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
2 dr inz. Ireneusz Owczarek Lasery – Inne oblicze optyki
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.
3 dr inz. Ireneusz Owczarek Lasery – Inne oblicze optyki
Zasada działania lasera Wstep
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.
4 dr inz. Ireneusz Owczarek Lasery – Inne oblicze optyki
Zasada działania lasera Wstep
Parametry laserów
5 dr inz. Ireneusz Owczarek Lasery – Inne oblicze optyki
Zasada działania lasera Wstep
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.
6 dr inz. Ireneusz Owczarek Lasery – Inne oblicze optyki
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.
7 dr inz. Ireneusz Owczarek Lasery – Inne oblicze optyki
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.
8 dr inz. Ireneusz Owczarek Lasery – Inne oblicze optyki
Zasada działania lasera Podstawowe procesy
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.
9 dr inz. Ireneusz Owczarek Lasery – Inne oblicze optyki
Zasada działania lasera Podstawowe procesy
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,
10 dr inz. Ireneusz Owczarek Lasery – Inne oblicze optyki
Zasada działania lasera Podstawowe procesy
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).
11 dr inz. Ireneusz Owczarek Lasery – Inne oblicze optyki
Zasada działania lasera Podstawowe procesy
Lasery
12 dr inz. Ireneusz Owczarek Lasery – Inne oblicze optyki
Zasada działania lasera O akcji laserowej
Rezonator i akcja laserowa
13 dr inz. Ireneusz Owczarek Lasery – Inne oblicze optyki
Zasada działania lasera O akcji laserowej
Rezonator . . .
14 dr inz. Ireneusz Owczarek Lasery – Inne oblicze optyki
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.
15 dr inz. Ireneusz Owczarek Lasery – Inne oblicze optyki
Zastosowanie laserów Przykładowe lasery
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.
16 dr inz. Ireneusz Owczarek Lasery – Inne oblicze optyki
Zastosowanie laserów Przykładowe lasery
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.
17 dr inz. Ireneusz Owczarek Lasery – Inne oblicze optyki
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.
18 dr inz. Ireneusz Owczarek Lasery – Inne oblicze optyki
Zastosowanie laserów Obszary zastosowan
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.
19 dr inz. Ireneusz Owczarek Lasery – Inne oblicze optyki
Zastosowanie laserów Obszary zastosowan
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.
20 dr inz. Ireneusz Owczarek Lasery – Inne oblicze optyki
Zastosowanie laserów Obszary zastosowan
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.
21 dr inz. Ireneusz Owczarek Lasery – Inne oblicze optyki
Zastosowanie laserów Obszary zastosowan
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.
22 dr inz. Ireneusz Owczarek Lasery – Inne oblicze optyki
Zastosowanie laserów Obszary zastosowan
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.
23 dr inz. Ireneusz Owczarek Lasery – Inne oblicze optyki
Top Related