LASER* Współczynniki Einsteina. Einstein pokazał, Ŝe prócz emisji spontanicznej i absorpcji istnieje równieŝ emisja wymuszona. 10/30/ /30/2009

Transkrypt

1 0/0/009 0/0/ Lasery Rola emisji wymuszonej Rozwój akcji laserowej we wnęce laserowej Cechy światła laserowego Podstawy fizyczne działania laserów: nwersja obsadzeń Wybór ośrodka aktywnego Przegląd podstawowych typów laserów Einstein rozwaŝał (97r.) prędkość przejść między stanami energetycznymi (np. stanów i ) atomów w równowadze ze światłem o irradiencji (natęŝeniu) : Jeśli: prędkość emisji spontanicznej: dn / = A N to: Współczynniki Einsteina prędkość absorpcji: dn / = B N prędkość emisji wymuszonej: dn / = B N równe prawdopodobieństwa ale róŝne prędkości! Przypadkowa w czasie i przestrzeni N N Absorpcja Emisja spontaniczna N By mogło dojść do równowagi termodynamicznej w obecności pochłanianych i emitowanych fotonów: B N = A N + B N N Emisja wymuszona Spójna z fotonem wymuszającym Zazwyczaj: N << N!!! słabe Emisję wymuszoną moŝna zaniedbać!!! Einstein pokazał, Ŝe prócz emisji spontanicznej i absorpcji istnieje równieŝ emisja wymuszona. LASER* Działanie lasera bazuje na dwóch zjawiskach: inwersji obsadzeń i emisji wymuszonej. N Absorpcja N N Emisja spontaniczna N Emisja wymuszona * Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

2 0/0/009 0/0/009 LASER* (dodatnia pętla sprzęŝenia zwrotnego) - rezonator optyczny dla wybranych częstotliwości i kierunku (wielokrotne odbicie fal) zamknięta jest zwierciadłami, jedno z nich jest częściowo przepuszczalne. Rola emisji wymuszonej we wnęce laserowej Jeden foton emisji spontanicznej moŝe wywołać lawinę fotonów: początek akcji laserowej. Proces ten jest podstawą działania laserów. Cechy światła generowanego w procesie emisji wymuszonej we wnęce laserowej promieniowanie ma tą samą częstotliwość co promieniowanie wymuszające promieniowanie ma ten sam kierunek co promieniowanie wymuszające (fotony emisji spontanicznej emitowane są w przypadkowych kierunkach!!!) promieniowanie ma tą samą fazę co promieniowanie wymuszające - rezonator optyczny dla wybranych częstotliwości i kierunku (wielokrotne odbicie fal) zamknięta jest zwierciadłami, jedno z nich jest częściowo przepuszczalne. zapewnia olbrzymią gęstość mocy: prawdopodobieństwo emisji spontanicznej można zaniedbać! Emitowana wiązka jest równoległa do osi wnęki (fale, które nie wędrują tam i z powrotem między zwierciadłami, szybko uciekają na boki bez wzmocnienia). Tylko te fotony dla których układ optyczny jest rezonatorem (częstość i kierunek), mogą wielokrotnie przebiec przez ośrodek czynny wywołując emisję kolejnych fotonów spójnych z nimi; pozostałe fotony nie uczestniczą w akcji laserowej (straty). 4

3 0/0/009 0/0/009 (dodatnia pętla sprzęŝenia zwrotnego) 0 Układ laserowy R = 00% o wzmocnieniu G R < 00% Widok modów niepoosiowych - symetria prostokątna Układ laseruje, gdy fala świetlna o danej długości fali zyskuje na natęŝeniu, to znaczy, gdy w obiegu: 0 Z obiegiem światła we wnęce związane są straty w natęŝeniu (absorpcja, rozpraszanie, odbicia). Aby mogła zajść akcja laserowa, wzmocnienie promieniowania w obszarze czynnym musi co najmniej równowaŝyć straty: wzmocnienie straty Równość: wzmocnienie = straty określa próg akcji laserowej. 5 6

4 0/0/009 0/0/009 Akcja laserowa: warunki Zaniedbując emisję spontaniczną, zmiana z gęstości fotonów : 0 L d d = c BN - BN [Emisja wymuszona minus absorpcja] dz B[ N - N] Stała proporcjonalności Rozwiązaniem jest: { σ [ ] } ( z) = (0)exp N N z Ośrodek laserowy W zaleŝności od róŝnicy N < N nastąpi wykładniczy wzrost lub spadek irradiancji. W równowadze termodynamicznej, zgodnie z rozkładem Boltzmana: N < N. Ale jeśli N > N (inwersja obsadzeń), ma miejsce wzmocnienie. Jeśli N < N : [ ] Jeśli N > N : g N N σ α [ N N ] σ (0) Współczynnik wzmocnienia: { σ [ ] } G exp N N L (L) nwers ersja obsadzeń: Aby osiągnąć współczynnik wzmocnienia G >, emisja wymuszona musi przewyŝszać absorpcję, czyli: N > N W równowadze: N / N = exp( E/k B T ), Trzeba wytworzyć stan nierównowagowy. gdzie: E = E E. Równowagowe N < N obsadzenia stanów cząsteczkowych: Energia niska T Energia Czasteczki wysoka T Czasteczki Energia Stan nierównowagowy nwersja Energia { σ [ ] } G exp N N L ujemna temperatura! Akcja laserowa: warunki Akcję laserową moŝna otrzymać tylko wtedy, jeŝeli w ośrodku czynnym (kosztem energii wpompowanej w układ) wytworzymy stan inwersji obsadzeń. { σ [ ] } ( z) = (0)exp N N z Ośrodek laserowy (0) (L) z 0 L nwers ersja obsadzeń; pompowanie ośrodka aktywnego nwersję wytworzyć moŝna kosztem energii wpompowanej w układ w wyniku oświetlenia światłem (pompowanie optyczne): innym laserem, wyładowaniem prądu w gazach, lampą błyskową, reakcjami chemicznymi albo wykorzystując rekombinację w półprzewodnikach. Aby uzyskać inwersję, trzeba właściwie wybrać ośrodek aktywny. 0 Jeśli N < N : [ ] Jeśli N > N : g N N σ α [ N N ] σ Współczynnik wzmocnienia: { σ [ ] } G exp N N L Laser medium R = 00% R < 00% - intensywność lampy błyskowej (uŝytej do wpompowania energii w ośrodek aktywny) Jakie warunki muszą być spełnione, by osiągnąć inwersję obsadzeń, N > N? 7 8

5 0/0/009 0/0/009 nwersja obsadzeń: poszukiwanie ośrodka aktywnego Równania bilansu obsadzeń dla układu dwupoziomowego: Absorpcja Emisja wymuszona Emisja spontaniczna dn = B( N N) AN dn = B( N N) + AN NatęŜenie pompy d N = B N + AN d N = B N + AN A N N - całkowita liczba cząsteczek N N + N N N N N = ( N + N ) ( N N ) = N N, N N nwersja obsadzeń w układzie trójpoziomowym Pompujemy poziom, który szybko zanika do metastabilnego (długoŝyciowego) poziomu. Równania bilansu obsadzeń: dn dn = BN AN Absorpcja = BN + AN Emisja spontaniczna N - całkowita liczba cząsteczek N N + N N N N d N = BN + AN N = N N N = N + N d N = BN B N + AN A N Fast Szybki decay zanik Przejście laserowe Poziom jest krótkoŝyciowy, moŝemy zaniedbać jego obsadzenie. Dlaczego w układzie dwupoziomowym inwersja nie jest moŝliwa: W warunkach stacjonarnych: d N = B N + AN A N 0 = B N + AN A N, N N Dlaczego w układzie trójpoziomowym inwersja jest moŝliwa: d N = BN B N + AN A N W stanie stacjonarnym: 0 = BN B N + AN A N Fast Szybki decay zanik Przejście laserowe N = N /( + B / A) N = N( A B) /( A + B) N gdzie: sat = A / B N = + / sat sat natęŝenie nasycenia N = N -N jest zawsze dodatnie, niezaleŝnie od tego, jak duŝe jest! nwersja w układzie dwupoziomowym nie jest moŝliwa! / N = N + / sat sat = A / B gdzie: sat sat natęŝenie nasycenia. Teraz jeśli > sat, N = N -N jest ujemne! nwersja jest moŝliwa. 9 0

6 0/0/009 0/0/009 nwers ersja obsadzeń w układzie czteropoziomowym ZałóŜmy teraz, Ŝe poziom teŝ szybko zanika do poziomu 0. Z równania bilansu obsadzeń w stanie stacjonarnym w wyniku rozumowania analogicznego do poprzedniego: / sat N = N + / sat = A/ B gdzie: sat sat natęŝenie nasycenia. Teraz N jest ujemne - zawsze! 0 Szybki zanik Przejście laserowe Szybki zanik N - całkowita liczba cząsteczek N N0 + N N0 = N N gdyŝ: N 0, N N Laser rubinowy (jony Cr+ w krysztale AlO) Pierwszy laser, skonstruowany przez Theodora a Maimana z Hughes Research Labs w 960r. Laser ten pracuje w schemacie trójpoziomowym. Jest pompowany optycznie lampą ksenonową przez boczne powierzchnie walca z rubinu. energy (ev) 0 E 4F 4F blue green nm E rapid decay (~50ns) 694.nm ground state E Pierwszy laser: Laser rubinowy, uruchomiony w 960r (dopiero!) w Hughes Research Laboratories, Malibu, California W laserze Maimana laser ośrodkiem czynnym był syntetyczny kryształ rubinu wyhodowany przez Ralpha L. Hutchesona. Patent został jednak przyznany Gordonowi Gouldowi. Maiman za prace nad laserem był dwukrotnie nominowany do nagrody Nobla. nwersja obsadzeń: podsumowanie Układ dwupoziomowy N N Co najwyŝej równe obsadzenia. Brak laserowania. Układ trójpoziomowy Fast decay Fast Szybki decay zanik Przejście laserowe Trudno jest osiągnąć akcję laserową. Układ czteropoziomowy 0 Szybki zanik Przejście laserowe Szybki zanik Laserowanie łatwo osiągalne!

7 0/0/009 0/0/009 Podsumowanie: Lasery B ρω = N A N B ρ ω N + B = B hω A = B π c Emisja wymuszona Propagacja promieniowania zgodność: faz kierunku częstości spójność, kolimacja, monochromatyczność ( z ) = α z e α = σ ( g ) N d 0 Wielorakie konstrukcje: RóŜnorodne zastosowania Laserowanie: ❶ emisja > absorpcja inwersja obsadzeń ❷ emisja wymuszona > em. spontaniczna B ρ ω > A konieczne duże ρ ω rezonator Podsumowanie: rozwój akcji laserowej energii: lamba błyskowa laser rubinowy), inny laser (w ośrodkach aktywnych, którymi są barwniki), wyładowanie elektryczne (laser He-Ne), przyłoŝone napiecie (lasery diodowe) Zastosowania laserów:. Spójność holografia. Monochromatyczność spektroskopia, fizyka, medycyna, fotochemia. Kolimacja spektroskopia, dalmierze (np. pomiar odl. Ziemia Księżyc), telekomunikacja (światłowody) płyty CD, DVD, Sekwencja wydarzeń:. Emisja spontaniczna. nwersja obsadzeń. Wzmocniona emisja spontaniczna 4. Zwierciadło kieruje do wzmacniacza promienie przyosiowe (kolimacja) 5. Zmiana fazy fali na zwierciadle (węzeł) 6. Zwierciadło wyjściowe zawraca część promieniowania do wzmacniacza(dalsza kolimacja) 7. Zmiana faza fali na zwierciadle, fala stojąca, mody 8. Przekroczenie progu AKCJA LASEROWA 4. ntensywność militarne, przemysł medycyna 4

8 0/0/009 0/0/009 Klasyfikacja laserów w zaleŝności od ośrodka czynnego * Lasery gazowe: helowo-neonowy (54 nm lub 6 nm) argonowy (458 nm, 488 nm lub 54,5 nm) azotowy (08 nm) kryptonowy (jonowy 647nm, 676 nm) na dwutlenku węgla (0.6 µm) na tlenku węgla * Lasery na ciele stałym rubinowy (694, nm) neodymowy na szkle neodymowy na YAG-u (Nd:YAG) erbowy na YAG-u (Er:YAG) (645 nm) tulowy na YAG-u (Tm:YAG) (05 nm) holmowy na YAG-u (Ho:YAG) (090 nm) tytanowy na szafirze (Ti:szafir) na centrach barwnych Laser na dwutlenku węgla, CO Gazowy laser molekularny, w którym ośrodkiem czynnym jest mieszanina dwutlenku węgla, azotu, wodoru i helu. Emituje falę w zakresie podczerwieni, główne linie widmowe znajdują się w zakresie długości fal 9.4 µm i 0.6 µm. Emitowana moc dochodzi do 00 kw przy pracy ciągłej i 0 W przy pracy impulsowej. Laser na CO pracuje analogicznie do lasera He-Ne: pompowana jest cząsteczka N, która przekazuje energię do CO. Akcja laserowa zachodzi dla wielu linii rotacyjnych przejść oscylacyjnych cząsteczki CO * Lasery na cieczy (barwnikowe) * Lasery półprzewodnikowe (diody laserowe) Laser helowo-neonowy pierwszy działający laser gazowy (960r., Laboratorium Bella ) λ = 6,8 nm. Atomy He wzbudzone są przez rozpędzone elektrony (wyładowanie elektryczne).. Wzbudzone atomy He w zderzeniach przekazują energię atomom Ne. Laser na dwutlenku węgla, CO Gazowy laser molekularny, w którym ośrodkiem czynnym jest mieszanina dwutlenku węgla, azotu, wodoru i helu. Emituje falę w zakresie podczerwieni, główne linie widmowe znajdują się w zakresie długości fal 9.4 µm i 0.6 µm. Emitowana moc dochodzi do 00 kw przy pracy ciągłej i 0 W przy pracy impulsowej. Zastosowania: * obróbka materiałów (cięcie i spawanie) * LDAR * chirurgia * kosmetyka - usuwanie brodawek, tatuaŝy i blizn * badania naukowe 5 6

9 0/0/009 0/0/009 Jonowy laser argonowy, Ar + Laser o pracy ciągłej. Wyładowanie w plazmie pozwala uzyskać wzmocnienie dla ponad 5 przejść. Linie lasera argonowego: Długość fali Moc względna Moc nm.0.8 W nm.06.5 W nm.0.8 W 47.7 nm.05. W nm..0 W nm. 8.0 W nm..0 W 50.7 nm.07.8 W 54.5 nm W 58.7 nm.07.8 W 5 ev 4p 55n m Pumping (electron impact) energy (ev) 5.75 ev 0 ev 488 nm 4s fast radiative decay Ar + ground state collisions Ar ground state Lasery barwnikowe Substancją czynną jest przepływająca, laminarna struga roztworu zawierającego barwnik organiczny, np. rodaminę. Barwnik jest pompowany optycznie laserem argonowym, kryptonowym lub neodymowym. Laser barwnikowy na Rodaminie 6G (barwnik pomarańczowy), emisja na 580 nm (Ŝółty). Roztwór barwnika pompowany jest światłem lasera argonowego (54 nm, niebieski). Lasery barwnikowe Substancją czynną jest przepływająca, laminarna struga roztworu zawierającego barwnik organiczny, np. rodaminę. Barwnik jest pompowany optycznie laserem argonowym, kryptonowym lub neodymowym. S : szy wzbudzony stan elektronowy S 0 : Podstawowy stan elektronowy Przejście laserowe Lasery barwnikowe pracują w schemacie czteropoziomowym. Lasery diodowe obszarem czynnym jest półprzewodnik. Najczęściej laser półprzewodnikowy ma postać złącza p-n. Obszar czynny jest pompowany przez przepływający przez złącze prąd elektryczny. Ze względu na niewielkie rozmiary, niskie koszty produkcji, oraz wysoką wydajność, lasery półprzewodnikowe są dzisiaj najczęściej wykorzystywanym rodzajem laserów. Znajdują zastosowanie między innymi w napędach CD, DVD, wskaźnikach laserowych, łączności światłowodowej. Drukarka laserowa 7 8

10 0/0/009 0/0/009 Płyta kompaktowa Standardowa płyta CD mieści 74 minuty muzyki, co odpowiada 650 MB danych. Wgłębienie: ~ 5 nm głębokości przy 500 nm szerokości, zaś jego długość: od 850 nm do.5 µm Ciekawostki: Długość ścieŝki zapisanej na płycie CD wynosi około 50 kilometrów. Średnica płyty CD (cm), która pozwala na nagranie 74 minut dźwięku, została dobrana tak, aby zmieściła się na niej cała X Symfonia Ludwiga van Beethovena. Od czasu wprowadzenia płyt CD, na całym świecie sprzedano ponad 00 miliardów egzemplarzy tego nośnika. Wystarczająco duŝo, aby płyty ułoŝone jedna na drugiej opasały Ziemię sześć razy. Przykłady jeszcze innych zastosowań: Lasery gazowe wytwarzające ultrafiolet o moŝliwie jak najmniejszej długości fali uŝywane do produkcji półprzewodnikowych układów scalonych: F (57 nm) ArF (9 nm) KrCl ( nm) XeCl (08 nm) XeF (5 nm) Lasery uŝywane w stomatologii i dermatologii w tym do usuwania tatuaŝy, znamion oraz włosów: rubinowy (694 nm) aleksandrytowy (755 nm) pulsacyjna matryca diodowa (80 nm) Nd:YAG (064) Ho:YAG (090 nm) Er:YAG (940 nm) Półprzewodnikowe diody laserowe: małej mocy - uŝywane we wskaźnikach laserowych, drukarkach laserowych, CD/DVD duŝej mocy - uŝywane w przemyśle do cięcia i spawania, występują o mocach do 0 kw Drukarka laserowa Zasada druku: W większości drukarek wykorzystywana jest "klasyczna" technika druku, polegająca na polaryzowaniu za pomocą promienia laserowego odpowiedniego miejsca na powierzchni wstępnie naelektryzowanego światłoczułego bębna pokrytego warstwą OPC (organic photoconducting cartridge) lub krzemu amorficznego. Źródłem światła jest zazwyczaj dioda laserowa emitująca światło przerywane w taki sposób, aby niosło informację odpowiadającą kolejnym bitom danych do wydruku. Przez soczewkę światło kierowane jest na wielokątne obrotowe zwierciadło. Dzięki obrotom lustra poszczególne błyski odbijane są pod róŝnymi kątami i trafiają w kolejne punkty danej linii obrazu tworzonego na bębnie. Powierzchnia bębna jest omiatana światłem lasera lub światłem pochodzącym z zestawu diod LED, modulowanym na podstawie obrazu strony przechowywanego w pamięci drukarki. W efekcie naświetlone fragmenty bębna drukującego zmieniają swoje właściwości elektryczne, otrzymując ładunek dodatni. Przykłady jeszcze innych zastosowań: 9 0

11 0/0/009 Szkodliwe skutki oddziaływania promieniowania laserowego Przykłady rodzimych zastosowań naukowych: RóŜnorodne techniki spektroskopowe Badania materii przy pomocy światła rozproszonego Badania LDARowe (Light Detection And Ranging) Chłodzenie atomów (ciśnienie światła siły optyczne - chłodzenie i pułapkowanie) Zjawiska nieliniowe Kondensaty Bosego-Einsteina Kryptografia kwantowa Polski biegun zimna (40 mikrokelwinów= 0,00004 kelwina = -7,599 0 C) FUJ, Kraków, & F UMK, Toruń