GŁÓWNE CECHY ŚWIATŁA LASEROWEGO

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "GŁÓWNE CECHY ŚWIATŁA LASEROWEGO"

Jacek Jarosz
6 lat temu
Przeglądów:

1 GŁÓWNE CECHY ŚWIATŁA LASEROWEGO Światło może być rozumiane jako: Strumień fotonów o energii E Fala elektromagnetyczna. = hν i pędzie p h = = hν c Najprostszym przypadkiem fali elektromagnetycznej jest fala płaska E e cos( ) = x E0 ωt kz+ ϕ E = B υ f, E = Bυ f, ω = 2 πν, B = e cos( ) y B0 ωt kz+ ϕ k k 2 π k = =, υ f = υf = ekυ f = ezυf k ω częstość kołowa, ν częstość, k moduł wektora falowego, długość fali, υ prędkość fazowa fali, f ( ωt kz + ϕ) faza fali, ϕ faza początkowa. Cechy światła laserowego 1

2 Widmo promieniowania elektromagnetycznego Oddziaływanie światła z materią Fizjologiczne, fotochemiczne, fotoelektryczne działanie światła wywołane jest drganiami wektora E fali elektromagnetycznej. Dlatego wektor E nazywa się wektorem świetlnym. Siła oddziaływania elektrycznego z ładunkami jest znacznie większa niż siła oddziaływania magnetycznego. F E = q E F = q( υ B) FE ee B υ f c Dla elektronu = = 1 max F eυ B υ B υ M M e e e q Cechy światła laserowego 2

3 Polaryzacja światła Światło naturalne Światło, w którym drgania wektora świetlnego w różnych kierunkach szybko i w sposób nieuporządkowany zamieniają się wzajemnie (światło zdepolaryzowane). Światło spolaryzowane Światło, w którym drgania wektora świetlnego są w jakiś sposób uporządkowane. Polaryzacja liniowa Rodzaj polaryzacji, kiedy drgania wektora świetlnego zachodzą tylko w jednej przechodzącej przez promień płaszczyźnie Według obecnej terminologii: płaszczyzna polaryzacji jest płaszczyzną drgań wektora elektrycznego Cechy światła laserowego 3

4 ŚWIATŁO LASEROWE A ZWYKŁE Energia fotonów Energia fotonu wygenerow anego przez laser jest taka sama jak energia fotonu o tej samej długości fali pochodzącego ze zwykłego źródła światła. Kierunkowość promieniowania W konwencjonalnych źródłach światła równoległość promieniowania ograniczona jest skoń gdzie wytwarzane jest czonymi rozmiarami obszaru, światło. cyjna rozbieżność wiązki zależy od rozmiaru apertury (apertura jest to efektywna średnica otworu Promieniowanie wychodzące z lasera jest zazwyczaj złożone z ciągu fal o prawie idealnie płaskich frontach falowych. Równoległość wiązki laserowej jest ograniczona dyfrakcją. Dyfrakinstrumentu optycznego ) oraz od długości fali generowanego promieniowania. Cechy światła laserowego 4

5 Rozbieżność wiązki Rozbieżność w płaszczyźnie zawierającej oś optyczną: Δ θ = K d d szerokość wiązki na wyjściu lasera, długość fali, K stała o wartości bliskiej jedności, której wielkość zależy od rodzaju lasera i rezonatora. Rozbieżność w kącie bryłowym: 2 ΔΩ A ΔΩ kąt bryłowy rozbieżności wiązki, A powierzchnia apertury wyjściowej lasera. Dyfrakcyjna rozbieżność wiązki laserowej jest rzędu pojedynczych sekund kąta ( 1" 4,85 mm/1 km). By z naturalnego źródła światła za pomocą optycznego kolimatora uzy skać typową dla wiązki laserowej rozbieżność, należałoby użyć układu o ogniskowej kilkudziesięciu metrów. Przy takiej ogniskowej natężenie skolimowanego światła byłoby znikome. Cechy światła laserowego 5

6 Monochromatyczność Dzięki laserom można uzyskać ekstremalnie wąskie spektralnie linie o szerokości nieosiągalnej innymi metodami. Szerokość widmowa typowych laserów mieści się w zakresie od 1 MHz do 1 GHz (przy = 600 nm, 6 1MHz 1,2 10 nm). Np. dla lasera rubinowego Δ 0,002 nm przy Δ 0,54 nm dla zwykłego światła fluorescencji rubinu. W specjalnych wykonaniach buo kilka rzę duje się układy laserowe o szerokości linii dów mniejszych. Dla porównania szerokość pasma 15 promieniowania słonecznego jest rzędu 10 Hz. Niemożliwe jest jednak uzyskanie promieniowania ściśle monochromatycznego. Względna czystość spektralna promieniowania laserowego określana jest przez stosunek Δ ν Δ ν, który może osiągać wartości = ν ν Wysoki stopień monochromatyczności światła laserowego jest podstawą zastosowania go w telekomunikacji, spektroskopii, metrologii i innych dziedzinach nauki i techniki. Cechy światła laserowego 6

7 Spójność czasowa światła laserowego: długość spójności, czas spójności Spójność czasowa Spójność (korelacja fazowa) wiązek światła wychodzących z danego punktu źródła w różnych momentach czasu. Długość spójności Wartość krytyczna różnicy dróg optycznych, Δ l, przebytych przez obie wiązki, powyżej której przestają one ze sobą interferować. Czas spójności Najdłuższy przedział czasu, w którym zachodzi korelacja fazy w danej wiązce, Δ τ =Δ l n c sp sp Spójność czasową światła można badać np. za pomocą interferometru Michelsona. Czas spójności związany jest ze stopniem monochroma tyczności: 1 Δ τ = Δν Dla typowych układów laserowych Δν 1MHz Δ τ = 1μs Cechy światła laserowego 7

8 Spójność przestrzenna światła laserowego Spójność przestrzenna Spójność drgań wywołanych przez falę w różnych punktach powierzchni falowej. Schemat doświadczenia ilustrującego spójność przestrzenną światła. I = I1+ I2 + 2 I1 I2 cosδ δ przesunięcie fazowe wiązek 1 i 2 Dla źródeł konwencjonalnych spójność przestrzenna związana jest ze skończonymi rozmiarami przestrzennymi źródła. Promień spójności ρ sp obszaru spójnoś ci w danym punkcie powierzchni falowej. ρsp = długość fali, ϕ kąt, pod jakim widać źródło z danego punktu ϕ powierzchni falowej. Schemat doświadczenia interferencyjnego przy użyciu lasera. Cechy światła laserowego 8

9 Intensywność promieniowania Ze względu na równoległość wiązki za pomocą laserów można łatwo osiągnąć bardzo wyso kie powierzchniowe gęstości mocy. Przy pracy ciągłej Przy pracy impulsowej 10 Dzieje się tak dlatego, że monochromatyczna wiązka laserowa daje się łatwo ogniskować (praktyczny brak aberracji chromatycznej) oraz, że impulsy laserowe mogą być bardzo krótkie (np. rzędu femtosekund) W/cm 10 W/cm W niezogniskowanej wiązce pole elektryczne ma natężenie rzędu 10 V/cm, a w wiązce zoniskowanej rzędu 10 V/cm, co przekracza natężenie pola utrzymujące zewnętrzne elek trony w większości pierwiastków. Ciśnienie światła w tym przypadku jest rzędu 9 g 7 10 Pa = 100 bar (dla światła słonecznego E 7V/cm, p Pa =10 bar ). Dzięki takim własnościom światła laserowego można je łatwo wykorzystać do podgrzewania, topienia i cięcia różnych materiałów. Cechy światła laserowego 9

Podobne dokumenty

wiat o mo e by rozumiane jako strumie fotonów albo jako fala elektromagnetyczna. Najprostszym przypadkiem fali elektromagnetycznej jest fala p aska

G ÓWNE CECHY WIAT A LASEROWEGO wiat o mo e by rozumiane jako strumie fotonów albo jako fala elektromagnetyczna. Najprostszym przypadkiem fali elektromagnetycznej jest fala p aska - cz sto ko owa, - cz