Lasery – Inne oblicze optyki Spis tresci Kryteria podziału laserów

Lasery – Inne oblicze optyki Spis tresci Kryteria podziału laserów

Spis treści
Lasery – Inne oblicze optyki
dr inż. Ireneusz Owczarek
1
Zasada działania lasera
Wstep
˛
Wzmacniacze kwantowe
Podstawowe procesy
O akcji laserowej
2
Zastosowanie laserów
Przykładowe lasery
Obszary zastosowań
CMF PŁ
[email protected]
http://cmf.p.lodz.pl/iowczarek
2013/14
Wzmocnienie światła poprzez wymuszona˛ emisje˛ promieniowania
1
dr inż. Ireneusz Owczarek
Zasada działania lasera
Lasery – Inne oblicze optyki
2
Wstep
˛
Zasada działania lasera
Kryteria podziału laserów
1
2
rodzaj ośrodka, w którym nastapiło
˛
wzbudzenie promieniowania
laserowego:
3
4
Lasery – Inne oblicze optyki
Półprzewodnikowe
złaczowe
˛
(diody laserowe),
laser na materiale objetościowym,
˛
laser na studniach kwantowych,
laser na kropkach kwantowych,
kwantowy laser kaskadowy.
moc uzyskanej wiazki
˛ laserowej wyróżnia sie˛ lasery:
dr inż. Ireneusz Owczarek
Na cieczy (cieczowe)
lasery barwnikowe – ośrodkiem czynnym sa˛ barwniki rozpuszczone
w nieaktywnym ośrodku przezroczystym, np. rodamina.
charakter pracy lasera, wyróżnia sie˛ lasery pracujace
˛ w sposób:
nisko-energetyczne,
średnio-energetyczne,
wysokoenergetyczne.
3
Na ciele stałym
laser rubinowy (694, 3nm),
laser neodymowy Nd:YAG (Y3 Al5 O12 – syntetyczny granat itrowo-glinowy),
laser na centrach barwnych.
ciagły,
˛
impulsowy;
4
Gazowe
laser helowo-neonowy He-Ne(543nm lub 633nm),
laser argonowy (458nm, 488nm lub 514, 5nm) ,
laser azotowy (337, 1nm).
lasery na ciele stałym,
lasery cieczowe,
gazowe,
półprzewodnikowe;
3
Wstep
˛
Podział laserów ze wzgledu
˛
na rodzaj ośrodka czynnego:
długość fali emitowanej przez laser wyróżnia sie˛ lasery emitujace
˛
promieniowanie:
ultrafioletowe,
widzialne,
podczerwone;
2
Lasery – Inne oblicze optyki
Kryteria podziału laserów . . .
Lasery można podzielić stosujac
˛ różne kryteria. I tak, ze wzgledu
˛
na:
1
dr inż. Ireneusz Owczarek
4
dr inż. Ireneusz Owczarek
Lasery – Inne oblicze optyki
Zasada działania lasera
Wstep
˛
Zasada działania lasera
Parametry laserów
Wstep
˛
Lasery
Najmniejsze maja˛ rozmiar cz˛eści
milimetra i daja˛ światło o mocy ok.
200mW .
Najwieksze,
˛
używane do wywołania
reakcji jadrowych,
˛
moga˛ mieć moc
impulsu świetlnego do ok. 1 014W .
Zasadniczymi cz˛eściami lasera sa:
˛
ośrodek czynny,
rezonator optyczny,
układ pompujacy.
˛
Ośrodek czynny decyduje o najważniejszych parametrach lasera, określa
długość emitowanej fali, jej moc, sposób pompowania, możliwe zastosowania
lasera.
5
dr inż. Ireneusz Owczarek
Zasada działania lasera
Lasery – Inne oblicze optyki
6
Wzmacniacze kwantowe
dr inż. Ireneusz Owczarek
Zasada działania lasera
Własności światła laserowego
Lasery – Inne oblicze optyki
Podstawowe procesy
Rozkładem Boltzmanna – porzadek
˛
w chaosie
W stałej temperaturze ustala sie˛ równowaga dynamiczna procesów:
Światło laserowe jest
liczba absorbowanych przez atomy fotonów w jednostce czasu równa
jest liczbie emitowanych fotonów;
koherentne (spójne) w czasie i przestrzeni, tzn. wszystkie kwanty sa˛
przestrzennie uporzadkowane,
˛
czyli wystepuje
˛
stały zwiazek
˛
fazowy w czasie (spójność czasowa) i miedzy
˛
dowolnymi
punktami przekroju poprzecznego wiazki
˛ (spójność
przestrzenna),
średnia liczba wzbudzonych atomów jest stała.
Jeżeli N określa liczbe˛ atomów w stanie podstawowym o energii E, a N1
liczbe˛ atomów wzbudzonych o energii E1 , to zgodnie z rozkładem
Boltzmanna
1
2
E − E1
N = N1 exp −
.
kT
monochromatyczne – szerokość linii widmowej nie przekracza na ogół
0, 002nm,
skolimowane (bardzo mała rozbieżnościa˛ wiazki
˛ < 500µrad), tzn. że
wszystkie promienie tworzace
˛ wiazk˛
˛ e laserowa˛ biegna˛
równolegle do siebie .
moc dla impulsowego lasera „skupienie” w małym punkcie
olbrzymiej gestości
˛
energii – nawet do 1017 W/cm2 ,
spolaryzowane i ukierunkowane.
Obserwuje sie˛ zjawiska nieliniowe, w których optyczne własności ośrodka
zależa˛ od nateżenia
˛
padajacego
˛
światła, np. generacja drugiej harmonicznej,
samoogniskowanie sie˛ światła.
7
dr inż. Ireneusz Owczarek
Lasery – Inne oblicze optyki
Prawdopodobieństwo pojawienia sie˛ stanów o niskich energiach jest
wieksze,
˛
niż prawdopodobieństwo o wysokich energiach.
8
dr inż. Ireneusz Owczarek
Lasery – Inne oblicze optyki
Zasada działania lasera
Podstawowe procesy
Rozkładem Boltzmanna . . .
Zasada działania lasera
Podstawowe procesy
Inwersja obsadzeń
Wystapienie
˛
akcji laserowej wymaga, aby w układzie zaistniała inwersja
obsadzeń, tj. stan, w którym w stanie o energii wiekszej
˛
(wzbudzonym) jest
wieksza
˛
liczba czastek
˛
niż w stanie o energii niższej (podstawowym).
Jeżeli N << N1 , to liczba emisji jest proporcjonalna do liczby atomów
wzbudzonych.
Jeżeli N > N1 , to stan taki nazywa sie˛ inwersja˛ obsadzeń (rozkład
antyboltzmannowski). Wtedy emisja wymuszona odgrywać bedzie
˛
główna˛
role˛ w oddziaływaniu promieniowania z atomami.
W celu uzyskania inwersji obsadzeń układ musi być „pompowany”.
Pompowanie lasera odbywa sie˛ poprzez:
błysk lampy błyskowej (flesza),
przepływ pradu
˛ (wyładowanie) w gazie,
reakcje˛ chemiczna,
˛
Liczba obsadzeń poziomu o energii wyższej jest wieksza
˛
niż liczba obsadzeń
poziomu o energii niższej.
9
dr inż. Ireneusz Owczarek
Zasada działania lasera
Lasery – Inne oblicze optyki
zderzenia atomów,
10
Podstawowe procesy
Emisja wymuszona
dr inż. Ireneusz Owczarek
Zasada działania lasera
Lasery – Inne oblicze optyki
Podstawowe procesy
Lasery
Procesy które moga˛ zmieniać stan atomu
11
1
Absorpcja – pochłoniecie
˛
fotonu o odpowiedniej energii (silne pole –
wieksze
˛
prawdopodobieństwo),
2
Emisja spontaniczna – przypadkowy moment, przypadkowy kierunek,
3
Emisja wymuszona – wyzwalana przez przejście fotonu o odpowiedniej
energii. Foton wymuszony jest identyczny jak wymuszajacy
˛ (silne pole –
wieksze
˛
prawdopodobieństwo).
dr inż. Ireneusz Owczarek
Lasery – Inne oblicze optyki
12
dr inż. Ireneusz Owczarek
Lasery – Inne oblicze optyki
Zasada działania lasera
O akcji laserowej
Rezonator i akcja laserowa
13
dr inż. Ireneusz Owczarek
Zastosowanie laserów
Zasada działania lasera
O akcji laserowej
Rezonator . . .
Lasery – Inne oblicze optyki
14
dr inż. Ireneusz Owczarek
Przykładowe lasery
Laser półprzewodnikowy
Zastosowanie laserów
Lasery – Inne oblicze optyki
Przykładowe lasery
Lasery półprzewodnikowy . . .
Nazywany również laserem diodowym lub dioda˛ laserowa˛ to laser, którego
obszarem czynnym jest półprzewodnik.
1
2
3
Ciagle
˛
sa˛ udoskonalane, obejmujace
˛ coraz szerszy zakres widma
cz˛estości i generujace
˛ promieniowanie nawet o znacznych mocach
stanowia˛ prawdziwy przełom w technice laserowej,
Produkowane sa˛ masowo i stosowane w wielu powszechnie używanych
urzadzeniach,
˛
Znalazły szerokie zastosowanie jako źródło modulowanego
promieniowania w telekomunikacji światłowodowej.
Zastosowanie laserów w odtwarzaczach i napedach
˛
optycznych do odczytu
informacji optycznej zapisanej na płytach CD, DVD, Blu-ray.
Najbardziej perspektywiczne lasery z punktu widzenia ich zastosowań ze
wzgledu
˛
na:
małe wymiary,
dość wysokie moce,
łatwość modulacji pradem
˛
sterujacym
˛
o wysokiej cz˛estotliwości (GHz),
niezawodność pracy,
proste zasilanie,
możliwość uzyskania promieniowania od pasma bliskiej podczerwieni
(diody laserowe dla telekomunikacji światłowodowej) do skraju
fioletowego pasma widzialnego.
15
dr inż. Ireneusz Owczarek
Lasery – Inne oblicze optyki
16
dr inż. Ireneusz Owczarek
Lasery – Inne oblicze optyki
Zastosowanie laserów
Przykładowe lasery
Kropki kwantowe
Zastosowanie laserów
Zastosowanie laserów w medycynie
Kropka kwantowa to niewielki obszar przestrzeni ograniczony w trzech
wymiarach barierami potencjału. Wewnatrz
˛ uwieziona
˛
jest czastka
˛
o długości
fali porównywalnej z rozmiarami kropki.
Oznacza to, że opis zachowania czastki
˛
musi być przeprowadzony z użyciem
mechaniki kwantowej.
Rysunek: Kropki kwantowe w bateriach
solarnych.
17
dr inż. Ireneusz Owczarek
Zastosowanie laserów
1
Korekcja wad wzroku (astygmatyzm, krótkowzroczność
i dalekowzroczność – wady refrakcji),
LASIK (Laser Assised In Situ Keratomileusis) – Metoda
mechaniczno–laserowa, inwazyjna, polegajaca
˛ na użyciu ultrafioletowego
lasera ekscimerowego XeCl (308nm), który działajac
˛ z dokładnościa˛ do
0, 25µm odparowuje nierówności w głebszych
˛
warstwach rogówki.
PRK (Photorefractive keratectomy) – Metoda czysto laserowa,
wykorzystywany jest laser ekscimerowy, który modeluje rogówk˛e oka
poprzez usuwanie jej tkanek. Prowadzi to do zmiany krzywizny rogówki,
a tym samym mocy optycznej oka.
Rysunek: Schemat urzadzenia
˛
składajacego
˛
sie˛
z dwuwarstwowych kropek kwantowych (rysunek a) oraz
z mieszaniny kropek (rysunek b). Czerwone kule
reprezentuja˛ kropki kwantowe z P bS, niebieskie – kropki
kwantowe z Bi2 Si3 .
Lasery – Inne oblicze optyki
18
dr inż. Ireneusz Owczarek
Obszary zastosowań
Zastosowanie laserów w medycynie . . .
2
Obszary zastosowań
Zastosowanie laserów
Lasery – Inne oblicze optyki
Obszary zastosowań
Zastosowanie laserów w przemyśle
Chirurgia mało-inwazyjna. Np. skalpel laserowy (stosowany laser CO2 ,
laser YAG). Skupiona wiazka
˛
laserowa tnie precyzyjnie tkank˛e.
Stosowanie skalpela laserowego ogranicza krwawienia pooperacyjne,
ponieważ ciepło, jakie wydzielaja,
˛ zgrzewa przecinane naczynia
krwionośne.
Laserowe ciecie
˛
(laser CO2 ). Wykorzystywana jest metoda termicznego
oddzielania materiału poprzez:
sublimacje,
˛
topienie,
wypalanie.
Cecha˛ ciecia laserowego jest punktowe wprowadzenie energii
i wysokoenergetyczny strumień tnacy.
˛
Znakowanie laserowe (grawerowanie).
3
4
5
19
Laseroterapia, biostymulacja. Wykorzystuje sie˛ lasery
niskoenergetyczne nie przekraczajace
˛ kilkudziesieciu
˛
miliwatów.
Promienie wytwarzane przez lasery tego typu wykazuja˛ właściwości
lecznicze, wśród których można wymienić likwidowanie stanów
zapalnych, działanie przeciwbólowe, regenerujace
˛ komórki i tkanki,
usprawniajace
˛ przemiane˛ materii.
Stomatologia. Utwardzanie polimerowych wypełnień, ozonoterapia,
wybielanie z˛ebów.
Chirurgia kosmetyczna. Usuwanie tatuaży, blizn, włosów.
dr inż. Ireneusz Owczarek
Lasery – Inne oblicze optyki
Spawanie laserowe. Polega na stapianiu obszaru styku łaczonych
˛
przedmiotów ciepłem otrzymanym w wyniku doprowadzenia do tego
obszaru skoncentrowanej wiazki
˛ światła koherentnego, o bardzo dużej
gestości
˛
mocy, od 102 do 1 011W/mm2 .
20
dr inż. Ireneusz Owczarek
Lasery – Inne oblicze optyki
Zastosowanie laserów
Obszary zastosowań
Zastosowania militarne
Zastosowanie laserów
Obszary zastosowań
Inne zastosowania
Zastosowania użytkowe:
Wskaźniki celu.
Oświetlacze.
Drukarka laserowa.
Urzadzenia
˛
lokacji – to laserowe odpowiedniki stacji radiolokacyjnych,
służace
˛ do ustalenia odległości, położenia katowego
˛
celu i szybkości
przemieszczania sie˛ celu.
Gromadzenie informacji, danych – płyty CD, DVD, Blu-ray.
Czytniki kodów paskowych.
Urzadzenia
˛
geodezyjne (poziomice laserowe).
Dalmierze, celowniki laserowe, broń laserowa.
Poligrafia.
Sprz˛et komputerowy (mysz optyczna o dużej rozdzielczości, nagrywarki
CD/DVD, Blu-ray).
Zastosowania naukowe:
Osadzanie materiałów w postaci struktur wielowarstwowych.
Precyzyjna mikro-obróbka – np: drażarki
˛
laserowe.
Wytwarzanie układów elektronicznych (np: technika grubowarstwowa –
laserowe kalibrowanie parametrów podzespołów).
Mikroskopia, nanotechnologia.
21
dr inż. Ireneusz Owczarek
Zastosowanie laserów
Lasery – Inne oblicze optyki
Obszary zastosowań
Literatura podstawowa
Kania S.
Wykłady z fizyki cz. 1 i 2.
Wydawnictwo PŁ, Łódź 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. Żukrowski J.
http://home.agh.edu.pl/˜kakol/wyklady_pl.htm
Wykłady z fizyki.
23
dr inż. Ireneusz Owczarek
Lasery – Inne oblicze optyki
22
dr inż. Ireneusz Owczarek
Lasery – Inne oblicze optyki