ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ LASER ΤΜΗΜΑ ΟΠΤΙΚΗΣ & ΟΠΤΟΜΕΤΡΙΑΣ ΑΤΕΙ ΠΑΤΡΑΣ
«Ίσως το φως θα ναι μια νέα τυραννία. Ποιος ξέρει τι καινούρια πράγματα θα δείξει.» Κ.Π.Καβάφης ΑΡΧΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΟΥ LASER
Εισαγωγικές Έννοιες Το μοντέλο του Bohr για το άτομο Ηλεκτρόνια περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα σε σταθερές τροχιές. Τα ηλεκτρόνια σε μια από αυτές τις σταθερές τροχιές έχουν καθορισμένη ενέργεια. Ενέργεια απορροφάται ή εκπέμπεται μόνον όταν τα ηλεκτρόνια μεταπίπτουν σε χαμηλότερες ή υψηλότερες τροχιές αντίστοιχα.
Απορρόφηση ενέργειας
Εκπομπή ενέργειας
Η ενέργεια απορροφάται ή ακτινοβολείται υπό μορφή φωτονίων hν 0 = Ε 2 - Ε 1 - - +
Άτομο Υδρογόνου
Εύρος γραμμής
Θερμοδυναμική ισορροπία- Ακτινοβολία μέλανος σώματος Τα άτομα «προτιμούν» τις καταστάσεις με μικρές ενέργειες Νόμος Wien Νομός Stefan-Boltzmann
Ενεργειακές στάθμες E 1, E 2 = ενέργειες των σταθμών 1, 2 N 1, N 2 = πληθυσμοί των σταθμών 1, 2 (αριθμός ατόμων ή μορίων που βρίσκονται στη στάθμη 1 ή 2 ανά cm 3 ) Ολικός πληθυσμός N = N + 1 N 2 (1.1) Θερμοδυναμική Ισορροπία Κατανομή Boltzman Ε 2 Ε 1 Ν 1e > Ν 2 e N 2 e N 1 e Θεμελιώδης κατάσταση ( E E ) e N 2 2 1 = exp e N 1 kt h ν 0 E 2 E 1 (1.2) = (1.3)
Πηγές φωτός Φως ήλιου και φως Ουρανού Κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου Λαμπτήρες πυράκτωσης Λαμπτήρες εκκένωσης Δίοδοι εκπομπής φωτός (LEDs)
Ηλιακό φως Ηλιακή ακτινοβολία πάνω από την ατμόσφαιρα και στην επιφάνεια της θάλασσας μια μέρα με καθαρό ουρανό και τον ήλιο στο ζενίθ.
Λαμπτήρες εκκένωσης
Δίοδοι εκπομπής φωτός(leds)
Laser Light amplification by the stimulated emission of radiation 1916, Ο Albert Einstein με την πρόβλεψη του φαινομένου της εξαναγκασμένης εκπομπής (stimulated emission) έδωσε το θεωρητικό υπόβαθρο για την λειτουργία ενός laser 1954, C. H. Townes και οι συνεργάτες του κατασκεύασαν έναν ενισχυτή μικροκυμάτων (microwave amplifier based on stimulated emission of radiation-maser) 1960, Ο T. H. Maiman κατασκεύασε το πρώτο laser χρησιμοποιώντας ένα κρύσταλλο Ρουβιδίου σαν ενεργό υλικό και ένα οπτικό αντηχείο αποτελούμενο από δύο κάτοπτρα
ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ LASER ΘΕΩΡΙΑ EINSTEIN ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ-ΥΛΗΣ ΜΕΡΗ ΕΝΟΣ LASER ΑΠΛΟΠΟΙΗΜΕΝΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΕΝΟΣ LASER ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΟΥ ΦΩΤΟΣ LASER ΕΙΔΗ LASER
ΘΕΩΡΙΑ EINSTEIN ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ-ΥΛΗΣ ΕΞΑΝΑΓΚΑΣΜΕΝΗ ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗ Η διαδικασία με την οποία ενέργεια μεταφέρεται από ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα στην ύλη Οι τρεις βασικές διαδικασίες που λαμβάνουν χώρα κατά τη διέλευση φωτός από την ύλη ΕΞΑΝΑΓΚΑΣΜΕΝΗ ΕΚΠΟΜΠΗ Η διαδικασία κατά την οποία ένα φωτόνιο ενέργειας hv=e 2 -E 1 συναντά ένα άτομο διεγερμένο στην κατάσταση Ε 2 και το εξαναγκάζει να αποδιεγερθεί εκπέμποντας ένα φωτόνιο ίδιας ενέργειας, κατεύθυνσης, φάσης και πόλωσης ΑΥΘΑΙΡΕΤΗ ΕΚΠΟΜΠΗ Είναι η διαδικασία κατά την οποία ένα άτομο το οποίο βρίσκεται στη διεγερμένη κατάσταση Ε2 αποδιεγείρεται εκπέμποντας ένα φωτόνιο ενέργειας hv=e 2 -E 1
ΘΕΩΡΙΑ EINSTEIN ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ-ΥΛΗΣ Σχέσεις ανάμεσα στις σταθερές Α και Β του Einstein Θερμική ισορροπία Εξαναγκασμένη Απορρόφηση > Εξαναγκασμένη εκπομπή Αποτέλεσμα = Καθαρή απορρόφηση Αναστροφή πληθυσμού Εξαναγκασμένη εκπομπή> Εξαναγκασμένη απορρόφηση Αποτέλεσμα = Ενίσχυση φωτός
ΜΕΡΗ ΕΝΟΣ LASER Άντληση Ενεργό υλικό Οπτικό αντηχείο Σύστημα ψύξης
ΜΕΡΗ ΕΝΟΣ LASER ΑΝΤΛΗΣΗ Εξωτερική πηγή ενέργειας που προκαλεί την αναστροφή πληθυσμού σε ένα ενεργό υλικό laser Οπτική, Ηλεκτρική, Χημική, Θερμική κτλ Παράδειγμα 1: laser He-Ne (Ηλεκτρική εκκένωση) Τα άτομα Ηe διεγείρονται μέσω σύγκρουσης με τα ελεύθερα ηλεκτρόνια Η ενέργεια των ατόμων Ηe μεταφέρεται στα άτομα Ne Παράδειγμα 2: laser Ρουβιδίου (Οπτική άντληση) Για να διεγερθούν τα ιόντα Cr +3 που υπάρχουν στον κρύσταλλο χρησιμοποιείται ένα flash
ΜΕΡΗ ΕΝΟΣ LASER ΕΝΕΡΓΟ ΥΛΙΚΟ Στερεό, υγρό, αέριο Υπεριώδες-υπέρυθρο Σε κάποια laser το ενεργό υλικό αποτελείται από ένα υποδοχέα στον οποίο τοποθετούνται τα άτομα που δίνουν δράση laser (Nd:YAG) Χαρακτηρίζεται από την ικανότητα να επιτυγχάνει αναστροφή πληθυσμού
ΜΕΡΗ ΕΝΟΣ LASER ΑΝΤΗΧΕΙΟ Οπτική συσκευή ανατροφοδότησης που κατευθύνει μπροστά -πίσω τα φωτόνια στο εσωτερικό του ενεργού υλικού Στην πιο απλή μορφή αποτελείται από δύο κάτοπτρα προσεχτικά ευθυγραμμισμένα (ένα 100% ανακλαστικό και ένα όχι) Επιτρέπει την ενίσχυση μόνο συγκεκριμένων συχνοτήτων που ονομάζονται τρόποι ταλάντωσης («φίλτρο» συχνοτήτων) Μόνο ηλεκτρομαγνητικά κύματα τα οποία έχουν συχνότητες κοντά στη συχνότητα συντονισμού της μετάβασης laser (μεγάλη ενίσχυση) και πολύ κοντά στις επιτρεπτές συχνότητες από το αντηχείο( μικρές απώλειες) θα υπάρχουν στην δέσμη laser
ΜΕΡΗ ΕΝΟΣ LASER ΣΥΣΤΗΜΑ ΨΥΞΗΣ Κατά την λειτουργία ενός laser παράγονται μικρά ή μεγάλα ποσά θερμότητας τα οποία και πρέπει να αφαιρεθούν από το σύστημα για να αποτρέψουν την καταστροφή του Στερεό ενεργό υλικό -ψυκτικό περίβλημα στο οποίο ρέει νερό ή ψυκτικό λάδι (laser Nd:Yag). Αέριο ή υγρό ενεργό υλικό - όμοια με στερεό ή κυκλοφορώντας το ίδιο το ενεργό υλικό μέσα στην οπτική κοιλότητα και ψύχοντάς το έξω από αυτή(laser CO 2, dye lasers). Lasers χαμηλής ισχύος δεν απαιτούν συνήθως ψύξη είτε ψύχονται από τον αέρα (laser He-Ne)
ΑΠΛΟΠΟΙΗΜΕΝΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΕΝΟΣ LASER
ΑΠΛΟΠΟΙΗΜΕΝΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΕΝΟΣ LASER
ΑΠΛΟΠΟΙΗΜΕΝΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΕΝΟΣ LASER ΣΥΝΟΨΗ ΣΥΝΘΗΚΩΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΕΝΟΣ LASER 1. Αναστροφή πληθυσμού ανάμεσα σε δύο κατάλληλα ενεργειακά επίπεδα του ενεργού υλικού. Αυτό επιτυγχάνεται με τη διαδικασία άντλησης και την ύπαρξη μιας μετασταθούς άνω στάθμης laser. 2. Ύπαρξη φωτονίων κατάλληλης ενέργειας και κατεύθυνσης που προέρχονται από το φαινόμενο της αυθόρμητης εκπομπής ανάμεσα στις δύο στάθμες λειτουργίας του laser. Αυτά εκκινούν την διαδικασία της εξαναγκασμένης εκπομπής. 3. Μια οπτική κοιλότητα που φιλτράρει και κατευθύνει τον ολοένα αυξανόμενο αριθμό φωτονίων μπρος πίσω στο εσωτερικό του ενεργού υλικού εκμεταλλευόμενη συνεχώς την αναστροφή πληθυσμού για την δημιουργία όλο και μεγαλύτερης εξαναγκασμένης εκπομπής, δηλαδή την δημιουργία περισσότερων φωτονίων που κινούνται μπροστά πίσω ανάμεσα στα κάτοπτρα. 4. Ο κορεσμός του κέρδους που προκύπτει από το ότι ο αριθμός των φωτονίων στην κοιλότητα αυξάνει, δηλαδή ο ρυθμός της εξαναγκασμένης εκπομπής αυξάνει, και έτσι η αναστροφή πληθυσμού μειώνεται. Όταν η αναστροφή πληθυσμού μειώνεται σε ένα επίπεδο στο οποίο το κέρδος ανά διαδρομή στο οπτικό αντηχείο είναι ίσο με τις απώλειες ανά διαδρομή το laser φθάνει σε μια σταθερή κατάσταση συνεχούς λειτουργίας. 5. Η μεταφορά ενός σταθερού ποσοστού του φωτός laser που υπάρχει στο εσωτερικό της οπτικής κοιλότητας μέσω ενός ημιπερατού κατόπτρου έξω από την κοιλότητα
ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΟΥ ΦΩΤΟΣ LASER Μονοχρωματικότητα Συμφωνία Κατευθυντικότητα Ένταση Εστίαση
ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΟΥ ΦΩΤΟΣ LASER Μονοχρωματικότητα Το φως laser είναι μακράν η πηγή φωτός που προσεγγίζει την ιδανική μονοχρωματικότητα. Ο βαθμός μονοχρωματικότητας καθορίζεται από το εύρος γραμμής Δν L (εύρος στο μισό του μεγίστου, FWHM)
ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΟΥ ΦΩΤΟΣ LASER Συμφωνία Η πιο σημαντική διαφορά του laser από τις υπόλοιπες πηγές φωτός. Ορίζεται ως ο βαθμός συσχέτισης της φάσης της ακτινοβολίας σε διάφορες θέσεις και χρονικές στιγμές.
ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΟΥ ΦΩΤΟΣ LASER Κατευθυντικότητα Ένταση Η ένταση του φωτός laser (ισχύς/μονάδα επιφάνειας) είναι πολύ μεγαλύτερη από κάθε άλλη πηγή εξαιτίας της κατευθυντηκότητας και της μικρής διατομής της
ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΟΥ ΦΩΤΟΣ LASER Εστίαση
Πολλές εφαρμογές απαιτούν παλμικά lasers, δηλαδή lasers τα οποία η έξοδός τους ανοιγοκλείνει σε πολύ μικρά χρονικά διαστήματα Υπάρχουν παλμικά lasers με διάρκεια παλμών τόσο μικρή όσο μερικά fs (φεμτο-δευτερόλεπτα). Q-switch (Μετατροπή Q) Mode locking (Εγκλείδωση ρυθμού) Επεξεργασία υλικών, μετρήσεις απόστασης, μελέτη πολύ γρήγορων αλλαγών σε διάφορα συστήματα και πολλά άλλα ΠΑΛΜΙΚΑ LASERS
ΕΙΔΗ LASER
ΕΙΔΗ LASER
Ασκήσεις Τεχνολογία Laser 1. Εάν τα επίπεδα 1 και 2 ενός κβαντικού συστήματος έχουν διαφορά ενέργειας Ε 2 Ε 1, έτσι ώστε η αντίστοιχη συχνότητα μετάπτωσης να εμπίπτει στο μέσο της ορατής περιοχής (λ = 0,55 μm), λογαριάστε το λόγο των πληθυσμών των δύο επιπέδων σε θερμική ισορροπία σε θερμοκρασία δωματίου (Τ = 300 0 Κ). 2. Σε κατάσταση θερμικής ισορροπίας και σε θερμοκρασία δωματίου (Τ = 300 0 Κ) ο λόγος των πληθυσμών για κάποιο ιδιαίτερο ζεύγος επιπέδων είναι ίσος με 1/e. Υπολογίστε τη συχνότητα ν γι αυτή τη μετάπτωση. Σε ποια περιοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος εμπίπτει η συχνότητα αυτή; 3. Υπολογίστε τον αριθμό των φωτονίων που εκπέμπονται σε ένα δευτερόλεπτο από μια πηγή που εκπέμπει φως ισχύος 1W και μήκους κύματος 500 nm. 4. α) Υπολογίστε την διαφορά ενεργειών, σε ev και σε J, ανάμεσα στην θεμελιώδη και την πρώτη διεγερμένη στάθμη του ατόμου του Υδρογόνου. β)ποια είναι η συχνότητα και το μήκος κύματος των φωτονίων που έχουν ενεργεία όση η ενεργειακή διαφορά του προηγούμενου ερωτήματος 5. a) Βρείτε το λόγο της πιθανότητας, P 2, που έχει ένα άτομο Υδρογόνου να βρίσκεται στη διεγερμένη κατάσταση με ενέργεια Ε 2 προς την πιθανότητα, P 1, να βρίσκεται στη θεμελιώδη κατάσταση με ενέργεια Ε 1 εάν τα άτομα βρίσκονται σε θερμοδυναμική ισορροπία και σε θερμοκρασία δωματίου(293κ) β) Βρείτε την θερμοκρασία στην οποία ο λόγος των πιθανοτήτων γίνεται 1/1000.