dr inż. Ireneusz Owczarek CNMiF PŁ ireneusz.owczarek@p.lodz.pl http://cmf.p.lodz.pl/iowczarek Wzmocnienie światła poprzez wymuszona emisję promieniowania 1 dr inż. Ireneusz Owczarek 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. 2 dr inż. Ireneusz Owczarek Kryteria podziału laserów... Podział laserów ze względu na rodzaj ośrodka czynnego: 1 Gazowe laser helowo-neonowy He-Ne(543 nm lub 633 nm), laser argonowy (458 nm, 488 nm lub 514,5 nm), laser azotowy (337,1 nm). 2 Na ciele stałym laser rubinowy (694,3 nm), laser neodymowy na YAG-u (Nd:YAG), 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, bezzłaczowe, kwantowy laser kaskadowy. 3 dr inż. Ireneusz Owczarek Parametry laserów 4 dr inż. Ireneusz Owczarek
Lasery Najmniejsze maja rozmiar części milimetra i daja światło o mocy ok. 200 mw. Największe, używane do wywołania reakcji jadrowych, moga mieć moc impulsu świetlnego do ok. 1014 W. 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 Własności światła laserowego Wzmacniacze kwantowe 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 0,002 nm, skolimowane (bardzo mała rozbieżnościa wiazki < 500 µrad), tzn. że wszystkie promienie tworzace wiazkę laserowa biegna równolegle do siebie. moc dla impulsowego lasera skupienie w małym punkcie olbrzymiej gęstości energii nawet do 10 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. 6 dr inż. Ireneusz Owczarek 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. 7 dr inż. Ireneusz Owczarek Rozkładem Boltzmanna... Jeżeli N << N 1, to liczba emisji jest proporcjonalna do liczby atomów wzbudzonych. Jeżeli N > N 1, to stan taki nazywa się inwersja obsadzeń (rozkład antyboltzmannowski). Wtedy emisja wymuszona odgrywać będzie główna rolę w oddziaływaniu promieniowania z atomami. Liczba obsadzeń poziomu o energii wyższej jest większa niż liczba obsadzeń poziomu o energii niższej. 8 dr inż. Ireneusz Owczarek
Emisja wymuszona 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). 9 dr inż. Ireneusz Owczarek Inwersja obsadzeń 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). 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, 10 dr inż. Ireneusz Owczarek Lasery 11 dr inż. Ireneusz Owczarek Rezonator i akcja laserowa O akcji laserowej 12 dr inż. Ireneusz Owczarek
O akcji laserowej Rezonator... 13 Przykładowe lasery Laser półprzewodnikowy Nazywany równiez laserem diodowym lub dioda laserowa to laser, którego obszarem czynnym jest półprzewodnik. Najbardziej perspektywiczne lasery z punktu widzenia ich zastosowan ze wzgledu na: małe wymiary, dos c wysokie moce, łatwos c modulacji pradem sterujacym o wysokiej czestotliwos ci (GHz), niezawodnos c pracy, proste zasilanie, moz liwos c uzyskania promieniowania od pasma bliskiej podczerwieni (diody laserowe dla telekomunikacji s wiatłowodowej) do skraju fioletowego pasma widzialnego. 14 Przykładowe lasery Lasery półprzewodnikowy... 1 2 3 Ciagle sa udoskonalane, obejmujace coraz szerszy zakres widma czestos ci i generujace promieniowanie nawet o znacznych mocach stanowia prawdziwy przełom w technice laserowej, Produkowane sa masowo i stosowane w wielu powszechnie uz ywanych urzadzeniach, Znalazły szerokie zastosowanie jako z ródło modulowanego promieniowania w telekomunikacji s wiatłowodowej. w odtwarzaczach i napedach optycznych do odczytu informacji optycznej zapisanej na płytach CD, DVD, Blu-ray. 15 Przykładowe lasery Kropki kwantowe Kropka kwantowa to niewielki obszar przestrzeni ograniczony w trzech wymiarach barierami potencjału. Wewnatrz uwieziona jest czastka o długos ci fali porównywalnej z rozmiarami kropki. Oznacza to, z e opis zachowania czastki musi byc przeprowadzony z uz yciem mechaniki kwantowej. Rysunek: Schemat urzadzenia składajacego sie z Rysunek: Kropki kwantowe w bateriach solarnych. 16 dwuwarstwowych kropek kwantowych (rysunek a) oraz z mieszaniny kropek (rysunek b). Czerwone kule reprezentuja kropki kwantowe z P bs, niebieskie kropki kwantowe z Bi2 Si3.
w medycynie 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 ekscimerowego XeCl (308 nm), który działajac z dokładnościa do 0,25 µm 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. 17 dr inż. Ireneusz Owczarek w medycynie... 2 Chirurgia mało-inwazyjna. Np. skalpel laserowy (stosowany laser CO 2, laser YAG). Skupiona wiazka laserowa tnie precyzyjnie tkankę. Stosowanie skalpela laserowego ogranicza krwawienia pooperacyjne, ponieważ ciepło, jakie wydzielaja, zgrzewa przecinane naczynia krwionośne. 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. 18 dr inż. Ireneusz Owczarek w przemyśle Laserowe cięcie (laser CO 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). 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, od 102 do 1011 W. mm 2 19 dr inż. Ireneusz Owczarek Zastosowania militarne 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. 20 dr inż. Ireneusz Owczarek
Inne zastosowania 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 Literatura Halliday D., Resnick R, Walker J. Podstawy Fizyki t. 1-5. PWN, 2005. Praca zbiorowa pod red. A. Justa do analizy matematycznej i wybranych zagadnień z fizyki. Wydawnictwo PŁ, Łódź 2007. Jaworski B., Dietłaf A. Kurs Fizyki t. 1-3. PWN, 1984. Strona internetowa prowadzona przez CMF PŁ http://cmf.p.lodz.pl/efizyka e-fizyka. Podstawy fizyki. Kakol Z. Żukrowski J. http://home.agh.edu.pl/ kakol/wyklady_pl.htm Wykłady z fizyki. 22 dr inż. Ireneusz Owczarek