Intro

Witamy na blogu czterech uczniów klasy II TH1 z ZSEEiM w Bielsku Białej. Zadaniem naszej grupy jest omówić zagadnienie laserów. Wszystkie nasze prace będą opublikowane właśnie na naszym blogu. Wkrótce strona zostanie rozbudowana.

Laser Rubinowy (ang.)

Jak działa laser rubinowy? (ang.)

Budowa Laserów

LASER GAZOWY

LASER PÓŁPRZEWODNIKOWY

LASER RUBINOWY

 

Emisja wymuszona

Emisja wymuszona: Przejście atomu, jonu lub cząsteczki z wyższego poziomu do niższego
może się odbyć w sposób wymuszony, pod wpływem oddziaływania
elektromagnetycznego o częstotliwości określonej zależnością Bohra.
Występuje wtedy emisja wymuszona. Kwant promieniowania zewnętrznego o energii równej różnicy poziomów
energetycznych pada na atom znajdujący się w stanie wzbudzonym.
Pod wpływem bodźca zewnętrznego atom powraca do stanu podstawowego,
emitując przy tym nowy kwant promieniowania identyczny z
poprzednim. To ostatnie stwierdzenie ma podstawowe znaczenie dla dalszych
rozważań, gdyż oznacza ono, że częstotliwość promieniowania
pochodzącego od emisji wymuszonej jest identyczna z częstotliwością
promieniowania wymuszającego, a ich fazy są ściśle ze sobą
powiązane. Poza tym emisja wymuszona odbywa się w tym samym
kierunku, w którym porusza się kwant
oddziałujący z atomem wzbudzonym. Ta właśnie zgodność
częstotliwości, fazy i kierunku rozchodzenia się promieniowania
wymuszonego z wymuszającym determinuje zasadniczą właściwość
światła laserowego, a mianowicie jego spójność. Do wystąpienia akcji laserowej konieczne jest odpowiednie
ukształtowanie struktury energetycznej układu, w którym tę
akcję chcemy otrzymać. Chodzi przede wszystkim o
doprowadzenie układu kwantowego do takiej struktury energetycznej,
aby przeważały w nim elementy wzbudzone, gdyż dopiero ich liczbowa
przewaga decyduje o powstaniu akcji laserowej.  

Emisja spontaniczna

Emisja spontaniczna

Nieodzownym warunkiem emisji światła jest wzbudzenie atomów lub cząsteczek. Odbywa się to nie tylko przez absorpcję kwantów promieniowania, lecz również za pomocą innych sposobów dostarczania energii do układu: najczęściej i najprościej przez doprowadzenie go do odpowiednio wysokiej temperatury.

Wzbudzone atomy lub cząsteczki, pod wpływem naturalnej tendencji do znajdowania się na niższych poziomach energetycznych, wracają samorzutnie, w sposób zupełnie przypadkowy i bezładny, do stanu pierwotnego, emitując przy tym fotony. Proces ten nazywa się emisją spontaniczną. Promieniowanie to jest niespójne, gdyż poszczególne atomy źródła emitują kwanty niezależnie od siebie, w sposób nieuporządkowany, bez wzajemnego powiązania.

Zastosowanie laserów

DziedzinaIstotne cechy światła laseraOpis metodyZastosowania, uwagi Łącznośćduża częstotliwość fal, możliwość modulacji, niewrażliwość na zakłóceniaodpowiednio modulowane światło laserowe może przenosić informacje (na analogicznej zasadzie jak fale radiowe), ale większa częstotliwość fal świetlnych pozwala znacznie zwiększyć szybkość jej przekazywaniaze względu na prostoliniowy bieg fal świetlnych i znaczną nieprzezroczystość atmosfery do przesyłania impulsów stosuje się różnego rodzaju światłowody Pomiary odległości (lokalizacja)spójność promienia, krótkotrwałość impulsulokator laserowy wysyła impuls światła w kierunku badanego obiektu i mierzy czas, jaki upływa do powrotu impulsu odbitego od obiektu; czas ten przeliczany jest na odległość do obiektupo umieszczeniu odpowiednich zwierciadeł (misje Apollo) odległość do Księżyca mierzy się rutynowo z dokładnością do kilku cm Miernictwo, pomiary odkształceńspójność światła w faliwykorzystuje się interferencję dwóch wiązek światła laserowego, z których jedna odbija się od ruchomego pryzmatu; przesunięcie pryzmatu powoduje zmianę obrazu interferencyjnego, z której można wywnioskować wielkość przesunięciainterferometryczne mierniki laserowe pozwalają rutynowo mierzyć przesunięcia względne (różnice dróg optycznych) na poziomie 10^–7–10^–8 m Obróbka materiałówduża energia i moc wiązki, mała średnica wiązki i jej „chemiczna czystość”silnie skoncentrowane wiązki laserowe ze względu na silne działanie termiczne są wykorzystywane do obróbki (drążenie otworów, cięcie) lub łączenia (zgrzewania) materiałów, zwłaszcza twardych, trudno topliwych lub reaktywnych chemiczniezaletą obrabiarek laserowych jest duża dokładność oraz możliwość dokonywania obróbki na obszarach o mikroskopijnej wielkości (poniżej mikrometra) Medycynaduża energia i moc wiązki, mała średnica wiązki i jej „chemiczna czystość”wykorzystuje się działanie termiczne skoncentrowanej wiązki laserowej; wysoka temperatura powstająca w punkcie naświetlania zapewnia sterylność i wywołuje koagulację tkanek, co zapobiega krwotokowi z ranynp. łączenie odwarstwionej siatkówki ocznej z naczyniówką, tamowanie krwotoków wewnątrz gałki ocznej, niszczenie tkanek nowotworowych Zapis i odczyt informacjimała średnica wiązkiodbijanie się światła laserowego od powierzchni może pozwolić odczytać zapisaną na niej informacjęodtwarzacze płyt kompaktowych, komputery mała średnica wiązkipromień laserowy może lokalnie zmieniać właściwości materiału (np. wytapianie otworków, zmiana stanu namagnesowania)nagrywanie płyt kompaktowych, komputery Chłodzenie laseroweściśle określona długość fali, duża mocosiągane temperatury są rzędu mikrokelwinów; sposób postępowaniainterferometria laserowa, konstrukcja zegarów atomowych, otrzymywanie kondensacji Bosego–Einsteina Holografiaspójność światła laserowegoświatło laserowe pozwala zapisać, a następnie odtworzyć trójwymiarowy obraz; w pierwszym procesie wykorzystuje się zjawisko interferencji światła laserowego; w drugim — dyfrakcjihologram jest rodzajem siatki dyfrakcyjnej; oprócz holografii optycznej istnieje także holografia akustyczna

Inwersja obsadzeń

Inwersja obsadzeń to pojęcie określajace stan układu w którym w stanie o energii większej (wzbudzonym) jest większa liczba cząstek niż w stanie o energii niższej (podstawowym).

Inwersja obsadzeń jest fundamentalnym pojęciem umożliwiajacym zrozumienie działania lasera  

Typowe układy poziomów energetycznych

wykorzystywane do uzyskiwania inwersji obsadzeń w laserach

to jest podpis do pierszego obrazka

Metastabilność

Metastabilność jest własnością delikatnej równowagi stanów, które są stabilne dla małych odchyleń od położenia równowagi, ale większe wychylenie powoduje zmianę stanu i przejście do równowagi pełnej, lub ew. innego stanu metastabilnego.

Ze względu na naturalne fluktuacje, stany metastabilne rozpadają się samoistnie, ale czas ich trwania może być bardzo długi. Dlatego dostarczenie energii, np. przez podgrzanie, zwiększa szybkość przemiany i może doprowadzić do zmiany stanu substancji.

Z fizycznego punktu widzenia układ w stanie metastabilnym znajduje się w minimum lokalnym (ale nie globalnym) energii, a po dostarczeniu energii potrzebnej do pokonania bariery, lub w wyniku zjawiska tunelowego, przechodzi do stanu o mniejszej energii.

Metastabilność substancji chemicznych  
Zazwyczaj metastabilność jest spowodowana względnie wolnym tempem przejścia fazowego. Przykładowo, w temperaturze pokojowej diament jest metastabilny, ponieważ przejście do stabilnej postaci grafitu jest niezwykle powolne. Przy wyższych temperaturach tempo przejścia fazowego jest większe i diament przekształci się w grafit.

Innymi przykładami substancji w stanach metastabilnych są ciecz przechłodzona i przegrzana. Pojęcie metastabilności pojawia się także w kontekście przemian jądrowych.

Często powtarzanym błędem jest twierdzenie, że szkło jest substancją w stanie metastabilnym. Nie jest to prawda, ponieważ stan szklisty jest z termodynamicznego punktu widzenia niestabilny.

Proces pompowania

Proces pompowania to wzbudzanie atomów lub jonów substancji czynnej lasera do poziomów metatrwalych . Energia tych poziomów jest nastepnie wykorzystywana do emisji wymuszonej przez prom. sterujace laserem i przez sama emisje wymuszona . W laserach jest stosowane pompowanie optyczne lub pompowanie pradowe .

Pompowanie optyczne polega na wykorzystaniu , jako zródla energii wzbudzajacej , lamp wyladowczych wytwarzajacych blyski swiatla , które sa pochlaniane przez jony substancji czynnej w laserach krystalicznych , szklanych lub cieczowych

.Pompowanie pradowe polega na wykorzystaniu energii pradu elektrycznego przeplywajacego przez substancje czynna lasera. W laserach gazowych pompowanie pradowe polega na wywolaniu jonizacji gazu przez wyladowanie o wysokiej czestotliwosci (pompowanie jonowe).W laserach pólprzewodnikowych pompowanie pradowe polega na jednokierunkowym wprowadzeniu swobodnych nosników ladunku w zlacze p-n (pompowanie indukcyjne) lub na bombardowaniu zlacza wiazka szybkich elektronów.

Proces pompowania 

Różnice między światłem wysyłanym przez żarówkę a wysyłanym przez laser

Lasery to urządzenia wytwarzające specjalny rodzaj światła. Za ich pomocą można rozcinać tkanki , przesyłać światłowodowymi kablami programy TV ,
a także naprowadzać pociski na cel.
Białe światło , takie jak to wysyłane przez Słońce lub żarówki , jest mieszaniną fal świetlnych o różnych długościach. Każdej długości fali odpowiada inna barwa światła , jeśli do naszego oka fale takie docierają oddzielnie.

Gdy wszystkie te barwy zmieszamy , otrzymujemy światłobiałe. Światło o jednej długości fali , a więc nie będące mieszaniną świateł o różnych kolorach , nazywamy monochromatycznym. Otrzymać je można w lampach wyładowczych wypełnionych parami różnych pierwiastków i związków chemicznych. Jednak lampy takie , podobnie jak i wszystkie inne normalne źródła światła , wysyłają fale świetlne przypadkowo , w różnym czasie , tak że ich fazy są różne. Taki rodzaj światła nazywamy niekoherentnym , czyli niespójnym. Inaczej lasery : te emitują monochromatyczne i spójne ( koherentne , czyli zgodne w fazie ) fale świetlne.  

Stąd właśnie światło emitowane przez laser bierze prawie wszystkie swe niezwykłe cechy. Światło niespójne zawsze rozprasza się na boki , przez co jego natężenie
szybko maleje , wraz ze zwiększaniem się odległości od źródła.Światło koherentne rozprasza się tylko w minimalnym stopniu , tak że wąski jego promień można przesyłać na wielkie odległościz niewielką tylko stratą energii. 
W laserze większość atomów znajduje się w stanie wzbudzonym , więc liczba emitowanych fotonów narasta lawinowo w następujących po sobie procesach
emisji wymuszonej. W rezultacie otrzymujemy strumień spójnego światła o stosunkowo dużym natężeniu.
W laserze rubinowym atomy chromu są wzbudzane przez błyski światła ,generowane w lampie ksenonowej . Fotony , emitowane przez wzbudzone w ten sposób atomy , poruszają się wzdłuż rubinowego pręta , stymulującemisję z innych atomów chromu - jest to właśnie światło laserowe.W przeciwieństwie do lasera latarka wysyła światło niespójne. Składa się onoz fal o różnych długościach i poprzesuwanych w fazie. Dlatego właśnieświatło latarki tworzy wiązkę rozproszoną.

Co to jest Laser?

Laser to generator promieniowania, wykorzystujący zjawisko emisji wymuszonej. Nazwa jest akronimem od Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation — wzmocnienie światła poprzez wymuszoną emisję promieniowania. Promieniowanie lasera ma charakterystyczne właściwości, trudne lub wręcz niemożliwe do osiągnięcia w innych typach źródeł promieniowania. Jest spójne w czasie i przestrzeni, zazwyczaj spolaryzowane i ma postać wiązki o bardzo małej rozbieżności. W laserze łatwo jest otrzymać promieniowanie o bardzo małej szerokości linii emisyjnej, co jest równoważne bardzo dużej mocy w wybranym, wąskim obszarze widma. W laserach impulsowych można uzyskać bardzo dużą moc w impulsie i bardzo krótki czas trwania impulsu.

Słowo laser bez dodatkowych określeń odnosi się najczęściej do laserów emitujących światło widzialne. W przypadku innych długości fali stosowane są dodatkowe określenia precyzujące zakres pracy.