lasers4 -gaseous schechner (c)1 1השוואת צפיפות פרודות בין מוצק ובין...

Lasers 4 -Gaseous Schechner (c) 1

השוואת צפיפות פרודות בין מוצק ובין גז

1

He-Ne2לייזר CO23לייזר

Excimer4לייזר

- לייזרים בפזה הגזית4

מקורות קרינה ולייזרים


ריכוז פרודות עם יכולת לזירה

הוא:Nd+3המסה של יון אחד של

mion(Nd+3) = aw(Nd+3)/ NAvo = 144.24 g/(6x1023) = 2.4x10-22 g/ion

האם זה סביר?

NdxY3-xAl5O12הנוסחה הכימית של הגביש

1.97 g/cm3:צפיפות הגביש

[Nd+3 = ]1.5% b.w ריכוז (לפי משקל) של יוניהנאודימיום

Nd:YAG בגביש של לייזר Nd+3נחשב את ריכוז יוני ה-

נתונים

נחשב את הצפיפות של היון לפי משקל:(Nd+3) = x [Nd+3]

(Nd+3) = 1.97 g x 0.015 = 2.95x10-2 [g Nd+3/cm3]

מה המסה של כל שבתוך סמ"קNd+3יוני

mion = awion/NAvo


[dopand]מספר פרודות ליחידת נפח) של לייזר מבודד מזוהם (הריכוז

]dopand] =[Nd+3= [w(Nd+3)

mion(Nd+3)

]Nd+3= [2.95x10-2 g/cm3

2.4x10-22 g/ion= 1.23 x1020 ions/cm3

[gas]הריכוז, מספר פרודות ליחידת נפח, של לייזר בפזה גזית,

בתנאים תקניים, עבור גז אידיאלי

P = 1 atm.nmol = 1T = 273.15 0K Vstp = 22,4 liter = 22.4x103 cm3

קיים:

Vstp x [Gas] = NAvo

=

[Gas] = NAvo

Vstp

6x1023 atoms

22.4x 103 cm3= =2.68 x1019 atoms/cm3

לכן, עבור כל גז אידיאלי

PV = nRT


השוואה בין ריכוז פרודות עם יכולת לזירה

[Gas] =2.68 x1019 atoms/cm3

]Nd+3= [ 1.23 x1020 ions/cm3

5בסמ"ק של לייזר של מבודד מזוהם יש כמעט פי יותר יונים של מזהם מאשר אטומים בסמ"ק של גז אידיאלי בתנאים תקניים

אבל, בלייזר גזי יש תערובת של גזים, אטמ'.1 והלחץ עשוי להיות נמוך מ-

, לכן: He-Neזה המצב במקרה של הלייזר

]Gas] ~ [Nd+3/[100 - [Nd+3]/1000


He-Neלייזר

פס הלזירה

עיקרי

Neב-

nm 632.8

Heב-השאיבה

kV 2-4מנורת התפרקות עם מתח הפעלה של מנגנון עירעור

mA 5-10בזרם של

תערובת גזים אצילים הרכב

10 x ]He[ = ]Ne[

Electro-Optics\laser2005-06\Stimulated Emission Devices LASERS – Tutorial - NI Developer Zone - National Instruments.htm

mmHg of He 1לחצים

0.1 mmHg of Ne760 mmHg = 1 atm.


He-NeWilson and Hawkes, p.225מבנה של לייזר

R = 0.999Output Mirror R = 0.980

תערובת He-Ne צינור התפרקות דק

קתודה תרמיונית

נטל ballast

e-

ספקכח

חיוני לתהליך


תגובות בשפורפרת ההתפרקות

e-* + He He+ + 2e- Ionization

He+ + V He+* Ion Acceleration

e-* + He He* + e- Excitation √

e-* + He+ He* RecombinationHe* He + hPhoton Emission

e- + V e-* Electron Acceleration √

e-metal e

- + metal+ Thermionic Emission √

רק חלק מהתגובות המתרחשות בשפופרת חשובות לתהליך

e-* + He(0 eV) He(20.61 eV) + e-

e-* + He(0 eV) He(19.9 eV) + e-


העברת אנרגיה בהתנגשויות

בין אטומים בגז

+10

Ne: 1s22s2 p6

+2

He: 1s2


העברת אנרגיה בהתנגשויות בין אטומים בגז

Excitation+2

*

1

+2

2

+10+2

3

Inelastic Collision

+10+2

4


+10+2

5

+10+2

4


Helium-Neon LASER: energy levels

22

20

18

16

ener

gy (

eV)

0

collision with tube

walls

neon

atomic collisions

0.5 ms

0.1 ms

fast decay(~10ns) אורות

"נאון"

תחרות בשאיבה + חסימת פריקה

3.39μm

543nm

633nm

1.15μm

radiative decays: ~100ns)

4קווי

לזירה

p

p

שבר בציר

ground statetime

helium

Pumping


Nd:YAG LASER

0

1

3e

nerg

y (e

V)

2

ground state

1064nm

fast non-radiative

decay

0.9 m0.7 m

pumping bands

fast n.r. decay

נזכור את דיאגרמת הרמות

רמת השאיבה הגבוההeV 3ביותר לא מגיע ל-

He-Neלכן לייזר הרבה פחות יעיל

Nd:YAG מ-

He- Neנצילות אורית של לייזר

. ההספק האורי המופק ממנו הוא V = 3kV DC במתח 8mA צורך He:Neלייזר Plaser = 7 mW.חשב את היעילות האורית .

Pelec = IV = (8 x 10-3 )x (3 x103) = 24 Watt

PlaserPelec

=2.9 x10-4


CO2לייזר

מנגנוני עירעור

מנורת התפרקותסגורRF

Transversally Excited Atmospheric

גז דינמיכימי

N2ב-השאיבה

CO2ב- פסי הלזירה

10.6 m-ו m 9.6

CO2: N2:He 1:4:5 תערובת גזים הרכב

100 W in 1 m lengthהספקים:


מודל סמי-קלסי) ( אוסצילטור מולקולרי

אנרגית המערכת

Ep,classic = ½ k x2 = 22mx2

E(v) = hosc (v +

1/2) v = 0, 1, 2, 3, 4…

E

rre

E = hosc

osc =12

k

הפרש קבוע או מכפלה(הרמויות)


Laser CO2

O C O

מולקולה סימטרית

O C OSymmetrical strech: no IR absoption

(100)

סימוןאופני תנודה

O C OAntisymmetrical strech:4.256m

(001)

9.6 m

10.6 m

O C OBending, degenerate 14.986 m

)020(

http://www.forumsci.co.il/HPLC/FTIR_page.html

















רמות

)050(אנרגיה

)040(

)030(

)020(

)010(

Bending

מרחקים שווים

בין רמות הוויברציה

eV

0.4

0.3

0.2

0.1

0.0

v = 1

N2

v = 0

Asymmetric

Stretch

CO2

Meta-stable (001)

)200(

Symetric

Strech

)000(

)100(pumping

collisions

HeCollisional

Deactivations

9.6 m

)100(

10.6 m

ומעבריםMolecular Energy

TransferCollision

CO2: N2:He 1:4:5


חומרים שקופיםבעיית החומריםm 10 באורכי הגל קרובים ל-

http://www.globalopticsuk.com/germanium.htm


חומרים שקופיםבעיית החומריםm 10 באורכי הגל קרובים ל-


חומרים חשובים גם לאופטיקה של מערכות הדמיה תרמיות


CO2מבנים של לייזר

Sealed1

RF Ionization2

Transversally Excited Atmospheric3

4לייזר גז דינמי

Chemical Laser5


מבנים שונים של לייזרים

1 - Sealed

קירור לא יעיל. מתחמם. הרחבת דופלר

Power Output < 100 W

שעות10,000אורך חיים ~

2 CO2 2 CO + O2

תגובה לא רצויה

He-Neמבנה דומה לזה של הלייזר

relaxationמלבד הצינור הצר לזירוז ה-


CO2 Sealedמבנה של לייזר R = 0.999

Output Mirror R = 0.950

קתודה תרמיונית

נטל ballast

ספקכח

e-

תערובת גזים


שטח אלקטרודות גדול. היונים נוצרים במקביל בהרבה מקומות

2 - RF Ionization החדרת אנרגיהCO2 לליזר

מראהR = 0.999 מראה

R = 0.90

זרימת הגז משמשת גם לקירור

~מקור מתח

חילופין גבוה

מפתח כניסה לגז

מפתח יציאה לגז


RFיינון ע"י קיטוב מושרה ב-Induced Ionization by RF Polarization

+Zא

+V -V+Z

קיטוב

ב

ב. המולקולות עוברות קיטוב מושרה

+V -V+Zגג. מואצות לכיוון מסויים

-V +V+Zד

ד. השדה מתחלף ומשנה את כיוון התנועה


+V* -V*+Z +e-

יינוןה

יש תערובת של מולקות של גז.למולקולות של כל חומר יש:

מסה שונה• מקדם קיטוב שונה•

dV

d

לכן, המולקולות מתנגשות. יש מעבר מאנרגיה קינטית לאנרגיה וויברציונית.

הקשרים מתנדנדים עד ליינון

הינון לא חשוב לתהליך הלזירה, רק הוויברציה.


Fig 5.45 - Schematic diagram of the TEA CO2 laser. Wilson and Hawkes p.232

+

-

HighVoltage

Pin Cathodes and ballast resistors

Transversally Excited

AtmosphericCO2 Laser

Anode Bar

ההתפרקות ניצבת לקרן של הלייזר

= 10.6me- e- e-


CO2לייזר גז דינמי

ברז

התפשטות הגזTL and PLל-

CO2 at high TH and PH

In gas mixturesNozzle

M1

M2

הגז נמצא בהתפלגות המתאימה לטמפרטורות גבוהות.

כאשר הוא מתפשט ללחץ הנמוךהוא מתקרר.

בתהליך הקירור נפלטים הפוטוניםמהרמה המטה-סטבילית


Chemical Laser

O2

Noz

zle

CH4

M1 M2

2O2 + CH4 CO2* + 2H2O

נוצר מעורר. CO2ה-חלק מהאנרגיה הכימית

נשארתברמות המטסאביליות.

הבעירה שקופה, הגזים נקיים


הרוטטור הצפידm1

m2

C

r

r1 r2

מומנט אינרציה

22

21

21 rrmm

mmI

IJJh

E 2

2

8(1)

+

=

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/molecule/rotrig.html#c3 הפרשי האנרגיההולכים וגדילים

א נלמד הסמסטרל


שילוב רמות וויברציה ורוטציה

22חזרה לשקף

א נלמד הסמסטרל

lasers4 -gaseous schechner (c)1 1השוואת צפיפות פרודות בין מוצק ובין...

Documents