לייזרים ושימושיהם

1. לייזרים ושימושיהם 3 – לייזרים של מבודדים מזוהמים לייזר 3 - מבודדים מזוהמים

2. מושגי יסוד בפיסיקה של מצב מוצק • פס הערכיות • פס ההולכה • Eg • מבודדים • מוליכים • מוליכים למחצה • רמות פנימיות של יונים • קריסטלוגרפיה בסיסית לייזר 3 - מבודדים מזוהמים

3. רמות באטום בגז מקום בעל ההסתברות הגבוה ביותר למצוא את האלקטרון גרעין עם Z פרוטונים Inner Shells +Z רמה מלאה חלקית רמה ריקה ראשונה (Ze-) באטום נאוטרלי האטום לייזר 3 - מבודדים מזוהמים

4. גרעין + n Inner Shells +Z רמה מלאה חלקית רמה ריקה ראשונה (Z-n)e- ביון הרמות: "מלאה חלקית" ו"ריקה ראשונה" יוצרות את הגבישים והמולקולות רמות האטום ביון לייזר 3 - מבודדים מזוהמים

5. מרכיבים ותפקידים של מבודדים מזוהמים • מארח: מבודד – תחמוצת • מזהם: יון של "מתכות מעבר" או Lanthanides (בדרך כלל יון במצב +3 ) תפקידי המארח יצרת "שדה גביש" אשר: • מבטל ניוון רמות של יון המזהם. • משנה את סיכוי המעבר לרמות אסורות. לייזר 3 - מבודדים מזוהמים

6. תורת ה-Crystal Field http://www.unine.ch/chim/chw/Chapter%204.html • מודל סמי-קלסי המסביר את הספקטרא של יונים מתכתיים בתוך מוצק או נוזל. • מניחה שהיונים מוקפים ב-ligands. • ה-ligands מוצגים כמטענים נקודתיים שליליים המסתדרים באופן סימטרי מסביב ליון המתכתי. • הכוחות בין היון המתכתי וה-Ligand הם אלקרוסטטיים לייזר 3 - מבודדים מזוהמים

7. Cr+3 ~ 0.5% b/w llaser = 0.6943 mm llaser = 0.6927 mm דוגמה: קונפיגורציה של אטום Cr0 3d5 4s1 קונפיגורציה של היון Cr+3 ? 3d3 יש ליון Cr+3אלקטרונים ברמה d http://www.rpi.edu/dept/chem-eng/WWW/faculty/cale/classes/SMP/lecture1/sld011.htm לייזר 3 - מבודדים מזוהמים

8. המבנה הגבישי נלקח מתוך http://cst-www.nrl.navy.mil/lattice/struk.picts/d5_1.s.png Al2O3 מזוהם ב- 0. 5% לפי משקל ביוני Cr+3 Al+3 O-2 יון הכרום מחליף את יון האלומיניום Cr+3 רדיוס היונים: r(Al+3) = 0.54 Å r(Cr+3) = 0.62 Å מבנה קריסטלוגרפישל אלומינה עם זיהום לייזר 3 - מבודדים מזוהמים

9. רמת הולכה של המארח במבודד Eg > 4 eV מבודד רמת ערכיות של המארח במבודד רמות אנרגיה בתווך הלוזר של מבודד מזוהם Al+3 Cr+3 ליון Cr+3 יש רמות d מאוכלסות שאינן משתתפות ברמת ההולכה או הערכיות של הבגיש לייזר 3 - מבודדים מזוהמים

10. לייזר 3 - מבודדים מזוהמים

11. על הצירים בין הצירים Alonso Finn p.124 הסתברות מרבית למצוא אלקטרון באורביטלות פונקציות הגל הזוויתיות עבור 3 אורביטלות p l = 1 לייזר 3 - מבודדים מזוהמים פונקציות הגל הזוויתיות עבור 5 אורביטלות dl= 2

12. שלושת הרמות עם סיכוי גדול בצירים x, y, z מושפעות יותר מהשדה מאשר השתיים שיש להם סיכוי להיות בין הצירים אורביטלות d בשדה octa-hedral לייזר 3 - מבודדים מזוהמים

13. פיצול רמותd בגלל שדה הגביש סך כל האנרגיה של הרמות נשמר 3x (2/5) = 2x(3/5) רמות d מנווונות בשדה ספרי (בגז) רמות d מתפצלות בשדה octahedral לייזר 3 - מבודדים מזוהמים

14. a = 7 cm-1 a = 4 cm-1 a = 0.13 cm-1 פסי בליעה לשאיבה קוו הלזירה [Cr+3] = 1.88x1019 ions/cm3 ספקטרום בליעה של Ruby ספקטרום מתוך : Optical Electronics, Amnon Yariv Sauders College Publishing 1991, Fourth Edition, p. 228 לייזר 3 - מבודדים מזוהמים

15. Fast decay Pumping Laser Emission ms ns ms/ns דיאגרמת רמות לייזר Ruby 3 רמות Metastable רמת היסוד לייזר 3 - מבודדים מזוהמים

16. 4F1 3 rapid decay (~50ns) “1” 4F2 2 energy (eV) “2” 2E 692.7nm blue 1 green 694.3nm “0” 0 ground state Ruby LASER energy levels לייזר 3 - מבודדים מזוהמים

17. Ruby LASER energy levels pumping rapid decay to metastable level (~50ns) 3 2 Meta-stable levels energy (eV) blue 1 green 692.7nm laser 694.3nm ground state 0 time www.ph.surrey.ac.uk/~phs3ja/3mol/lecture17.ppt לייזר 3 - מבודדים מזוהמים

18. לייזרים של מבודדים מזוהמים לייזר 3 - מבודדים מזוהמים

19. תכונות אופטיות של המארח והזיהום לייזר 3 - מבודדים מזוהמים

20. Laser Rod Optical Resonator Ellipsoidal Reflector Flashtube Capacitor bank Ballast Power supply Ballast Resistor Power Supply לייזר Nd:YAG נובמנר 22 לייזר 3 - מבודדים מזוהמים

21. שם מארח מזהם % משקל מזהם r(Nd+3) = 0.995 Å אורך גל לזירה r(Y+3) ~ 0.98 Å תחום שאיבה תכונות של לייזר Nd:YAG Nd:YAG שם הלייזר = שם התווך לוזר Y3Al5O12 Yttrium aluminium garnet תחמוצת Nd+3 יון לנטניד במצב +3, מחליף את ה- Y+3 1.5 1.06 mm 0.7 – 0.9 mm לייזר 3 - מבודדים מזוהמים

22. 3 pumping bands fast non-radiative decay 2 energy (eV) 1064 nm 1 green Laser IR fast n.r. decay 0 ground state Variable time Nd:YAG LASER דיאגרמת אנרגיה Metastable levels לייזר 3 - מבודדים מזוהמים

23. 1 N0 + hn(0.8-0.9 mm) N3( 1.4-1.8 eV) pumping 2 N3 N2 (1.3 eV) + hn’ Fast decay to Meta-stable 3 N2+ hn(1.06 mm) N1 (0.25 eV) +2hn(1.06mm) Laser 4 N1 N0 (0.25 eV)+hn” Relaxation רמות אנרגיה שלבים לייזר 3 - מבודדים מזוהמים

24. Laser Rod Flashtube רפלקטור אליפטי קרינה הנפלטת ממנורת ההתפרקות מוחזרת למוט של הלייזר לייזר 3 - מבודדים מזוהמים

25. מעטפת זכוכית קתודה תרמיונית עם גוף חימום חימום נוסחת Richardson-Dushman הנטל Vflash = Vin – IR JRD = a AT2e-w/kT [A/cm2] A = 120 A cm-2 0K-2 גז אנודה e-metal e- + metal+ Thermionic Emission e-+ V e-*Electron Acceleration e-* + Xe Xe+ + 2e- Ionization Xe+ +V Xe+* Ion Acceleration e-* + Xe Xe* + e- Excitation e-* + Xe+ Xe* Recombination Xe* Xe + hn Photon Emission חזרה על מנורות התפרקות לייזר 3 - מבודדים מזוהמים

26. ערך סביר סימן שם ההפסד 0.8 hl Quantum Loss 1 0.2 helec Electrical Loss 2 0.9 Hincident Reflection 3 0.1 hDl Effective band 4 0.8 ha Transmission Loss 5 0.95 hB10 Stimulation Loss 6 ניצולת hTotal = phi~ 0.01 לייזר 3 - מבודדים מזוהמים

27. ערך סביר סימן שם ההפסד 0.8 hl Quantum Loss 1 0.2 helec Electrical Loss 2 0.9 Hincident Reflection 3 0.1 hDl Effective band 4 0.8 ha Transmission Loss 5 0.95 hB10 Stimulation Loss 6 ניצולת hTotal = phi~ 0.01 לייזר 3 - מבודדים מזוהמים

28. ערך סביר כמה נשאר סימן הסבר שם ההפסד # 0.8 hl llaser>lpump Quantum Loss 1 0.2 helec P = IV Electrical Loss 2 0.9 hR R Reflection 3 0.1 hDl רק חלק מהקרינה היא בתחום השאיבה Effective band 4 0.9 ha חלק מהקרינה עוברת Transmission Loss 5 0.95 hB10 פוטונים שלא מדרבנים Stimulation Loss 6 hTotal = phi~ 0.01 לייזר 3 - מבודדים מזוהמים

29. 1 מקדם האקספוננציאלי של הבליעה לא משתנה בזמן השאיבה או הלזירה: a(t) = constant גודלהמקובל לקוו לזירה, הנשאר קבוע עם הזמן בתרגיל שלנו נתעלם שבזמן השאיבה יש ירידה בפרודות הבולעות gpump(t) = - acaL([N0] - [N1]) = constant 2 הספק הפולס מרובע עם הזמן d 3 Dlpump = lpump פס השאיבה הוא קוו ספקטרלי לצינור הלוזר קוטר (הדרך האופטית) d = 1 cm וזאת הדרך האופטית של כל הפוטונים של השאיבה 4 הנחות תרגיל : חישוב מספר פוטונים בפולס לייזר 3 - מבודדים מזוהמים

30. 2r 2p r A = 2pr h Aillu = 2prh h h V = pr2h בהנחת התרגיל הרדיוס הוא r = 0.5 cm יחידת נפח = 1cm3 A/V = 2/r =2/0.5 = 4cm2/cm3 Aillu/cc = 4cm2/cm3 השטח המואר ליחידת נפח Aillu/ V = 2prh/pr2h = 2/r כל סמ"ק של המוט מואר ע"י 4 סמ"ר לייזר 3 - מבודדים מזוהמים

31. תנאי התחלה לייזר 3 - מבודדים מזוהמים

32. exp(-0.1x 1) = 0.9 exp(-ad) שבר הקרינה העוברת 0.1 1 - exp(-ad) = שבר הקרינה הנבלעת 0.2 W/cm2 Iabs= I0[1 - exp(-ad)] I0 =2 W/cm2 הספק נבלע ליחידת שטח 0.2 x 5x 10-3 = 1x10-3 J/cm2 J = Iabs x tflash = אנרגית בג'אול נבלעת ליח' שטח 6.2 x 1015eV/cm2 JeV = J x (6.242 x 1018 eV/J ) אנרגית ב- eV נבלעת ליח' שטח לייזר 3 - מבודדים מזוהמים

33. 1.24/0.9 = 1.38 eV Eph = hc/l אנרגיה של פוטון שאיבה 4.5 x 1015 Photons/cm2 nph,s = JeV/ Eph = שטף פוטונים נבלעים ליח' שטח 1.8 x 1016 Photons/cm3 nph,V = nph,s x Aillu/cc פוטונים נבלעים ליח' נפח 1.8 x 1016 Ions/cm3 [N2] = nph,V = ריכוז יונים שהועלו לרמה E3 ליחידת נפח לייזר 3 - מבודדים מזוהמים

34. I זמן טעינת קבלים קרינת הלייזר זמן הלזירה w/cm2 קרינת ממנורת התפרקות זמן ההתפרקות t, ms תחילת הלזירה: מושג הפוך אוכלוסיה היסטוריה של פולס נפסק היפוך אוכלוסיה תחילת התפרקות הקבל תופעת ה-spikes חוסר הדירות עם הזמן לייזר 3 - מבודדים מזוהמים

35. שיעורי בית 3,5,6,8,18,19 + 20 שיעור בית חובה: שאילה 18, רק עבור לייזר אחד מתוך ה-8 המצויינים בשאילה. הסקר בזוגות. לבחירה הלייזרים 3, 4 , 5 , 6 , 7 ו- 8 . העדר שמות המחברים, תאריך הסיכום, הנדון או וסימוכין (במקומות המתאימים) מקנה למגיש ציון אפס, ללא אפשרות לתיקון 3% עם אפשרות להגדלה, אם העבודתות רציניות לייזר 3 - מבודדים מזוהמים