkowe: Drukarka laserowa. Gromadzenie informacji, danych płyty CD, DVD. Czytniki kodów paskowych. Urządzenia geodezyjne (poziomice laserowe). Poligrafia. Sprzęt komputerowy (mysz optyczna o dużej rozdzielczości, nagrywarki CD/DVD). Zastosowania naukowe: Osadzanie materiałów w postaci struktur wielowarstwowych. Precyzyjna mikro-obróbka np: drążarki laserowe. Wytwarzanie układów elektronicznych (np: technika grubowarstwowa laserowe kalibrowanie parametrów podzespołów). Mikroskopia, nanotechnologia. Literatura [1] Halliday D., Resnick R, Walker J. Podstawy Fizyki t PWN, [2] Praca zbiorowa pod red. A. Justa Wstęp do analizy matematycznej i wybranych zagadnień z fizyki. Wydawnictwo PŁ, Łódź [3] Jaworski B., Dietłaf A. Kurs Fizyki t PWN, [4] Strona internetowa prowadzona przez CMF PŁ e-fizyka. Podstawy fizyki. [5] Kąkol Z. Żukrowski J. kakol/wyklady_pl.htm Wykłady z fizyki. c Ireneusz Owczarek,