ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ ΦΥΣΙΚΗ ΤΩΝ LASER

Transcript

1 ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ ΦΥΣΙΚΗ ΤΩΝ LASER ΔΙΔΑΣΚΩΝ: Μ. ΜΠΕΝΗΣ ΙΩΑΝΝΙΝΑ 2013

2 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1. Εισαγωγικές έννοιες 1.1. Αυθόρμητη κι εξαναγκασμένη εκπομπή, απορρόφηση 1.2. Η ιδέα του laser Ενισχυτής Σύστημα ανάδρασης κοιλότητα laser Άντληση 1.3. Ιδιότητες των δεσμών laser Μονοχρωματικότητα Συμφωνία Κατευθυντικότητα Λαμπρότητα Παλμοί μικρής χρονικής διάρκειας 1.4. Τύποι laser και βασικές παράμετροι 2. Κατηγορίες Laser Κίνδυνοι και προστασία 2.1. Κατηγοριοποίηση των πηγών laser 2.2. Κίνδυνοι από τη δέσμη του laser Υπεριώδης ακτινοβολία - UV ( nm) Ορατή και κοντινή υπέρυθρη ακτινοβολία -NIR ( nm) Μέση και μακρινή υπέρυθρη ακτινοβολία - FIR ( nm) 2.3. Άλλοι κίνδυνοι Ηλεκτρικοί κίνδυνοι Κίνδυνοι εκρήξεων Επικίνδυνα χημικά αέρια Χρωστικές laser (Dyes) Εύφλεκτα υλικά Κρυογενικά υγρά Υγρασία θερμοκρασία Ακτίνες X Υπεριώδης ακτινοβολία Θόρυβος 3. Διάδοση ΗΜ κυμάτων σε οπτικά μέσα 3.1. Εισαγωγή 3.2. Γεωμετρική Οπτική: Οπτική πινάκων 3.3. Κυματική οπτική στα πλαίσια της παραξονικής προσέγγισης 3.4. Γκαουσιανές δέσμες Χαμηλότερης τάξης λύση (τρόπος) Διάδοση στον ελεύθερο χώρο Υψηλής τάξης λύσεις (τρόποι) 4. Παθητικά οπτικά αντηχεία 4.1. Εισαγωγή Τρόποι δόνησης ορθογώνιας οπτικής κοιλότητας Αντηχείο παράλληλων επιπέδων (Fabry-Perot) Σφαιρικό αντηχείο (Concentric) Γενικευμένο σφαιρικό αντηχείο Κυκλικό αντηχείο (Ring) 2

3 4.2. Συνθήκη ευστάθειας 4.3. Ευσταθή αντηχεία Ιδιοκαταστάσεις Ιδιοσυχνότητες 4.4. Ασταθή αντηχεία 4.5. Χρόνος ζωής φωτονίου και παράγοντας Q 5. Αλληλεπίδρασης ακτινοβολίας με την ύλη 5.1. Απορρόφηση κι εξαναγκασμένη εκπομπή 5.2. Αυθόρμητη εκπομπή 5.3. Η θερμοδυναμική αντιμετώπιση του Einstein 5.4. Μηχανισμοί διαπλάτυνσης Ομογενής διαπλάτυνση Μη-ομογενής διαπλάτυνση 5.5. Ενεργός διατομή μετάβασης, απορρόφηση κι ενίσχυση 5.6. Μη ακτινοβολητικές μεταβάσεις 5.7. Κορεσμός Κορεσμός απορρόφησης Κορεσμός ενίσχυσης 5.8. Οπτικώς πυκνά μέσα Παγίδευση ακτινοβολίας Ενίσχυση αυθόρμητης εκπομπής 6. Διαδικασίες Άντλησης 6.1. Εισαγωγή 6.2. Οπτική άντληση με ασύμφωνη πηγή Συστήματα άντλησης Ρυθμός και απόδοση άντλησης 6.3. Οπτική άντληση με σύμφωνη πηγή Συστήματα μεταφοράς άντλησης Ρυθμός και απόδοση άντλησης 7. Laser συνεχούς 7.1. Εισαγωγή 7.2. Εξισώσεις ρυθμών μεταβολής πληθυσμών (Rate equations) 7.3. Συνθήκες κατωφλίου και ισχύς εξόδου 7.4. Βέλτιστη σύζευξη εξόδου 7.5. Ρύθμιση (tuning) laser 7.6. Επιλογή μοναδικού τρόπου ταλάντωσης Επιλογή εγκάρσιου μοναδικού τρόπου ταλάντωσης Επιλογή διαμήκους μοναδικού τρόπου ταλάντωσης Fabry-Perot Κυκλικές κοιλότητες μονής κατεύθυνσης 8. Παλμικά laser 8.1. Εισαγωγή 8.2. Αποσβένουσα ταλαντωτική συμπεριφορά 8.3. Q-Switching Ηλεκτρο-οπτικό Q-Switching Μηχανικό Q-Switching 3

4 Ακουστο-οπτικό Q-Switching Απορροφητές κορεσμού 8.4. Τρόποι λειτουργίας των Q-switched laser 8.5. Θεωρία ενεργού Q-switching 8.6. Gain switching 8.7. Εγκλείδωση τρόπων (Mode-locking) Περιγραφή στη περιοχή των συχνοτήτων Τρόποι mode-locking 9. Ειδικά Συστήματα laser 9.1. Laser αερίων Laser He-Ne Laser CO Laser Excimer 9.2. Laser στερεάς κατάστασης Laser Ruby Laser Νεοδυμίου (Nd:YAG, Nd:Glass) Laser Ti:Sapphire 9.3. Laser χρωστικών 9.4. Laser ημιαγωγών 9.5. Laser ελευθέρων ηλεκτρονίων 4

5 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. Principles of Lasers, O. Svelto, Plenum Press, Το βιβλίο του οποίου η δομή και θεματολογία ακολουθείται σε μεγάλο βαθμό. Κλασσικό βιβλίο που καλύπτει όλα το φάσμα του θέματος του laser τόσο σε προπτυχιακό αλλά και σε μεταπτυχιακό επίπεδο. 2. Laser Physics, P.W. Miloni and J.H. Eberly, John Wiley & Sonsy, Πολύ καλό βιβλίο με πλήρη θεματολογία διαφωτιστικά σχήματα και δομή μοντέρνου βιβλίου διδασκαλίας. 3. Lasers, A.E. Siegman, University Science Books, Το απόλυτο βιβλίο του laser. Με εκτενέστατη ύλη και υψηλότατο επίπεδο απευθύνεται σαφώς σε μεταπτυχιακό επίπεδο και σε ειδήμονες. Κρίνεται χρήσιμο για τη διασαφήνιση λεπτών και ειδικών θεμάτων. 4. Optics E. Hecht, Addison Wesley, Κλασσικό βιβλίο οπτικής προπτυχιακού επιπέδου. Κρίνεται χρήσιμο για το «φρεσκάρισμα» εννοιών της οπτικής και προσέγγισης οπτικών θεμάτων όσον αφορά την οπτική του laser. 5. Fundamentals of Photonics, B.E.A. Saleh and M.C. Teich, Wiley-Interscience, Εξαιρετικό βιβλίο Φωτονικής. Κρίνεται χρήσιμο για την ξεκάθαρη παρουσίαση θεμάτων οπτικής και διάδοσης ακτινοβολίας και όχι μόνο. Σύγχρονο και με πολύ διαφωτιστικά σχήματα. 6. Building Scientific Apparatus, J.H. Moore, C.D. Davis and M.A. Coplan, Addison Wesley, Ένα βιβλίο απαραίτητο σε κάθε «μαθητευόμενο» πειραματικό. Το κεφάλαιο της οπτικής καλύπτει πλήρως τις βασικές έννοιες οπτικής και laser. Ωστόσο η ουσιαστική συμβολή του είναι το πειραματικό μέρος όπου παρέχει άφθονη πληροφορία καθώς και πολλά σχήματα συσκευών που συνήθως λείπουν από τα βιβλία που πραγματεύονται το θέμα. 5