Laserové technologie v praxi I. Přednáška č.1. Fyzikální princip činnosti laserů. Hana Chmelíčková, SLO UP a FZÚ AVČR Olomouc, 2011

Transkript

1 Laserové technologie v praxi I. Přednáška č. Fyzikální princip činnosti laserů Hana Chmelíčková, SLO UP a FZÚ AVČR Olomouc, 0

2 LASER kvantový generátor světla Fyzikální princip činnosti laserů LASER zkratka z anglického vyjádření principu Light Zesílení (3) Aplification světla (b) pomocí (by) Stimulated Emision stimulované emise () (of) Radiation záření (a) 96 A.Einstein předpověděl jev stimulované emise 954 C.H.Townes sestrojil první MASER 960 T. Maiman (USA) sestrojil rubínový laser 96 první polovodičový 963 RNDr. Karel Pátek, Fyzikální ústav ČSAV, Neodym:sklo 964 C.Kumar N.Patel první plynový CO laser 965 chemický laser (reakce H + Cl) Více viz doporučená literatura (4), kapitola, strana - 0

3 . Vlnová povaha světla viz.literatura () Světlo jako elektromagnetické záření (a) šíření periodickým střídáním vzájemně kolmé elektrické a magnetické složky Rovnice lineárně polarizované elektromagnetické vlny: E i y.e 0.cos(ωt k.z + Φ) B i x.b 0.cos(ωt k.z + Φ) E 0,B 0 amplituda elektrického, resp. magnetického pole (B 0 E 0 /c) ω π/t - kruhová frekvence, k ω/c vlnovéčíslo, Φ fázová konstanta Frekvence vlnění f /T ω/π ( světlo 0 5 Hz) Rychlost šíření světla ve vakuu c m/s Veličina se nazývá c.t c/f π/ω Vlnová délka záření λ

4 . Vlnová povaha světla Druhy elektromagnetického záření podle frekvence a vlnové délky: gama nad 0 0 Hz pod 0 - m roentgenové ultrafialové viditelné světlo infračervené mikrovlny televizní vlny radiové vlny 0 8 až 0 0 Hz 0-0 až 0 - m 0 5 až 0 8 Hz 0-7 až 0-0 m 0 4 až 0 5 Hz 0-6 až 0-7 m 0 až 0 4 Hz 0-4 až 0-6 m 0 9 až 0 Hz 0 - až 0-4 m 0 8 Hz m 0 3 až 0 7 Hz 0 5 až 0 m Lasery září v oblasti od 00 nm (0-7 m) do 0 µm (0-5 m)(b)

5 . Stimulovaná emise Energetické hladiny elektronů (viz např. Matematické, fyzikální a chemické tabulky pro SŠ) Vodík H s Uhlík C..s s p

6 . Stimulovaná emise N i počet částic na i-té hladině, N ΣN i počet částic v soustavě Ei energie i-té hladiny, E ΣN i.. Ei 3/ k T (k, JK - ) energie soustavy Maxwell Boltzmannova rovnice pro normální populaci energetických hladin N ( E E k. T N e )

7 E. Stimulovaná emise E h.f h.f E E Absorpce (pohlcení) elmg. záření: elementární kvantum energie - foton E h.f hc/λ Ε + hf E Počet absorpcí: B N I/c, B Einsteinův koeficient absorpce, I intenzita elmag. záření (W.m - ) Spontánní emise: omezená doba života částice v excitovaném stavu ( do µs) E hf + E Počet spontánních emisí: A.N, A - Einsteinův koef. spont. emise, Planckova konstanta : h 6, Js frekvence elmg.vlny f (E E ) / h

8 . Stimulovaná emise h.f E E h.f hf + E E + hf Počet stimulovaných emisí: B.N.I/c B Einsteinův koeficient stimulované emise Zjednodušení B B, a v termodynamické rovnováze N <<N, počet stimulovaných emisí je mnohem menší než počet absorpcí (soustava zvyšuje svou teplotu) a dochází k utlumení záření Pro zesílení záření nutno zajistit trvale nerovnost N > N inverzní populaci energetických hladin buzení, čerpání vnějším zdrojem energie

9 Záření je v soustavě zesíleno dle vztahu: 3. Zesílení záření I I o.e (α β)l, kde I o je počáteční intenzita, α koeficient zisku (závisí na N) a β koeficient ztrát, L délka aktivního prostředí. Toto zesílení je dosaženo pomocí optického rezonátoru o délce L, kde dochází k mnohonásobným odrazům na zrcadlech. Délka rezonátoru musí být rovna celému násobku půlvln. r 00 % Odrazné zadní L m.λ/ m.c/f r 98 % Výstupní polopropustné

10 Zisk a ztráta rezonátoru podmínka generace záření σ α σ β α β α β α β α β α.... ).( ) ln( ). ( ). ( ). ( 3 ). ( 0 f h N N f h u N N R R L R R R I R I R I I I R I I I I e L L L L prah e e e e + První průchod První odraz Druhý průchod Druhý odraz Podmínky zesílení: Prahové zesílení α σ(m - ) účinný průřez pro stimulovanou emisi u e extrahovatelná energie z rezonátoru

11 Vlastnosti laserového záření Monochromatické stimulované záření má stejnou frekvenci/vlnovou délku jako absorbované, eventuální šum utlumí rezonátor Časově a prostorově koherentní stimulované fotony mají stejný směr, fázi a polarizaci Vysoká směrovost (nízká rozbíhavost divergence) Θ b.λ/d o.arctg (D z D o )/z koeficient b,, D o výstupní apertura (určuje průměr výstupního svazku) D z průměr svazku ve vzdálenosti z např. D 3 mm, l,064 mm, pak Θ 0, rad 0,069

12 TEM mn, TEM pf, příčné elektromagnetické módy, Stacionární rozložení intenzity elmg. pole na zrcadlech rezonátoru Význam indexů: kartézská s.s.- m,n počet nul intenzity v rovině kolmé na směr šíření záření v ose x,y

13 TEM mn, TEM pf, příčné elektromagnetické módy, Stacionární rozložení intenzity elmg. pole na zrcadlech rezonátoru Význam indexů: Válcová s.s. p,f počet nul intenzity v radiálním a úhlovém směru TEM 00 základní gaussovský mód

14 Klasifikace laserů dle různých kritérií - dle vlnové délky: IČ, VIS, UF, RTG - dle typu energetických hladin: molekulární, elektronové, jaderné - dle časového režimu: impulsní, pulsní, kontinuální - dle typu buzení - dle výkonu: nízko výkonové, vysokovýkonové - dle chlazení: vzduch, voda vzduch, voda voda

15 Doporučená literatura: Základní:.M. VRBOVÁ, H. JELÍNKOVÁ, P.GAVRILOV: Úvod do laserové techniky, VydavatelstvíČVUT, 998.M. VRBOVÁ: Lasery a moderní optika oborová encyklopedie, nakladatelství Prométheus, B.E.A. SALEH, M.CARLTEICH: Základy fotonky 3, MATFYZPRESS, vydavatelství MFF UK Praha, 99 Doporučená: 4.ION, J.C. Laser processing of engineering material. st ed. Oxford: Elsevier, 005.