Rola emisji wymuszonej Rozwój akcji laserowej we wnęce laserowej Cechy światła laserowego

Rola emisji wymuszonejRozwj akcji laserowej we wnce laserowejCechy wiata laserowegoPodstawy fizyczne dziaania laserw: Inwersja obsadzeWybr orodka aktywnegoPrzegld podstawowych typw laserw

LaserLight Amplification by Stimulated Emission of Radiation5. Lasery

poprzedni wykad: Widmo elektromagnetyczne i promieniowanie ciaa doskonale czarnegoRzdy wielkoci energii przej elektronowych i rotacyjno-wibracyjnych w atomach i czsteczkachBoltzmannowski rozkad obsadzeEmisja spontanicznaAbsorpcja, widma absorpcyjne wiato owietlajce ZiemiPromieniowanie ciaa doskonale czarnego, rozkad PlanckaPromieniowanie reliktowe Emisja wymuszonaEinsteinowskie wsplczynnikiWidmo elektromagnetyczneProces widzenia u czowieka i zwierzt Zadania

Einstein pokaza, e prcz emisji spontanicznej i absorpcji istnieje rwnie emisja wymuszona.

A21, B12 i B21 i opisuj prawdopodobiestwa przej midzy dwoma stanami w jednostce czasu w wyniku:

emisji wymuszonej: B21I

absorpcji: B12I

emisji sponatnicznej: A21

Relacje Einsteina:

g1 i g2 degeneracje stanw 1 i 2

Emisja wymuszona: zjawisko lece u podstaw dziaania laserwWspczynniki Einsteina:

Einstein rozwaa (1917r.) prdko przej midzy stanami energetycznymi (np. stanw 1 i 2) atomw w rwnowadze ze wiatem o irradiencji (nateniu) I:

prdko emisji spontanicznej: dN2/dt = A21 N2

prdko absorpcji: dN1/dt = B12 N1 I

prdko emisji wymuszonej: dN2/dt = B21 N2 I

B12 N1 I = A21 N2 + B21 N2 II sabeEmisj wymuszon mona zaniedba!!!Wspczynniki Einsteina By mogo doj do rwnowagi termodynamicznej w obecnoci pochanianych i emitowanych fotonw: rwne prawdopodobiestwaalerne prdkoci!

B12 N1 I = A21 N2 + B21 N2 II sabeEmisj wymuszon mona zaniedba!!!O emisji wymuszonejPrawdopodobiestwa emisji wymuszonej i spontanicznej s rwne w:T = 33 500 K !!!

W temperaturze pokojowej: ~`10-35W T = 3000 K (arwka): ~ 10-4

Rola emisji wymuszonejRozwj akcji laserowej we wnce laserowejCechy wiata laserowegoPodstawy fizyczne dziaania laserw: Inwersja obsadzeWybr orodka aktywnegoPrzegld podstawowych typw laserw

LaserLight Amplification by Stimulated Emission of Radiation Lasery

Lasery

LaseryLaserLight Amplification by Stimulated Emission of Radiation

LASER* * Light Amplification by Stimulated Emission of RadiationDziaanie lasera bazuje na dwch zjawiskach: inwersji obsadze i emisji wymuszonej.

LASER* wzbudzony

LASER*Unikalne waciwoci wiata laserowego: maa szeroko linii emisyjnej (dua moc w emisyjnym obszarze widma)mona uzyska wizk: spolaryzowan, spjn w czasie i przestrzeni o bardzo maej rozbienociW laserach impulsowych mona uzyska bardzo du moc w impulsie oraz szybkie narastanie impulsu.

LASERy*Dziaanie lasera bazuje na dwch zjawiskach: inwersji obsadze i emisji wymuszonej. Unikalne waciwoci wiata laserowego: maa szeroko linii emisyjnej (dua moc w emisyjnym obszarze widma)atwo uzyska wizk: spolaryzowan, spjn w czasie i przestrzeni o bardzo maej rozbienoci

Rola emisji wymuszonej we wnce laserowej Orodek o wielu atomach wzbudzonych

Jeden foton emisji spontanicznej moe wywoa lawin fotonw: pocztek akcji laserowej.Proces ten jest podstaw dziaania laserw.

promieniowanie ma t sam czstotliwo co promieniowanie wymuszajce promieniowanie ma ten sam kierunek co promieniowanie wymuszajce (fotony emisji spontanicznej emitowane s w przypadkowych kierunkach!!!)promieniowanie ma t sam faz co promieniowanie wymuszajce

Cechy wiata generowanego w procesie emisji wymuszonej we wnce laserowej Wzmacniacz kwantowy

Wnka laserowa- rezonator optyczny dla wybranych czstotliwoci i kierunku (wielokrotne odbicie fal) zamknita jest zwierciadami, jedno z nich jest czciowo przepuszczalne. (dodatnia ptla sprzenia zwrotnego)Wzmacniacz laserowy zamienia si w generator, gdy orodek wzmacniajcy zostanie umieszczony w rezonatorze.

Wnka laserowaEmitowana wizka jest rwnolega do osi wnki (fale, ktre nie wdruj tam i z powrotem midzy zwierciadami, szybko uciekaj na boki bez wzmocnienia).

Tylko te fotony dla ktrych ukad optyczny jest rezonatorem (czsto i kierunek), mog wielokrotnie przebiec przez orodek czynny wywoujc emisj kolejnych fotonw spjnych z nimi; pozostae fotony nie uczestnicz w akcji laserowej (straty). - rezonator optyczny dla wybranych czstotliwoci i kierunku (wielokrotne odbicie fal) zamknita jest zwierciadami, jedno z nich jest czciowo przepuszczalne. Wnka laserowa zapewnia olbrzymi gsto mocy: (w oszacowaniach prawdopodobiestwo emisji spontanicznej mona zaniedba)!

Wnka laserowa(dodatnia ptla sprzenia zwrotnego)Wybrane czstotliwoci(dugoci fal):

Wnka laserowaZmiana dugoci fali przez zmian dugoci drogi optycznej we wnce

Wnka laserowa

Wnka laserowa(poprzeczne)

Ukad laseruje, gdy fala wietlna o danej dugoci fali zyskuje na nateniu, to znaczy, gdy w obiegu: Z obiegiem wiata we wnce zwizane s straty w nateniu (absorpcja, rozpraszanie, odbicia). Aby moga zaj akcja laserowa, wzmocnienie promieniowania w obszarze czynnym musi co najmniej rwnoway straty:

wzmocnienie straty

Rwno: wzmocnienie= straty okrela prg akcji laserowej Wnka laserowa

Ukad laseruje, gdy fala wietlna o danej dugoci fali zyskuje na nateniu, to znaczy, gdy w obiegu: Z obiegiem wiata we wnce zwizane s straty w nateniu (absorpcja, rozpraszanie, odbicia). Aby moga zaj akcja laserowa, wzmocnienie promieniowania w obszarze czynnym musi co najmniej rwnoway straty:

wzmocnienie straty

Rwno: wzmocnienie= straty okrela prg akcji laserowej. Wnka laserowa

W zalenoci od rnicy N2 < N1 nastpi wykadniczy wzrost lub spadek irradiancji. W rwnowadze termodynamicznej, zgodnie z rozkadem Boltzmana: N2 < N1. Ale jeli N2 > N1 (inwersja obsadze), ma miejsce wzmocnienie. Akcja laserowa: warunki Zaniedbujc emisj spontaniczn, zmiana gstoci fotonw :

[Emisja wymuszona minus absorpcja]Rozwizaniem jest:Wspczynnik wzmocnienia:

Akcja laserowa: warunki Akcj laserow mona otrzyma tylko wtedy, jeeli w orodku czynnym (kosztem energii wpompowanej w ukad) wytworzymy stan inwersji obsadze, czyli jeli N2 > N1 . Wspczynnik wzmocnienia:Aby uzyska inwersj, trzeba waciwie wybra orodek aktywny.

Aby osign wspczynnik wzmocnienia G > 1, czyli:

emisja wymuszona musi przewysza absorpcj, Trzeba wytworzy stan nierwnowagowy. Inwersja obsadze:N2 > N1EnergiaRwnowagowe obsadzenia stanw czsteczkowych:

niska T wysoka T Stan nierwnowagowyujemna temperatura !

Inwersja obsadze;pompowanie orodka aktywnego Inwersj wytworzy mona kosztem energii wpompowanej w ukad w wyniku owietlenia wiatem (pompowanie optyczne): innym laserem, lamp byskow, I - intensywno lampy byskowej (uytej do wpompowania energii w orodek aktywny) I wyadowaniem prdu w gazach, reakcjami chemicznymi albo wykorzystujc rekombinacj w pprzewodnikach.

Inwersja obsadze;pompowanie orodka aktywnego Inwersj wytworzy mona kosztem energii wpompowanej w ukad w wyniku owietlenia wiatem (pompowanie optyczne): innym laserem, lamp byskow, I wyadowaniem prdu w gazach, reakcjami chemicznymi albo wykorzystujc rekombinacj w pprzewodnikach.

Jakie warunki musz by spenione, by osign inwersj obsadze, N2 > N1?

Inwersja obsadze: poszukiwanie orodka aktywnegoRwnania bilansu obsadze dla ukadu dwupoziomowego: AbsorpcjaEmisja wymuszona Emisja spontaniczna N - cakowita liczba czsteczekNatenie pompy

Rwnania bilansu obsadze dla ukadu dwupoziomowego: AbsorpcjaEmisja wymuszona Emisja spontaniczna N - cakowita liczba czsteczekNatenie pompy Inwersja obsadze: poszukiwanie orodka aktywnego

W warunkach stacjonarnych: DN jest zawsze dodatnie, niezalenie od tego, jak due jest I ! Inwersja w ukadzie dwupoziomowym nie jest moliwa! Dlaczego w ukadzie dwupoziomowym inwersja nie jest moliwa:

W warunkach stacjonarnych: DN = N1-N2 jest zawsze dodatnie, niezalenie od tego, jak due jest I ! Inwersja w ukadzie dwupoziomowym nie jest moliwa! Dlaczego w ukadzie dwupoziomowym inwersja nie jest moliwa:

Inwersja obsadze w ukadzie trjpoziomowym Pompujemy poziom 3, ktry szybko zanika do metastabilnego (dugoyciowego) poziomu 2. Rwnania bilansu obsadze:AbsorpcjaEmisja spontanicznapoziom krtkoyciowypoziom dugoyciowy

Pompujemy poziom 3, ktry szybko zanika do metastabilnego (dugoyciowego) poziomu 2. Rwnania bilansu obsadze:AbsorpcjaEmisja spontanicznaN - cakowita liczba czsteczekPoziom 3 jest krtkoyciowy, moemy zaniedba jego obsadzenie.Inwersja obsadze w ukadzie trjpoziomowym

Dlaczego w ukadzie trjpoziomowym inwersja jest moliwa:W stanie stacjonarnym:gdzie:Teraz jeli I > Isat, DN jest ujemne! Inwersja jest moliwa.Isat natenie nasycenia.

W stanie stacjonarnym:gdzie:Teraz jeli I > Isat, DN = N1-N2 jest ujemne! Inwersja jest moliwa.Isat natenie nasycenia.Dlaczego w ukadzie trjpoziomowym inwersja jest moliwa:

Inwersja obsadze w ukadzie czteropoziomowym Zamy teraz, e poziom1 te szybko zanika do poziomu 0.Z rwnania bilansu obsadze w stanie stacjonarnym w wyniku rozumowania analogicznego do poprzedniego:N - cakowita liczba czsteczekTeraz DN jest ujemne - zawsze !

Pierwszy laser:Laser rubinowy, uruchomiony w 1960r (dopiero!)w Hughes Research Laboratories, Malibu, California

W laserze Maimana laser orodkiem czynnym by syntetyczny kryszta rubinu wyhodowany przez Ralpha L. Hutchesona. Patent zosta jednak przyznany Gordonowi Gouldowi.

Maiman za prace nad laserem by dwukrotnie nominowany do nagrody Nobla.

Laser rubinowy(jony Cr+ w krysztale Al2O3) Pierwszy laser, skonstruowany przez Theodora a Maimana z Hughes Research Labs w 1960r.

Laser impulsowy pracujcy w schemacie trjpoziomowym. Jest pompowany optycznie lamp ksenonow przez boczne powierzchnie walca z rubinu.

Inwersja obsadze: podsumowanie Ukad dwupoziomowyCo najwyej rwne obsadzenia. Brak laserowania. Ukad czteropoziomowyLaserowanie atwo osigalne!Ukad trjpoziomowyFast decay

Inwersja obsadze Ukad dwupoziomowyFizykom zajo troch czasu by zauway, e ukad czteropoziomowy jest najkorzystniejszy.Ukad czteropoziomowyUkad trjpoziomowyFast decay

Laserowanie:inwersja obsadzeB21 > A21konieczne due rezonator emisja wymuszona > em. spontanicznaPodsumowanie: faz kierunku czstociEmisja wymuszonaspjno, kolimacja, monochromatycznozgodno:

Podsumowanie: rozwj akcji laserowejSekwencja wydarze:

Pompowanie, inwersja obsadze

Emisja spontaniczna

4. Zwierciado zawraca do wnki fotony przyosiowe (kolimacja)

5. Zmiana fazy fali na zwierciadle (wze)

6. Narastanie lawiny fotonw emisji wymuszonej

7. Zwierciado wyjciowe zawraca cz promieniowania do wzmacniacza (dalsza kolimacja)

7. Zmiana faza fali na zwierciadle,

8. Przekroczenie progu AKCJA LASEROWA

Wielorakie konstrukcje:Rnorodne zastosowaniaLasery

Zastosowania laserw: 1. Spjno holografia medycyna przemys militarne,4. Intensywno pyty CD, DVD, telekomunikacja (wiatowody)3. Kolimacja spektroskopia, dalmierze (np. pomiar odl. Ziemia Ksiyc),2. Monochromatyczno spektroskopia, fizyka, medycyna, fotochemia

Klasyfikacja laserw w zalenoci od orodka czynnego

* Lasery gazowe: helowo-neonowy (543 nm lub 633 nm) argonowy (458 nm, 488 nm lub 514,5 nm) azotowy (308 nm) kryptonowy (jonowy 647nm, 676 nm) na dwutlenku wgla (10.6 m) na tlenku wgla

* Lasery na ciele staym rubinowy (694,3 nm) neodymowy na szkle neodymowy na YAG-u (Nd:YAG) erbowy na YAG-u (Er:YAG) (1645 nm) tulowy na YAG-u (Tm:YAG) (2015 nm) holmowy na YAG-u (Ho:YAG) (2090 nm) tytanowy na szafirze (Ti:szafir) na centrach barwnych

* Lasery na cieczy (barwnikowe) * Lasery pprzewodnikowe (diody laserowe)

Laser helowo-neonowyAtomy He wzbudzone s przez rozpdzone elektrony (wyadowanie elektryczne). Wzbudzone atomy He w zderzeniach przekazuj energi atomom Ne. pierwszy dziaajcy laser gazowy (1960r., Laboratorium Bella ) = 632,8 nm

Laser na dwutlenku wgla, CO2 Gazowy laser molekularny, w ktrym orodkiem czynnym jest mieszanina dwutlenku wgla, azotu, wodoru i helu. Emituje fal w zakresie podczerwieni, gwne linie widmowe znajduj si w zakresie dugoci fal 9.4 m i 10.6 m. Emitowana moc dochodzi do 100 kW przy pracy cigej i 1013 W przy pracy impulsowej. Laser na CO2 pracuje analogicznie do lasera He-Ne: pompowana jest czsteczka N2 , ktra przekazuje energi do CO2.Akcja laserowa zachodzi dla wielu linii rotacyjnych przej oscylacyjnych czsteczki CO2

Laser na dwutlenku wgla, CO2 Gazowy laser molekularny, w ktrym orodkiem czynnym jest mieszanina dwutlenku wgla, azotu, wodoru i helu. Emituje fal w zakresie podczerwieni, gwne linie widmowe znajduj si w zakresie dugoci fal 9.4 m i 10.6 m. Emitowana moc dochodzi do 100 kW przy pracy cigej i 1013 W przy pracy impulsowej. Zastosowania: * obrbka materiaw (cicie i spawanie) * LIDAR * chirurgia * kosmetyka - usuwanie brodawek, tatuay i blizn * badania naukowe

Jonowy laser argonowy, Ar+Linie lasera argonowego: Dugo faliMoc wzgldna Moc 454.6 nm .03 .8 W 457.9 nm .06 1.5 W 465.8 nm .03 .8 W 472.7 nm .05 1.3 W 476.5 nm .12 3.0 W 488.0 nm .32 8.0 W 496.5 nm .12 3.0 W 501.7 nm .07 1.8 W 514.5 nm .40 10.0 W 528.7 nm.07 1.8 WLaser o pracy cigej.Wyadowanie w plazmie pozwala uzyska wzmocnienie dla ponad 15 przej.

S0: Podstawowy stan elektronowy S1: 1szy wzbudzony stan elektronowy Przejcie laseroweLasery barwnikowe pracuj w schemacie czteropoziomowym. PompowanieSubstancj czynn jest przepywajca, laminarna struga roztworu zawierajcego barwnik organiczny, np. rodamin. Barwnik jest pompowany optycznie laserem argonowym, kryptonowym lub neodymowym.Lasery barwnikowe

Lasery barwnikowe Substancj czynn jest przepywajca, laminarna struga roztworu zawierajcego barwnik organiczny, np. rodamin. Barwnik jest pompowany optycznie laserem argonowym, kryptonowym lub neodymowym. Laser barwnikowy na Rodaminie 6G (barwnik pomaraczowy), emisja na 580 nm (ty). Roztwr barwnika pompowany jest wiatem lasera argonowego (514 nm, niebieski).

Lasery barwnikowe Odpowiedni dobr barwnikw umoliwia strojenie dugoci fali od bliskiej podczerwieni, przez zakres widzialny do bliskiego ultrafioletu (spektroskopia).

Lasery diodoweRezonatorem jest kryszta pprzewodnika. Najczciej laser pprzewodnikowy ma posta zcza p-n. Obszar czynny jest pompowany przez przepywajcy przez zcze prd elektryczny.

Lasery diodoweRezonatorem jest kryszta pprzewodnika. Najczciej laser pprzewodnikowy ma posta zcza p-n. Obszar czynny jest pompowany przez przepywajcy przez zcze prd elektryczny.Ze wzgldu na niewielkie rozmiary, niskie koszty produkcji, oraz wysok wydajno, lasery pprzewodnikowe s dzisiaj najczciej wykorzystywanym rodzajem laserw. Znajduj zastosowanie midzy innymi w napdach CD, DVD, wskanikach laserowych, cznoci wiatowodowej.Drukarka laserowa

Pyta kompaktowaWgbienie: ~ 125 nm gbokoci przy 500 nm szerokoci, za jego dugo: od 850 nm do 3.5 mStandardowa pyta CD mieci 74 minuty muzyki, co odpowiada 650 MB danych.

Pyta kompaktowaCiekawostki:Dugo cieki zapisanej na pycie CD wynosi okoo 50 kilometrw.rednica pyty CD (12cm), ktra pozwala na nagranie 74 minut dwiku, zostaa dobrana tak, aby zmiecia si na niej caa IX Symfonia Ludwiga van Beethovena.Od czasu wprowadzenia pyt CD, na caym wiecie sprzedano ponad 200 miliardw egzemplarzy tego nonika. Wystarczajco duo, aby pyty uoone jedna na drugiej opasay Ziemi sze razy.

Wgbienie: ~ 125 nm gbokoci przy 500 nm szerokoci, za jego dugo: od 850 nm do 3.5 mStandardowa pyta CD mieci 74 minuty muzyki, co odpowiada 650 MB danych.

Drukarka laserowaZasada druku: W wikszoci drukarek wykorzystywana jest "klasyczna" technika druku, polegajca na polaryzowaniu za pomoc promienia laserowego odpowiedniego miejsca na powierzchni wstpnie naelektryzowanego wiatoczuego bbna pokrytego warstw OPC (organic photoconducting cartridge) lub krzemu amorficznego.

rdem wiata jest zazwyczaj dioda laserowa emitujca wiato przerywane w taki sposb, aby nioso informacj odpowiadajc kolejnym bitom danych do wydruku.

Przez soczewk wiato kierowane jest na wieloktne obrotowe zwierciado. Dziki obrotom lustra poszczeglne byski odbijane s pod rnymi ktami i trafiaj w kolejne punkty danej linii obrazu tworzonego na bbnie.

Drukarka laserowaZasada druku:

Powierzchnia bbna musi by naadowana. Dlatego przykada si wysokie napicie do specjalnych szczotek. W ten sposb powstaje pole jonizujce, obejmujce jego ruchom cz. Powierzchnia bbna jest omiatana wiatem lasera lub wiatem pochodzcym z zestawu diod LED, modulowanym na podstawie obrazu strony przechowywanego w pamici drukarki. W efekcie nawietlone fragmenty bbna drukujcego zmieniaj swoje waciwoci elektryczne, otrzymujc adunek dodatni.

Przykady jeszcze innych zastosowa:Lasery gazowe wytwarzajce ultrafiolet o moliwie jak najmniejszej dugoci fali uywane do produkcji pprzewodnikowych ukadw scalonych: F2 (157 nm) ArF (193 nm) KrCl (222 nm) XeCl (308 nm) XeF (351 nm) Lasery uywane w stomatologii i dermatologii w tym do usuwania tatuay, znamion oraz wosw: rubinowy (694 nm) aleksandrytowy (755 nm) pulsacyjna matryca diodowa (810 nm) Nd:YAG (1064) Ho:YAG (2090 nm) Er:YAG (2940 nm) Pprzewodnikowe diody laserowe: maej mocy - uywane we wskanikach laserowych, drukarkach laserowych, CD/DVD duej mocy - uywane w przemyle do cicia i spawania, wystpuj o mocach do 10 kW

Przykady jeszcze innych zastosowa:

Szkodliwe skutki oddziaywania promieniowania laserowego

Przykady rodzimych zastosowa naukowych: Rnorodne techniki spektroskopowe Badania materii przy pomocy wiata rozproszonego Badania LIDARowe Chodzenie atomw(cinienie wiata siy optyczne - chodzenie i puapkowanie) Zjawiska nieliniowe Kondensaty Bosego-Einsteina Kryptografia kwantowa

Przykady rodzimych zastosowa naukowych:Spuapkowana kropla ze sferycznymi inkluzjami

Zmiana promienia kropli w wyniku parowania (teoria rozpraszania Mie)

Przykady rodzimych zastosowa naukowych: Rnorodne techniki spektroskopowe Badania materii przy pomocy wiata rozproszonego Badania LIDARowe (Light Detection And Ranging) Chodzenie atomw(cinienie wiata siy optyczne - chodzenie i puapkowanie) Zjawiska nieliniowe Kondensaty Bosego-Einsteina Kryptografia kwantowa

Schemat blokowy lidaru zbudowanego w IF UW

Polski biegun zimna(40 mikrokelwinw=0,00004 kelwina = -273,1599 0C) IFUJ, Krakw, & IF UMK, Toru

Przykady rodzimych zastosowa naukowych: Rnorodne techniki spektroskopowe Badania materii przy pomocy wiata rozproszonego Badania LIDARowe Chodzenie atomw(cinienie wiata siy optyczne - chodzenie i puapkowanie) Zjawiska nieliniowe Kondensaty Bosego-Einsteina Kryptografia kwantowa

Bal Fizykw, Politechnika Warszawska, 2005

Dzikuj za uwag

***A. Einstein rozumowa: jeeli oddziaywanie atomu z fotonem wywouje pochonicie fotonu z prawdopodobiestwem zalenym od iloci fotonw o odpowiedniej energii (nateniu owietlania), za emisja wystpuje czysto swobodnie, z prawdopodobiestwem zalenym wycznie od wielkoci charakteryzujcych wzbudzony poziom energetyczny, to atom wzbudzony musi emitowa foton w wyniku oddziaywania z fotonem, z prawdopodobiestwem zalenym od iloci odpowiednich fotonw, by mogo doj do rwnowagi termodynamicznej midzy pochanianiem i emitowaniem fotonw.Emisja wymuszona jest zjawiskiem odwrotnym do pochaniania fotonw przez atomy (czsteczki). Prawdopodobiestwo pochonicia fotonu przez atom w stanie o mniejszej energii jest takie samo jak prawdopodobiestwo emisji wymuszonej atomu wzbudzonego, dlatego o wielkoci emisji/pochaniania orodka decyduje rnica liczby atomw w stanie wzbudzonym i podstawowym.

*Jak pamitamy, oddziaywanie wiata z materi mona wyjani za pomoc trzech zjawisk: pochanianie fotonw (absorpcja), emisji spontanicznej oraz emisji wymuszonej fotonu. http://technologialaserowa.republika.pl/Podstawy.pdf*http://iftia9.univ.gda.pl/~sjk/QM/Nm21.pdf (text), patrz te Haken, str.79Emisja wymuszona jest zjawiskiem odwrotnym do pochaniania fotonw przez atomy (czsteczki). Prawdopodobiestwo pochonicia fotonu przez atom w stanie o mniejszej energii jest takie samo jak prawdopodobiestwo emisji wymuszonej atomu wzbudzonego, dlatego o wielkoci emisji/pochaniania orodka decyduje rnica liczby atomw w stanie wzbudzonym i podstawowym.*http://iftia9.univ.gda.pl/~sjk/QM/Nm21.pdf (text), patrz te Haken, str.79***Ale lasery mog rwnie suzy do bardzo wielu innych rzeczy*Lasery rni si te konstrukcj, (wielkoci) i innymi prametrami, o ktrych bdziemy mwi na dzisiejszym wykadzie. Ich rnorodno wie si z wielorakoci celw, do jakich zostay skonstruowane.*nazwa utworzona jako akronim od Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation - wzmocnienie wiata poprzez wymuszon emisj promieniowania. Laser jest generatorem wiata. Dziaanie lasera bazuje na dwch zjawiskach: inwersji obsadze i emisji wymuszonej. Otrzymywane wiato ma charakterystyczne waciwoci, trudne lub wrcz niemoliwe do osignicia w innych typach rde wiata, ma szeroko linii emisyjnej, co jest rwnowane bardzo duej mocy w wybranym obszarze widma. W laserach atwo uzyska wizk spolaryzowan, spjn w czasie i przestrzeni oraz o bardzo maej rozbienoci. W laserach impulsowych mona uzyska bardzo du moc w impulsie oraz szybkie narastanie impulsu. Thus, a beam generated by a small laboratory laser such as a helium-neon laser spreads to about 1.6 kilometers (1 mile) diameter if shone from the Earth to the Moon. By comparison, the output of a typical semiconductor laser, due to its small diameter, diverges almost as soon as it leaves the aperture, at an angle of anything up to 50. However, such a divergent beam can be transformed into a collimated beam by means of a lens. In contrast, the light from non-laser light sources cannot be collimated by optics as well or much. *http://www.imio.pw.edu.pl/wwwzo/materialy/zla/Wyklad_LaseryPodstawyFizyczne.pdf*wiato lasera ma charakterystyczne waciwoci, trudne lub wrcz niemoliwe do osignicia w innych typach rde wiata, ma szeroko linii emisyjnej, co jest rwnowane bardzo duej mocy w wybranym obszarze widma. W laserach atwo uzyska wizk spolaryzowan, spjn w czasie i przestrzeni oraz o bardzo maej rozbienoci. W laserach impulsowych mona uzyska bardzo du moc w impulsie oraz szybkie narastanie impulsu. Zasadniczymi czciami lasera s: orodek czynny, rezonator optyczny, ukad pompujcy. Ukad pompujcy dostarcza energii do orodka czynnego, w orodku czynnym w odpowiednich warunkach zachodzi akcja laserowa, czyli kwantowe wzmacnianie (powielanie) fotonw, a ukad optyczny umoliwia wybranie odpowiednich fotonw. Thus, a beam generated by a small laboratory laser such as a helium-neon laser spreads to about 1.6 kilometers (1 mile) diameter if shone from the Earth to the Moon. By comparison, the output of a typical semiconductor laser, due to its small diameter, diverges almost as soon as it leaves the aperture, at an angle of anything up to 50. However, such a divergent beam can be transformed into a collimated beam by means of a lens. In contrast, the light from non-laser light sources cannot be collimated by optics as well or much. **Zjawisko emisji wymuszonej zostao przewidziane przez Alberta Einsteina, ktry zauway, e bez tego zjawiska nie mogoby doj do rwnowagi midzy pochanianiem i emisj ciaa owietlonego przez inne ciao. **Wzmacniacz laserowy zamienia si w generator, gdy orodek wzmacniajcy zostanie umieszczony w rezonatorze. Wwczas promieniowanie wprowadzone wzdu osi rezonatora odbija si od zwierciada umieszczonego na jednym kocu rezonatora oraz od pprzeroczystego zwierciada na drugim kocu. Pomidzy zwierciadami fale s wzmacniane wskutek emisji wymuszonej. Promieniowanie wychodzi z rezonatora przez pprzeroczyste zwierciado w postaci spjnej, monochromatycznej, rwnolegej wizki wiata o duej mocy. Emitowana wizka jest mao rozbiena i rwnolega do osi wnki, bowiem fale, ktre nie wdruj tam i z powrotem midzy zwierciadami, szybko uciekaj na boki orodka drgajcego bez wzmocnienia. Wnka laserowa wprowadza sprzenie zwrotnego dla wybranych czstotliwoci, dziki czemu laser generuje wiato tylko o wybranym, wskim przedziale czstotliwoci. Ukad optyczny skadaj si zazwyczaj z dwch zwierciade z czego przynajmniej jedno jest czciowo przepuszczalne, dokadnie wykonane i odpowiednio ustawione zwierciada stanowi rezonator dla wybranej czstotliwoci fali i okrelonego kierunku ruchu, tylko te fotony dla ktrych ukad optyczny jest rezonatorem wielokrotnie przebiegaj przez orodek czynny wywoujc emisj kolejnych fotonw spjnych z nimi, pozostae fotony zanikaj w orodku czynnym lub ukadzie optycznym. *Wzmacniacz laserowy zamienia si w generator, gdy orodek wzmacniajcy zostanie umieszczony w rezonatorze. Wwczas promieniowanie wprowadzone wzdu osi rezonatora odbija si od zwierciada umieszczonego na jednym kocu rezonatora oraz od pprzeroczystego zwierciada na drugim kocu. Pomidzy zwierciadami fale s wzmacniane wskutek emisji wymuszonej. Promieniowanie wychodzi z rezonatora przez pprzeroczyste zwierciado w postaci spjnej, monochromatycznej, rwnolegej wizki wiata o duej mocy. Emitowana wizka jest mao rozbiena i rwnolega do osi wnki, bowiem fale, ktre nie wdruj tam i z powrotem midzy zwierciadami, szybko uciekaj na boki orodka drgajcego bez wzmocnienia. Wnka laserowa wprowadza sprzenie zwrotnego dla wybranych czstotliwoci, dziki czemu laser generuje wiato tylko o wybranym, wskim przedziale czstotliwoci. Ukad optyczny skadaj si zazwyczaj z dwch zwierciade z czego przynajmniej jedno jest czciowo przepuszczalne, dokadnie wykonane i odpowiednio ustawione zwierciada stanowi rezonator dla wybranej czstotliwoci fali i okrelonego kierunku ruchu, tylko te fotony dla ktrych ukad optyczny jest rezonatorem wielokrotnie przebiegaj przez orodek czynny wywoujc emisj kolejnych fotonw spjnych z nimi, pozostae fotony zanikaj w orodku czynnym lub ukadzie optycznym. *http://www.imio.pw.edu.pl/wwwzo/materialy/zla/Wyklad_LaseryPodstawyFizyczne.pdf**http://www.imio.pw.edu.pl/wwwzo/materialy/zla/Wyklad_LaseryPodstawyFizyczne.pdf*http://www.imio.pw.edu.pl/wwwzo/materialy/zla/Wyklad_LaseryPodstawyFizyczne.pdf*Aby moga zaj akcja laserowa, wzmocnienie promieniowania w obszarze czynnym musi co najmniej rwnoway straty promieniowania wewntrz rezonatora (rozpraszanie, straty dyfrakcyjne) oraz emisj czci promieniowania na zewntrz rezonatora (np. przez czciowo przepuszczalne lustro wyjciowe). *Aby moga zaj akcja laserowa, wzmocnienie promieniowania w obszarze czynnym musi co najmniej rwnoway straty promieniowania wewntrz rezonatora (rozpraszanie, straty dyfrakcyjne) oraz emisj czci promieniowania na zewntrz rezonatora (np. przez czciowo przepuszczalne lustro wyjciowe). *Aby moga zaj akcja laserowa, wzmocnienie promieniowania w obszarze czynnym musi co najmniej rwnoway straty promieniowania wewntrz rezonatora (rozpraszanie, straty dyfrakcyjne) oraz emisj czci promieniowania na zewntrz rezonatora (np. przez czciowo przepuszczalne lustro wyjciowe). ***** *********Filmik jest zrobiony dla przejcia bezpromienistego, a rachunek dla emisji spontanicznej*http://www.fizyka.net.pl/index.html?menu_file=aktualnosci%2Fm_aktualnosci.html&former_url=http%3A%2F%2Fwww.fizyka.net.pl%2Faktualnosci%2Faktualnosci_t.html*http://www.fizyka.net.pl/index.html?menu_file=aktualnosci%2Fm_aktualnosci.html&former_url=http%3A%2F%2Fwww.fizyka.net.pl%2Faktualnosci%2Faktualnosci_t.html***Laser rubinowy - laser na ciele staym, ktrego obszarem czynnym jest rubin. Emitowana dugo fali jest rwna 694,3 nm. Laser ten pracuje w trybie impulsowym.Laser rubinowy by pierwszym dziaajcym typem lasera. Zosta skonstruowany przez Theodore'a Maimana w 1960.****Pompowanie energii: lamba byskowa laser rubinowy), inny laser (w osrodkach aktywnych, ktrymi s barwniki), wyadowanie elektryczne (laser He-Ne), przyoone napiecie (lasery diodowe)***Uytkownicy laserw musz je bardzo starannie dobiera do swoich potrzeb, poniewa kady emituje wiato o jednej tylko szczeglnej dugoci fali i okrelonym zakresie mocy, przystosowanym do danego zadania. Chocia istniej setki rnych laserw, to nie ma lasera uniwersalnego. *Laser helowo-neonowy (He-Ne) - laser gazowy o dziaaniu cigym. Substancj robocz wewntrz rury prniowej jest mieszanina neonu pod cinieniem 0,1 mm Hg i helu pod cinieniem 1 mm Hg (cinienia s identyczne, poniewa oba gazy s wymieszane, ale ich stosunek wynosi ok. 1:10). Hel wzbudzany jest do wyszego stanu przez elektrony wytwatzane przez wyadowanie elektryczne za pomoc odpowiednich elektrod. W wyniku zderze z helem atomy neonu wzbudzane s na poziom typu 3, co umoliwia zainicjowanie akcji laserowej. Ukad rezonujcy tworz dwa zwierciada paskie. Laser helowo-neonowy emituje uyteczn wizk wiata o dugoci fali = 632,8 nm (cz widma widzialnego odpowiadajca czerwieni.Laser helowo-neonowy by pierwszym dziaajcym typem lasera gazowego. W 1960 zesp z Laboratorium Bella uzyska fal cig emitowan przez ten laser.*Vibrational energy level diagram depicting the 10.6 micron infrared transition in the carbon dioxide molecule. (The nitrogen vibrational levels shown on the right are used to enhance lasing in laboratory lasers) Image from http://home.achilles.net/~ypvsj/history/mars.html*Lasery CO2 stosuje si w obrbce materiaw, medycynie, badaniach fizycznych. Vibrational energy level diagram depicting the 10.6 micron infrared transition in the carbon dioxide molecule. (The nitrogen http://worldcup2006.stuttgart-region.com/bosch-gruppe.93.0.html*Wyadowani w plamie pozwala uzyska wzmocnienie dla ponad 15 przej.Jest to laser o pracy cigej.Lasery argonowe stosuje si w medycynie i spektroskopii. Population inversion is achieved in a two step process. First of all, the electrons in the tube collidewith argon atoms and ionize them according to the scheme:Ar (ground state) + lots of energetic electrons Ar+ (ground state) + (lots + 1) less energetic electrons .The Ar+ ground state has a long lifetime and some of the Ar+ ions are able to collide with moreelectrons before recombining with slow electrons. This puts them into the excited states according to:Ar+ (ground state) + high energy electrons Ar+ (excited state) + lower energy electrons .Since there are six 4p levels as compared to only two 4s levels, the statistics of the collisional processleaves three times as many electrons in the 4p level than in the 4s level. Hence we have populationinversion. Moreover, cascade transitions from higher excited states also facilitates the populationinversion mechanism. The lifetime of the 4p level is 10 ns, which compares to the 1 ns lifetime of the4s level. Hence we satisfy tupper > tlower and lasing is possible.

Table from http://www.eio.com/repairfaq/sam/laserarg.htm#argbcsEnergy level diagram from http://www.shef.ac.uk/physics/teaching/phy332/laser_notes.pdf

**Duarte and Piper, Appl. Opt. 23, 1391 1984**Bardzo popularne lasery pprzewodnikowe maj niewielkie rozmiary. Rezonatorem jest kryszta pprzewodnika zwykle krtszy ni l mm. Pompowanie jest elektryczne, sprawno bardzo dua rwna okoo 50%, Uywane s w telekomunikacji wiatowodowej, poligrafii, metrologii itp. **Standardowa pyta CD czsto okrelana jako audio CD, dla odrnienia od pniejszych wariantw, przechowuje cyfrowy zapis dwiku w standardzie zgodnym z czerwon ksieczk (ang. red book). Pyty kompaktowe wykonane s z poliwglanowej pytki o gruboci 1,2 mm i rednicy 12 cm pokrytej cienk warstw glinu (aluminium) w ktrej zawarte s informacje (w postaci kombinacji mikrorowkw i miejsc ich pozbawionych). Odczytywane s one laserem pprzewodnikowym (AlGaAs) o dugoci fali okoo 780 nm. Zapis tworzy spiraln ciek biegnc od rodka do brzegu pyty. Prdko obrotowa pyty zmienia si w taki sposb, e staa jest prdko liniowa gowicy odczytujcej wzgldem cieki i zawiera si w zakresie od 1,2 do 1,4 m/s. Odczyt pyty odbywa si od rodka na zewntrz, a prdko obrotowa maleje wraz z czasem odczytu im cieka bardziej odlega od rodka pyty, tym prdko obrotowa jest mniejsza.Dane zapisane s w postaci wgbie (ang. pit) oraz pl (ang. land), czyli przerw pomidzy wgbieniami. Kada zmiana stanu z wgbienia na pole jest odczytywana przez ukad optyczny jako 1, brak zmiany jako 0. Wgbienie ma okoo 125 nm gbokoci przy 500 nm szerokoci, za jego dugo waha si od 850 nm do 3.5 m.**http://laserowe.webpark.pl/drukarka_laserowa.html*http://laserowe.webpark.pl/drukarka_laserowa.html**http://technologialaserowa.republika.pl/podzial.htmlhttp://www.ciop.pl/1386.html*http://www.ciop.pl/1386.html***Lidar jest poczeniem lasera z teleskopem. Laser wysya poprzez specjalny ukad optyczny bardzo krtkie i dokadnie odmierzone, ale silne impulsy wiata o konkretnej dugoci fali i w okrelonym kierunku. wiato to ulega po drodze rozproszeniu, ktre jest obserwowane za pomoc teleskopu, znajdujcego si w tym samym urzdzeniu, a nastpnie rejestrowane za pomoc czuego detektora fotodiody lub fotopowielacza, ktry bada natenie zaobserwowanego rozproszonego wiata. Otrzymane dane s nastpnie analizowane komputerowo.Lidar suy do wyznaczania przejrzystoci powietrza, badania koncentracji zanieczyszcze w atmosferze i detekcji ich skadu, wykrywania obszarw o odmiennej temperaturze, pomiaru ruchw powietrza na duych odlegociach itp.*******

Documents

Rola emisji wymuszonej Rozwój akcji laserowej we wnęce laserowej Cechy światła laserowego