spis tresci´ lasery – inne oblicze...

Lasery – Inne oblicze optyki

dr inz. Ireneusz Owczarek

CMF PŁ[email protected]://cmf.p.lodz.pl/iowczarek

2013/14

Wzmocnienie swiatła poprzez wymuszona emisje promieniowania

1 dr inz. Ireneusz Owczarek Lasery – Inne oblicze optyki

Spis tresci

1 Zasada działania lasera

Wstep

Wzmacniacze kwantowe

Podstawowe procesy

O akcji laserowej

2 Zastosowanie laserów

Przykładowe lasery

Obszary zastosowan


Zasada działania lasera Wstep

Kryteria podziału laserów

Lasery mozna podzielic stosujac rózne kryteria. I tak, ze wzgledu na:

1 długosc fali emitowanej przez laser wyróznia sie lasery emitujacepromieniowanie:

ultrafioletowe,widzialne,podczerwone;

2 rodzaj osrodka, w którym nastapiło wzbudzenie promieniowanialaserowego:

lasery na ciele stałym,lasery cieczowe,gazowe,półprzewodnikowe;

3 charakter pracy lasera, wyróznia sie lasery pracujace w sposób:

ciagły,impulsowy;

4 moc uzyskanej wiazki laserowej wyróznia sie lasery:

nisko-energetyczne,srednio-energetyczne,wysokoenergetyczne.



Kryteria podziału laserów . . .

Podział laserów ze wzgledu na rodzaj osrodka 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 Nd:YAG (Y3Al5O12 – syntetyczny granat itrowo-glinowy),laser na centrach barwnych.

3 Na cieczy (cieczowe)

lasery barwnikowe – osrodkiem czynnym sa barwniki rozpuszczonew nieaktywnym osrodku przezroczystym, np. rodamina.

4 Półprzewodnikowe

złaczowe (diody laserowe),laser na materiale objetosciowym,laser na studniach kwantowych,laser na kropkach kwantowych,kwantowy laser kaskadowy.



Parametry laserów



Lasery

Najmniejsze maja rozmiar czesci

milimetra i daja swiatło o mocy ok.

200mW .

Najwieksze, uzywane do wywołania

reakcji jadrowych, moga miec moc

impulsu swietlnego do ok. 1 014W .

Zasadniczymi czesciami lasera sa:

osrodek czynny,

rezonator optyczny,

układ pompujacy.

Osrodek czynny decyduje o najwazniejszych parametrach lasera, okresla

długosc emitowanej fali, jej moc, sposób pompowania, mozliwe zastosowania

lasera.


Zasada działania lasera Wzmacniacze kwantowe

Własnosci swiatła laserowego

Swiatło laserowe jest

koherentne (spójne) w czasie i przestrzeni, tzn. wszystkie kwanty sa

przestrzennie uporzadkowane, czyli wystepuje stały zwiazek

fazowy w czasie (spójnosc czasowa) i miedzy dowolnymi

punktami przekroju poprzecznego wiazki (spójnosc

przestrzenna),

monochromatyczne – szerokosc linii widmowej nie przekracza na ogół

0, 002nm,

skolimowane (bardzo mała rozbieznoscia wiazki < 500µrad), tzn. ze

wszystkie promienie tworzace wiazke laserowa biegna

równolegle do siebie .

moc dla impulsowego lasera „skupienie” w małym punkcie

olbrzymiej gestosci energii – nawet do 1017W/cm2,

spolaryzowane i ukierunkowane.

Obserwuje sie zjawiska nieliniowe, w których optyczne własnosci osrodka

zaleza od natezenia padajacego swiatła, np. generacja drugiej harmonicznej,

samoogniskowanie sie swiatła.


Zasada działania lasera Podstawowe procesy

Rozkładem Boltzmanna – porzadek w chaosie

W stałej temperaturze ustala sie równowaga dynamiczna procesów:

liczba absorbowanych przez atomy fotonów w jednostce czasu równa

jest liczbie emitowanych fotonów;

srednia liczba wzbudzonych atomów jest stała.

Jezeli N okresla liczbe atomów w stanie podstawowym o energii E, a N1liczbe atomów wzbudzonych o energii E1, to zgodnie z rozkładem

Boltzmanna

N = N1 exp(

−

E − E1kT

)

.

Prawdopodobienstwo pojawienia sie stanów o niskich energiach jest

wieksze, niz prawdopodobienstwo o wysokich energiach.



Rozkładem Boltzmanna . . .

Jezeli N << N1, to liczba emisji jest proporcjonalna do liczby atomów

wzbudzonych.

Jezeli N > N1, to stan taki nazywa sie inwersja obsadzen (rozkład

antyboltzmannowski). Wtedy emisja wymuszona odgrywac bedzie główna

role w oddziaływaniu promieniowania z atomami.

Liczba obsadzen poziomu o energii wyzszej jest wieksza niz liczba obsadzen

poziomu o energii nizszej.



Inwersja obsadzen

Wystapienie akcji laserowej wymaga, aby w układzie zaistniała inwersja

obsadzen, tj. stan, w którym w stanie o energii wiekszej (wzbudzonym) jest

wieksza liczba czastek niz w stanie o energii nizszej (podstawowym).

W celu uzyskania inwersji obsadzen układ musi byc „pompowany”.

Pompowanie lasera odbywa sie poprzez:

błysk lampy błyskowej (flesza),

przepływ pradu (wyładowanie) w gazie,

reakcje chemiczna,

zderzenia atomów,



Emisja wymuszona

Procesy które moga zmieniac stan atomu

1 Absorpcja – pochłoniecie fotonu o odpowiedniej energii (silne pole –

wieksze prawdopodobienstwo),

2 Emisja spontaniczna – przypadkowy moment, przypadkowy kierunek,

3 Emisja wymuszona – wyzwalana przez przejscie fotonu o odpowiedniej

energii. Foton wymuszony jest identyczny jak wymuszajacy (silne pole –

wieksze prawdopodobienstwo).



Lasery


Zasada działania lasera O akcji laserowej

Rezonator i akcja laserowa


Zasada działania lasera O akcji laserowej

Rezonator . . .


Zastosowanie laserów 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,

dosc wysokie moce,

łatwosc modulacji pradem sterujacym o wysokiej czestotliwosci (GHz),

niezawodnosc pracy,

proste zasilanie,

mozliwosc uzyskania promieniowania od pasma bliskiej podczerwieni

(diody laserowe dla telekomunikacji swiatłowodowej) do skraju

fioletowego pasma widzialnego.



Lasery półprzewodnikowy . . .

1 Ciagle sa udoskonalane, obejmujace coraz szerszy zakres widma

czestosci i generujace promieniowanie nawet o znacznych mocach

stanowia prawdziwy przełom w technice laserowej,

2 Produkowane sa masowo i stosowane w wielu powszechnie uzywanych

urzadzeniach,

3 Znalazły szerokie zastosowanie jako zródło modulowanego

promieniowania w telekomunikacji swiatłowodowej.

Zastosowanie laserów w odtwarzaczach i napedach optycznych do odczytu

informacji optycznej zapisanej na płytach CD, DVD, Blu-ray.



Kropki kwantowe

Kropka kwantowa to niewielki obszar przestrzeni ograniczony w trzech

wymiarach barierami potencjału. Wewnatrz uwieziona jest czastka o długosci

fali porównywalnej z rozmiarami kropki.

Oznacza to, ze opis zachowania czastki musi byc przeprowadzony z uzyciem

mechaniki kwantowej.

Rysunek: Kropki kwantowe w bateriachsolarnych.

Rysunek: Schemat urzadzenia składajacego siez dwuwarstwowych kropek kwantowych (rysunek a) orazz mieszaniny kropek (rysunek b). Czerwone kulereprezentuja kropki kwantowe z PbS, niebieskie – kropkikwantowe zBi2Si3.


Zastosowanie laserów Obszary zastosowan

Zastosowanie laserów w medycynie

1 Korekcja wad wzroku (astygmatyzm, krótkowzrocznosci dalekowzrocznosc – wady refrakcji),

LASIK (Laser Assised In Situ Keratomileusis) – Metodamechaniczno–laserowa, inwazyjna, polegajaca na uzyciu ultrafioletowegolasera ekscimerowego XeCl (308nm), który działajac z dokładnoscia do0, 25µm odparowuje nierównosci w głebszych warstwach rogówki.PRK (Photorefractive keratectomy) – Metoda czysto laserowa,wykorzystywany jest laser ekscimerowy, który modeluje rogówke okapoprzez usuwanie jej tkanek. Prowadzi to do zmiany krzywizny rogówki,a tym samym mocy optycznej oka.



Zastosowanie laserów w medycynie . . .

2 Chirurgia mało-inwazyjna. Np. skalpel laserowy (stosowany laser CO2,laser YAG). Skupiona wiazka laserowa tnie precyzyjnie tkanke.

Stosowanie skalpela laserowego ogranicza krwawienia pooperacyjne,

poniewaz ciepło, jakie wydzielaja, zgrzewa przecinane naczynia

krwionosne.

3 Laseroterapia, biostymulacja. Wykorzystuje sie lasery

niskoenergetyczne nie przekraczajace kilkudziesieciu miliwatów.

Promienie wytwarzane przez lasery tego typu wykazuja własciwosci

lecznicze, wsród których mozna wymienic likwidowanie stanów

zapalnych, działanie przeciwbólowe, regenerujace komórki i tkanki,

usprawniajace przemiane materii.4 Stomatologia. Utwardzanie polimerowych wypełnien, ozonoterapia,

wybielanie zebów.5 Chirurgia kosmetyczna. Usuwanie tatuazy, blizn, włosów.



Zastosowanie laserów w przemysle

Laserowe ciecie (laser CO2). Wykorzystywana jest metoda termicznegooddzielania materiału poprzez:

sublimacje,topienie,wypalanie.

Cecha ciecia laserowego jest punktowe wprowadzenie energii

i wysokoenergetyczny strumien tnacy.

Znakowanie laserowe (grawerowanie).

Spawanie laserowe. Polega na stapianiu obszaru styku łaczonych

przedmiotów ciepłem otrzymanym w wyniku doprowadzenia do tego

obszaru skoncentrowanej wiazki swiatła koherentnego, o bardzo duzej

gestosci mocy, od 102 do 1 011W/mm2.



Zastosowania militarne

Wskazniki celu.

Oswietlacze.

Urzadzenia lokacji – to laserowe odpowiedniki stacji radiolokacyjnych,

słuzace do ustalenia odległosci, połozenia katowego celu i szybkosci

przemieszczania sie celu.

Dalmierze, celowniki laserowe, bron laserowa.



Inne zastosowania

Zastosowania uzytkowe:

Drukarka laserowa.

Gromadzenie informacji, danych – płyty CD, DVD, Blu-ray.

Czytniki kodów paskowych.

Urzadzenia geodezyjne (poziomice laserowe).

Poligrafia.

Sprzet komputerowy (mysz optyczna o duzej rozdzielczosci, nagrywarki

CD/DVD, Blu-ray).

Zastosowania naukowe:

Osadzanie materiałów w postaci struktur wielowarstwowych.

Precyzyjna mikro-obróbka – np: drazarki laserowe.

Wytwarzanie układów elektronicznych (np: technika grubowarstwowa –

laserowe kalibrowanie parametrów podzespołów).

Mikroskopia, nanotechnologia.



Literatura podstawowa

Kania S.

Wykłady z fizyki cz. 1 i 2.

Wydawnictwo PŁ, Łódz 2012.

Halliday D., Resnick R, Walker J.

Podstawy Fizyki t. 1-5.

PWN, Warszawa 2005.

Orear J.

Fizyka t. I i II.

WNT, Warszawa 1994.

Sawieliew I. W.

Wykłady z fizyki t. I-III.

PWN, Warszawa 1994.

Strona internetowa prowadzona przez CMF PŁ

http://cmf.p.lodz.pl/efizyka

e-Fizyka. Podstawy fizyki.

Kakol Z. Zukrowski J.

http://home.agh.edu.pl/˜kakol/wyklady_pl.htm

Wykłady z fizyki.


spis tresci´ lasery – inne oblicze...

Documents