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

1. 5. Lasery Rola emisji wymuszonej Rozwój akcji laserowej we wnęce laserowej Cechy światła laserowego Podstawy fizyczne działania laserów: Inwersja obsadzeń Wybór ośrodka aktywnego Przegląd podstawowych typów laserów Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Laser

2. poprzedni wykład:Widmo elektromagnetyczne i promieniowanie ciała doskonale czarnego • Rzędy wielkości energii przejść elektronowych i rotacyjno-wibracyjnych w atomach i cząsteczkach • Boltzmannowskirozkładobsadzeń • Emisja spontaniczna • Absorpcja, widma absorpcyjne • ŚwiatłooświetlająceZiemię • Promieniowanieciaładoskonaleczarnego, rozkład Plancka • Promieniowanie reliktowe • Emisja wymuszona • Einsteinowskie wspólczynniki • Widmo elektromagnetyczne • Proces widzenia u człowieka i zwierząt • Zadania

3. N2 N1 N2 Emisja spontaniczna Absorpcja N1 Emisja wymuszona Einstein pokazał, że prócz emisji spontanicznej i absorpcji istnieje również emisja wymuszona.

4. g1B12 = g2B21 Współczynniki Einsteina: Emisja wymuszona: zjawisko leżące u podstaw działania laserów • A21,B12 i B21 i opisują prawdopodobieństwa przejść między dwoma stanami w jednostce czasu w wyniku: • emisji wymuszonej: B21I • absorpcji: B12I • emisji sponatnicznej: A21 • Relacje Einsteina: • g1i g2– degeneracje stanów 1 i 2 B12 A21B21

5. N2 N2 N1 N1 Emisja spontaniczna Emisja spontaniczna Absorpcja Absorpcja N2 N2 N1 N1 Emisja wymuszona Emisja wymuszona Spójna z fotonem wymuszającym Zazwyczaj:N2<< N1!!! Współczynniki Einsteina Przypadkowa w czasie i przestrzeni Einstein rozważał (1917r.) prędkość przejść między stanami energetycznymi (np. stanów 1 i 2) atomów w równowadze ze światłem o irradiencji (natężeniu) I: prędkość emisji spontanicznej: dN2/dt = A21 N2 prędkość absorpcji: dN1/dt = B12 N1 I prędkość emisji wymuszonej: dN2/dt = B21 N2 I równe prawdopodobieństwa ale różne prędkości! By mogło dojść do równowagi termodynamicznej w obecności pochłanianych i emitowanych fotonów: B12 N1 I = A21 N2 + B21 N2 I Emisję wymuszoną można zaniedbać!!! I słabe

6. N2 N1 Emisja spontaniczna Absorpcja N2 N1 Emisja wymuszona Zazwyczaj:N2<< N1!!! O emisji wymuszonej Prawdopodobieństwa emisji wymuszonej i spontanicznej są równe w: T = 33 500 K !!! W temperaturze pokojowej: ~`10-35 W T = 3000 K (żarówka): ~ 10-4 B12 N1 I = A21 N2 + B21 N2 I Emisję wymuszoną można zaniedbać!!! I słabe

7. Lasery Rola emisji wymuszonej Rozwój akcji laserowej we wnęce laserowej Cechy światła laserowego Podstawy fizyczne działania laserów: Inwersja obsadzeń Wybór ośrodka aktywnego Przegląd podstawowych typów laserów Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Laser

8. Lasery

9. Lasery Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Laser

10. Lasery Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Laser

11. LASER* Działanie lasera bazuje na dwóch zjawiskach: inwersji obsadzeń i emisji wymuszonej. * Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

12. LASER* wzbudzony

13. źródło energii pompujacej zwierciadło całkowicie odbijające zwierciadło wyjściowe ośrodek wzmacniajacy wneka laserowa Laser He-Ne LASER* Unikalne właściwości światła laserowego: • mała szerokość linii emisyjnej (duża moc w emisyjnym obszarze widma) można uzyskać wiązkę: • spolaryzowaną, • spójną w czasie i przestrzeni • o bardzo małej rozbieżności W laserach impulsowych można uzyskać bardzo dużą moc w impulsie oraz szybkie narastanie impulsu.

14. źródło energii pompujacej zwierciadło całkowicie odbijające zwierciadło wyjściowe ośrodek wzmacniajacy wneka laserowa Laser He-Ne LASERy* Unikalne właściwości światła laserowego: • mała szerokość linii emisyjnej (duża moc w emisyjnym obszarze widma) łatwo uzyskać wiązkę: • spolaryzowaną, • spójną w czasie i przestrzeni • o bardzo małej rozbieżności Działanie lasera bazuje na dwóch zjawiskach: inwersji obsadzeń i emisji wymuszonej.

15. Rola emisji wymuszonej we wnęce laserowej Jeden foton emisji spontanicznej może wywołać lawinę fotonów: początek akcji laserowej. Proces ten jest podstawą działania laserów. Ośrodek o wielu atomach wzbudzonych

16. Cechy światła generowanego w procesie emisji wymuszonej we wnęce laserowej • promieniowanie ma tą samą częstotliwość co promieniowanie wymuszające • promieniowanie ma ten sam kierunek co promieniowanie wymuszające (fotony emisji spontanicznej emitowane są w przypadkowych kierunkach!!!) • promieniowanie ma tą samą fazę co promieniowanie wymuszające Wzmacniacz kwantowy

17. Wnęka laserowa (dodatnia pętla sprzężenia zwrotnego) - rezonator optyczny dla wybranych częstotliwości i kierunku (wielokrotne odbicie fal) zamknięta jest zwierciadłami, jedno z nich jest częściowo przepuszczalne. Wzmacniacz laserowy zamienia się w generator, gdy ośrodek wzmacniający zostanie umieszczony w rezonatorze.

18. Wnęka laserowa - rezonator optyczny dla wybranych częstotliwości i kierunku (wielokrotne odbicie fal) zamknięta jest zwierciadłami, jedno z nich jest częściowo przepuszczalne. Wnęka laserowa zapewnia olbrzymią gęstość mocy: (w oszacowaniach prawdopodobieństwo emisji spontanicznej można zaniedbać)! Emitowana wiązka jest równoległa do osi wnęki (fale, które nie wędrują tam i z powrotem między zwierciadłami, szybko uciekają na boki bez wzmocnienia). Tylko te fotony dla których układ optyczny jest rezonatorem (częstość i kierunek), mogą wielokrotnie przebiec przez ośrodek czynny wywołując emisję kolejnych fotonów spójnych z nimi; pozostałe fotony nie uczestniczą w akcji laserowej (straty).

19. Wnęka laserowa (dodatnia pętla sprzężenia zwrotnego) Wybrane częstotliwości (długości fal):

20. Wnęka laserowa Zmiana długości fali przez zmianę długości drogi optycznej we wnęce

21. Wnęka laserowa

22. Wnęka laserowa (poprzeczne) Widok modów niepoosiowych - symetria prostokątna

23. I0 I1 I3 I2 Układ laserowy o wzmocnieniuG R = 100% R < 100% Wnęka laserowa Układ laseruje, gdy fala świetlna o danej długości fali zyskuje na natężeniu, to znaczy, gdy w obiegu: Z obiegiem światła we wnęce związane są stratyw natężeniu (absorpcja, rozpraszanie, odbicia). Aby mogła zajść akcja laserowa, wzmocnienie promieniowania w obszarze czynnym musi co najmniej równoważyć straty: wzmocnieniestraty Równość: wzmocnienie=stratyokreśla próg akcji laserowej

24. I0 I1 I3 I2 Układ laserowy o wzmocnieniuG R = 100% R < 100% Wnęka laserowa Układ laseruje, gdy fala świetlna o danej długości fali zyskuje na natężeniu, to znaczy, gdy w obiegu: Z obiegiem światła we wnęce związane są stratyw natężeniu (absorpcja, rozpraszanie, odbicia). Aby mogła zajść akcja laserowa, wzmocnienie promieniowania w obszarze czynnym musi co najmniej równoważyć straty: wzmocnieniestraty Równość: wzmocnienie=stratyokreśla próg akcji laserowej

25. I0 I1 I3 I2 Układ laserowy o wzmocnieniuG R = 100% R < 100% Wnęka laserowa Układ laseruje, gdy fala świetlna o danej długości fali zyskuje na natężeniu, to znaczy, gdy w obiegu: Z obiegiem światła we wnęce związane są stratyw natężeniu (absorpcja, rozpraszanie, odbicia). Aby mogła zajść akcja laserowa, wzmocnienie promieniowania w obszarze czynnym musi co najmniej równoważyć straty: wzmocnieniestraty Równość: wzmocnienie=stratyokreśla prógakcji laserowej.

26. Ośrodek laserowy I(0) I(L) z L 0 Stała proporcjonalności JeśliN2 < N1: JeśliN2 > N1: Akcja laserowa: warunki [Emisja wymuszona minus absorpcja] Zaniedbując emisję spontaniczną, zmiana gęstości fotonów : Rozwiązaniem jest: W zależności od różnicy N2 < N1nastąpi wykładniczy wzrost lub spadek irradiancji. W równowadze termodynamicznej, zgodnie z rozkładem Boltzmana: N2 < N1. Ale jeśli N2 > N1 (inwersja obsadzeń), ma miejsce wzmocnienie. Współczynnik wzmocnienia:

27. Ośrodek laserowy I(0) I(L) z L 0 Stała proporcjonalności JeśliN2 < N1: JeśliN2 > N1: Akcja laserowa: warunki [Emisja wymuszona minus absorpcja] Zaniedbując emisję spontaniczną, zmiana gęstości fotonów : Rozwiązaniem jest: W zależności od różnicy N2 < N1nastąpi wykładniczy wzrost lub spadek irradiancji. W równowadze termodynamicznej, zgodnie z rozkładem Boltzmana: N2 < N1. Ale jeśli N2 > N1 (inwersja obsadzeń), ma miejsce wzmocnienie. Współczynnik wzmocnienia:

28. Ośrodek laserowy I(0) I(L) z L 0 Stała proporcjonalności Akcja laserowa: warunki [Emisja wymuszona minus absorpcja] Zaniedbując emisję spontaniczną, zmiana gęstości fotonów : Rozwiązaniem jest: W zależności od różnicy N2 < N1nastąpi wykładniczy wzrost lub spadek irradiancji. W równowadze termodynamicznej, zgodnie z rozkładem Boltzmana: N2 < N1. Ale jeśli N2 > N1 (inwersja obsadzeń), ma miejsce wzmocnienie. Współczynnik wzmocnienia:

29. Ośrodek laserowy I(0) I(L) z L 0 Akcja laserowa: warunki Akcję laserową możnaotrzymać tylko wtedy, jeżeli wośrodku czynnym (kosztemenergii wpompowanej w układ) wytworzymystan inwersji obsadzeń, czyli jeśli N2 > N1. Aby uzyskać inwersję, trzeba właściwie wybrać ośrodek aktywny. Współczynnik wzmocnienia:

30. W równowadze: N2 / N1 = exp(–DE/kBT ), gdzie: DE = E2 – E1. N2< N1 Inwersja Energia Energia Energia Czasteczki Czasteczki Inwersja obsadzeń: N2 > N1 Aby osiągnąć współczynnik wzmocnieniaG > 1, czyli: emisja wymuszona musi przewyższać absorpcję, Trzeba wytworzyć stan nierównowagowy. Równowagowe obsadzenia stanów cząsteczkowych: niskaTwysoka T Stan nierównowagowy Energia “ujemna temperatura” !

31. I I0 I1 I3 I2 Laser medium R = 100% R < 100% Inwersja obsadzeń;pompowanie ośrodka aktywnego • Inwersję wytworzyć można kosztem energii wpompowanej w układ w wyniku oświetlenia światłem (pompowanie optyczne): • innym laserem, • lampą błyskową, • wyładowaniem prądu w gazach, • reakcjami chemicznymi albo • wykorzystując rekombinację w • półprzewodnikach. I I- intensywność lampy błyskowej (użytej do wpompowania energii w ośrodek aktywny)

32. I I0 I1 I3 I2 Laser medium R = 100% R < 100% Inwersja obsadzeń;pompowanie ośrodka aktywnego • Inwersję wytworzyć można kosztem energii wpompowanej w układ w wyniku oświetlenia światłem (pompowanie optyczne): • innym laserem, • lampą błyskową, • wyładowaniem prądu w gazach, • reakcjami chemicznymi albo • wykorzystując rekombinację w • półprzewodnikach. I Jakie warunki muszą być spełnione, by osiągnąć inwersję obsadzeń, N2 > N1?

33. 2 N2 Pompowanie, I N1 1 Inwersja obsadzeń: poszukiwanie ośrodka aktywnego Równania bilansu obsadzeń dla układu dwupoziomowego: Emisja wymuszona Emisja spontaniczna Absorpcja N - całkowita liczba cząsteczek Natężenie pompy

34. 2 N2 Pompowanie, I N1 1 Inwersja obsadzeń: poszukiwanie ośrodka aktywnego Równania bilansu obsadzeń dla układu dwupoziomowego: Emisja wymuszona Emisja spontaniczna Absorpcja N - całkowita liczba cząsteczek Natężenie pompy

35. 2 N2 Pompowanie, I N1 1 Inwersja obsadzeń: poszukiwanie ośrodka aktywnego Równania bilansu obsadzeń dla układu dwupoziomowego: Emisja wymuszona Emisja spontaniczna Absorpcja N - całkowita liczba cząsteczek Natężenie pompy

36. 2 N2 Pompowanie, I N1 1 gdzie: Isat– natężenie nasycenia Dlaczego w układzie dwupoziomowyminwersja nie jest możliwa: W warunkach stacjonarnych: DN jest zawsze dodatnie, niezależnie od tego, jak duże jest I ! Inwersja w układzie dwupoziomowym nie jest możliwa!

37. 2 N2 Pompowanie, I N1 1 gdzie: Isat– natężenie nasycenia Dlaczego w układzie dwupoziomowyminwersja nie jest możliwa: W warunkach stacjonarnych: DN= N1-N2 jest zawsze dodatnie, niezależnie od tego, jak duże jest I ! Inwersja w układzie dwupoziomowym nie jest możliwa! Co najwyżej:

38. 3 Fast decay 2 Pump Transition Laser Transition Pompowanie I 1 poziom krótkożyciowy Inwersja obsadzeń w układzie trójpoziomowym poziom długożyciowy Pompujemy poziom 3, który szybko zanika do metastabilnego (długożyciowego) poziomu 2. Równania bilansu obsadzeń: Emisja spontaniczna Absorpcja

39. 3 Fast decay Szybki zanik 2 Pompowanie Przejście laserowe 1 Inwersja obsadzeń w układzie trójpoziomowym Pompujemy poziom 3, który szybko zanika do metastabilnego (długożyciowego) poziomu 2. Równania bilansu obsadzeń: Emisja spontaniczna N - całkowita liczba cząsteczek Poziom 3 jest krótkożyciowy, możemy zaniedbać jego obsadzenie. Absorpcja

40. 3 Fast decay Szybki zanik 2 Pompowanie Przejście laserowe 1 Dlaczego w układzie trójpoziomowym inwersja jest możliwa: W stanie stacjonarnym: gdzie: Isat– natężenie nasycenia. Teraz jeśliI > Isat, DNjest ujemne!Inwersja jest możliwa.

41. 3 Fast decay Szybki zanik 2 Pompowanie Przejście laserowe 1 Dlaczego w układzie trójpoziomowym inwersja jest możliwa: W stanie stacjonarnym: gdzie: Isat– natężenie nasycenia. Teraz jeśliI > Isat, DN= N1-N2jest ujemne! Inwersja jest możliwa.

42. 3 Szybki zanik 2 Pompowanie Przejście laserowe 1 Szybki zanik 0 gdyż: gdzie: Isat– natężenie nasycenia. Inwersja obsadzeń w układzie czteropoziomowym Załóżmy teraz, że poziom1 też szybko zanika do poziomu 0. Z równania bilansu obsadzeń w stanie stacjonarnym w wyniku rozumowania analogicznego do poprzedniego: N - całkowita liczba cząsteczek TerazDNjest ujemne - zawsze !

43. Theodore Harold Maiman (1927 - 2007) Pierwszy laser: Laser rubinowy, uruchomiony w 1960r (dopiero!) w Hughes Research Laboratories, Malibu, California W laserze Maimana laser ośrodkiem czynnym był syntetyczny kryształ rubinu wyhodowany przez Ralpha L. Hutchesona. Patent został jednak przyznany Gordonowi Gouldowi. Maiman za prace nad laserem był dwukrotnie nominowany do nagrody Nobla.

44. E3 E2 4F1 3 rapid decay (~50ns) “2” 4F2 2 “1” 2E energy (eV) 692.7 nm blue 1 green 694.3nm “0” 0 ground state Laser rubinowy (jony Cr+ w krysztale Al2O3) Pierwszy laser, skonstruowany przez Theodora a Maimanaz Hughes Research Labs w 1960r. Laser impulsowy pracujący w schemacie trójpoziomowym. Jest pompowany optycznie lampą ksenonową przez boczne powierzchnie walca z rubinu.

45. 3 3 2 N2 Fast decay Szybki zanik Szybki zanik 2 2 Pompowanie Przejście laserowe Pompowanie Przejście laserowe N1 1 1 1 Szybki zanik 0 Trudno jest osiągnąć akcję laserową. Inwersja obsadzeń: podsumowanie Układ czteropoziomowy Układ trójpoziomowy Układ dwupoziomowy Fast decay Co najwyżej równe obsadzenia. Brak laserowania. Laserowanie łatwo osiągalne!

46. 3 3 2 N2 Fast decay Szybki zanik Szybki zanik 2 2 Pompowanie Przejście laserowe Pompowanie Przejście laserowe N1 1 1 1 Szybki zanik 0 Inwersja obsadzeń Fizykom zajęło trochę czasu by zauważyć, że układ czteropoziomowy jest najkorzystniejszy. Układ czteropoziomowy Układ trójpoziomowy Układ dwupoziomowy Fast decay

47. 2 1 • Propagacja promieniowania Podsumowanie: Emisja wymuszona zgodność: • faz • kierunku • częstości spójność, kolimacja, monochromatyczność Laserowanie:  inwersja obsadzeń  emisja wymuszona > em. spontaniczna B21 > A21 konieczne duże  rezonator

48. Podsumowanie:rozwój akcji laserowej • Sekwencja wydarzeń: • Pompowanie, inwersja obsadzeń • Emisja spontaniczna • 4. Zwierciadło zawraca do wnęki fotony przyosiowe (kolimacja) • 5. Zmiana fazy fali na zwierciadle (węzeł) • 6. Narastanie lawiny fotonów emisji wymuszonej • 7. Zwierciadło wyjściowe zawraca część promieniowania do wzmacniacza (dalsza kolimacja) • 7. Zmiana faza fali na zwierciadle, • 8. Przekroczenie progu – AKCJA LASEROWA

49. Wielorakie konstrukcje:Różnorodne zastosowania Lasery

50. Zastosowania laserów: 1. Spójność  holografia 2. Monochromatyczność  spektroskopia, fizyka, medycyna, fotochemia 3. Kolimacja  spektroskopia, dalmierze (np. pomiar odl. Ziemia – Księżyc),  telekomunikacja (światłowody)  płyty CD, DVD, 4. Intensywność  militarne,  przemysł  medycyna