Úvod do laserové techniky

Podobné dokumenty
Úvod do laserové techniky

Úvod do laserové techniky

Úvod do laserové techniky

Úvod do laserové techniky

Laserová technika prosince Katedra fyzikální elektroniky.

2. Vlnění. π T. t T. x λ. Machův vlnostroj

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

Charakteristiky optického záření

Fyzika laserů. 4. dubna Katedra fyzikální elektroniky.

ω=2π/t, ω=2πf (rad/s) y=y m sin ωt okamžitá výchylka vliv má počáteční fáze ϕ 0

Optika pro mikroskopii materiálů I

Interference vlnění

Laserová technika prosince Katedra fyzikální elektroniky.

Světlo x elmag. záření. základní principy

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ PRŮVODCE GB01-P05 MECHANICKÉ VLNĚNÍ

Kmity a mechanické vlnění. neperiodický periodický

1.8. Mechanické vlnění

Fyzika II. Marek Procházka Vlnová optika II

Postupné, rovinné, monochromatické vlny v lineárním izotropním nemagnetickém prostředí

Světlo jako elektromagnetické záření

(Následující odstavce jsou zde uvedeny jen pro zájemce.) , sin2π, (2)

Fyzika laserů. 7. března Katedra fyzikální elektroniky.

Projekt: Inovace oboru Mechatronik pro Zlínský kraj Registrační číslo: CZ.1.07/1.1.08/ Vlnění

Rovinná monochromatická vlna v homogenním, neabsorbujícím, jednoosém anizotropním prostředí

VLNOVÁ OPTIKA. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Optika - 3. ročník

Laserová technika 1. Laser v aproximaci rychlostních rovnic. 22. prosince Katedra fyzikální elektroniky.

1 Rezonátorová optika

Fabry Perotův interferometr

FYZIKA II. Marek Procházka 1. Přednáška

Rovinná harmonická elektromagnetická vlna

Elektromagnetické pole je generováno elektrickými náboji a jejich pohybem. Je-li zdroj charakterizován nábojovou hustotou ( r r

Jestliže rozkmitáme nějakou částici pevného, kapalného anebo plynného prostředí, tak síly pružnosti přenesou tento kmitavý pohyb na částici sousední

MĚŘENÍ RYCHLOSTI ŠÍŘENÍ ZVUKU V PLYNECH

Laserová technika 1. Rychlostní rovnice pro Q-spínaný laser. 22. prosince Katedra fyzikální elektroniky.

Sylabus přednášky Kmity a vlny. Optika

P5: Optické metody I

Geometrická optika. předmětu. Obrazový prostor prostor za optickou soustavou (většinou vpravo), v němž může ležet obraz

Jaký význam má kritický kmitočet vedení? - nejnižší kmitočet vlny, při kterém se vlna začíná šířit vedením.

7 FYZIKÁLNÍ OPTIKA. Interference Ohyb Polarizace. Co je to ohyb? 27.2 Ohyb

Elektromagnetický oscilátor

ELEKTROMAGNETICKÉ KMITÁNÍ A VLNĚNÍ POJMY K ZOPAKOVÁNÍ. Testové úlohy varianta A

Jednotlivé body pouze kmitají kolem rovnovážných poloh. Tato poloha zůstává stálá.

Fyzika laserů. Aproximace rychlostních rovnic. 18. března Katedra fyzikální elektroniky.

Zvuk. 1. základní kmitání. 2. šíření zvuku

45 Vlnové vlastnosti světla

MECHANICKÉ KMITÁNÍ. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - 3.A

Laboratorní úloha č. 7 Difrakce na mikro-objektech

27. Vlnové vlastnosti světla

Vznik a šíření elektromagnetických vln

- Ideálně koherentním světelným svazkem se rozumí elektromagnetické vlnění o stejné frekvenci, stejném směru kmitání a stejné fázi.

Praktikum školních pokusů 2

Světlo je elektromagnetické vlnění, které má ve vakuu vlnové délky od 390 nm do 770 nm.

Obecná vlnová rovnice pro intenzitu elektrického pole Vlnová rovnice mimo oblast zdrojů pro obecný časový průběh veličin Vlnová rovnice mimo oblast

Jméno a příjmení. Ročník. Měřeno dne Příprava Opravy Učitel Hodnocení. Vlnové vlastnosti světla difrakce, laser

Fyzikální podstata zvuku

Podpora rozvoje praktické výchovy ve fyzice a chemii

Vlnění. vlnění kmitavý pohyb částic se šíří prostředím. přenos energie bez přenosu látky. druhy vlnění: 1. a. mechanické vlnění (v hmotném prostředí)

B. MECHANICKÉ KMITÁNÍ A VLNĚNÍ

Lom světla na kapce, lom 1., 2. a 3. řádu Lom světla na kapce, jenž je reprezentována kulovou plochou rozhraní, je složitý mechanismus rozptylu dopada

Přehled veličin elektrických obvodů

Ing. Stanislav Jakoubek

Elektromagnetické vlnění

Mechanické kmitání a vlnění

24. Elektromagnetické kmitání a vlnění

SBÍRKA ŘEŠENÝCH FYZIKÁLNÍCH ÚLOH

Akustooptický modulátor s postupnou a stojatou akustickou vlnou

Digitální učební materiál. III/2 Inovace a zkvalitnění výuky prostřednictvím ICT Příjemce podpory Gymnázium, Jevíčko, A. K.

Kmitání mechanického oscilátoru Mechanické vlnění Zvukové vlnění

28 NELINEÁRNÍ OPTIKA. Nelineární optické jevy Holografie a optoelektronika

Lasery základy optiky

Youngův dvouštěrbinový experiment

(test version, not revised) 16. prosince 2009

OPTIKA. I. Elektromagnetické kmity

Digitální učební materiál

1. Pevnolátkový Nd:YAG laser v režimu volné generace a v režimu Q-spínání. 2. Zesilování laserového záření a generace druhé harmonické

Jaký obraz vytvoří rovinné zrcadlo? Zdánlivý, vzpřímený, stejně velký. Jaký obraz vytvoří vypuklé zrcadlo? Zdánlivý, vzpřímený, zmenšený

Laserová technika 1. Rychlostní rovnice pro Q-spínaný laser. 16. prosince Katedra fyzikální elektroniky.


ELEKTŘINA A MAGNETIZMUS

Fyzika 2 - rámcové příklady vlnová optika, úvod do kvantové fyziky

24. Elektromagnetické kmitání a vlnění

Otázky z optiky. Fyzika 4. ročník. Základní vlastnosti, lom, odraz, index lomu

Obsah. Kmitavý pohyb. 2 Kinematika kmitavého pohybu 2. 4 Dynamika kmitavého pohybu 7. 5 Přeměny energie v mechanickém oscilátoru 9

Úloha č.3 Interferometry a vlastnosti laserového záření

Tepelná vodivost pevných látek

DUM č. 14 v sadě. 10. Fy-1 Učební materiály do fyziky pro 2. ročník gymnázia

Základy elektrotechniky

2. Difrakce elektronů na krystalu

VÝUKOVÝ SOFTWARE PRO ANALÝZU A VIZUALIZACI INTERFERENČNÍCH JEVŮ

Vlnové vlastnosti světla. Člověk a příroda Fyzika

FYZIKA PRO IV. ROČNÍK GYMNÁZIA - OPTIKA 2. VLNOVÁ OPTIKA

Akustooptický modulátor s postupnou a stojatou akustickou vlnou

4. V jednom krychlovém metru (1 m 3 ) plynu je 2, molekul. Ve dvou krychlových milimetrech (2 mm 3 ) plynu je molekul

FYZIKA II. Petr Praus 9. Přednáška Elektromagnetická indukce (pokračování) Elektromagnetické kmity a střídavé proudy

MĚŘENÍ ABSOLUTNÍ VLHKOSTI VZDUCHU NA ZÁKLADĚ SPEKTRÁLNÍ ANALÝZY Measurement of Absolute Humidity on the Basis of Spectral Analysis

Fyzikální korespondenční seminář UK MFF 22. II. S

Zakončení viskózním tlumičem. Charakteristická impedance.

Úloha č.3 Interferometry a vlastnosti laserového záření

Fyzika laserů. Plocha impulsu. Soliton. Samoindukovaná propustnost. Fotonové echo. Katedra fyzikální elektroniky.

MECHANICKÉ KMITÁNÍ POJMY K ZOPAKOVÁNÍ. Testové úlohy varianta A

Transkript:

Úvod do laserové techniky Světlo jako elektromagnetické záření II. část Jan Šulc Katedra fyzikální elektroniky České vysoké učení technické v Praze jan.sulc@fjfi.cvut.cz 6. října 016

Kontakty Ing. Jan Šulc, Ph.D. jan.sulc@fjfi.cvut.cz Trojanova, místnost 37 Tel.: 4 358 67 Prof. Ing. Helena Jelínková, DrSc. helena.jelinkova@fjfi.cvut.cz Trojanova, místnost 36 Tel.: 4 358 538 Ing. Michal Němec, Ph.D. michal.nemec@fjfi.cvut.cz Trojanova, místnost 37 Tel.: 4 358 67 Materiály k přednášce a k cvičení: http://people.fjfi.cvut.cz/sulcjan1/ult/

Světlo jako elektromagnetické záření opakování Světlo elektromagnetická vlna částice (foton) Periodické harmonické kmity elektrického a magnetického pole E(x, y, z, t) = i ye 0 cos(ωt k r + Φ) Amplituda fáze, fázový člen, fázová konstanta Φ, vlnoplocha Frekvence f, kruhová frekvence ω = πf perioda T = f 1 Rychlost šíření c, vlnové číslo k = ω/c, vlnový vektor k, směr šíření Vlnová délka λ = ct = c/f Polarizace i y lineární eliptická (kruhová) Intenzita elektrického pole E [V/m] Intenzita záření I [W/m ] I = 1 cεe 0 Superpozice elektromagnetických vln interferenční jevy

Příklad superpozice dvou vlnění Dvě elemag. vlny různých frekvencí, ale stejné polarizace a směru šíření Pracujeme s elektrickou složkou pole (magnetické umíme dopočítat) E 1 (x, y, z, t) = i ye 0 cos (ω 1 t k 1 z + Φ 1 ), E (x, y, z, t) = i ye 0 cos (ω t k z + Φ ) α 1 α Provedeme superpozici v každém čase a bodě E = E 1 + E = i ye 0 cos α 1 + α Využili jsme součtový vzorec pro cos cos α 1 α cos α 1 + cos α = cos α 1 + α cos α 1 α

Příklad superpozice dvou vlnění (stejný směr, různé frekvence) Matematický popis pole vzniklého superpozicí E = E 1 + E = i ye 0 cos α 1 + α cos α 1 α Upravíme nové fázové členy (původní α 1, = ω 1, t k 1, z + Φ 1, ) α 1 + α = ω 1 + ω ω t k 1 + k k z + Φ 1 + Φ Φ (průměr) α 1 α = ω 1 ω ω/ t k 1 k k/ z + Φ 1 Φ Φ/ (rozdíl) Výsledné pole ω E = i ye 0 cos t k z + Φ cos ωt kz + Φ

Příklad superpozice dvou vlnění (stejný směr, různé frekvence) ω E = i ye 0 cos t k z + Φ cos ωt kz + Φ Intereference E y z. Zázněje pro ω 1 = ω je ω ω 1, ω, resp. k k 1, k amplitudová periodická modulace pole vznikající v důsledku superpozice E = i ya(z, t)cos ωt kz + Φ Rychlost fázová rychlost šíření nosné vlny (vlnoplochy) prostředím ωt kz = 0 v f z t = ω k = ν λ Rychlost grupová rychlost šíření maxima obálky (impulsu) energie ω t k z = 0 vg z t = ω k dω dk

Příklad superpozice dvou vlnění Stejné frekvence a polarizace, šíření v různých směrech E 1 ( r, t) = i ye 0 cos(ωt k 1 r + Φ 1 ) k1 = ( k x, 0, k z) E ( r, t) = i ye 0 cos(ωt k r + Φ ) k = (k x, 0, k z) Výsledné pole E = i ye 0 cos Stejné frekvence (ω 1 = ω ω)! ω t k Φ r + cos ωt k r + Φ ω = ω 1 ω = 0, ω = (ω 1 + ω )/ = ω Různé směry: k 1 = ( k x, 0, k z) šíří se podél osy z mírně dolů pod úhlem θ, k = (k x, 0, k z) šíří se podél osy z mírně vzhůru pod úhlem θ, k = k 1 k = ( k x, 0, 0), k = k 1 + k = (0, 0, k z)

Příklad superpozice dvou vlnění (stejné frekvence, různý směr) Výsledné pole E = i ye 0 cos! ω t k Φ r + cos ωt k r + Φ Po dosazení: ω = 0, ω = ω, k/ = ( k x, 0, 0), k = (0, 0, kz), r = (x, y, z) E = E 1 + E = i ye 0 cos k xx + Φ cos ωt k zz + Φ vlna ve směru osy z A(x) Amplituda nové vlny A(x) je modulovaná ve směru osy x Intenzita záření I je úměrná A (x) I(x) = 1 cεa (x) = 1 cε4e 0 cos k xx + Φ = cεe0 [1 + cos(k xx + Φ)] I(x) = I 0 + I 0 cos(k xx + Φ) interferenční člen I 0 = 1 cεe 0 (intenzita jedné samostatné vlny)

Příklad superpozice dvou vlnění (stejné frekvence, různý směr) Intenzita I(x) = I 0 + I 0 cos(k xx + Φ) interferenční člen Vzdálenost maxim (minim) interferenčních proužků k xλ = π: Λ = π = π k x k sin θ = λ sin θ

Koherence optického záření Koherence uspořádanost, souvislost Každé optické pole může být charakterizováno jistým parametrem, který určuje míru statistické neuspořádanosti. Koherence optického záření = míra jeho statistického uspořádání. Jestliže frekvence, polarizace nebo fáze skládajících se vln nejsou navzájem nijak vázány, vzniká velmi neuspořádané elektromagnetické pole. Má charakter náhodných fluktuací (šumů). Takové optické záření označujeme jako nekoherentní. Pokud jsou jednotlivé složky pole vzájemně vázány (korelovány), má výsledné pole uspořádanější strukturu a mluvíme o něm jako o poli koherentním. Koherentní jsou světelná vlnění stejné frekvence, jejichž fázový rozdíl je v uvažovaném bodě prostoru konstantní. Koherence je základním předpokladem pozorovatelné interference světla. Zdroje, které vysílají nekoherentní záření, nazýváme nekoherentními zdroji (Slunce, žárovka, výbojka). Příkladem zdrojů koherentního záření jsou laser a parametrický generátor. koherenční doba, koherenční délka, kohereční plocha časová prostorová koherence

Časová koherence optického záření Časově koherentní vlny zachovávají si konstantní rozdíl fáze Vlny částečně koherentní postupně se fázový rozdíl zvětšuje

Prostorová koherence optického záření Prostorová koherence vzájemná uspořádanost vlnoploch Prostorově koherentní rovinná vlna Prostorově koherentní obecná vlnoplocha Částečně koherentní obecná vlnoplocha

Superpozice vln před zrcadlem Vlna šířící se směrem k zrcadlu k + = (0, 0, k) E +( r, t) = i ee 0 cos(ωt kz + Φ +) Vlna po odrazu (beze ztrát) šířící se směrem od zrcadla k = (0, 0, k) E ( r, t) = i ee 0 cos(ωt + kz + Φ ) Výsledné pole E = E + + E ω = i ye 0 cos t k z + Φ cos ωt kz + Φ Stejné frekvence ω = 0, ω = ω Různé směry (opačné, k = k +): k = (0, 0, k), k = (0, 0, 0) Výsledná vlna je vlna stojatá uzly & kmitny (v místě zrcadla uzel) E = E + + E = i ye 0 cos kz Φ cos ωt + Φ modulace v čase modulace v prostoru

Superpozice vln před zrcadlem Výsledná vlna je vlna stojatá uzly & kmitny (v místě zrcadla uzel) E = E + + E = i ye 0 cos kz Φ cos ωt + Φ modulace v čase modulace v prostoru Stojatá vlna na rozdíl od postupné vlny je závislost na čase a prostoru v argumentu jiné harmonické funkce, uzly a kmitny se nepohybují

Fabryův-Perotův rezonátor (FPR) Dvě polopropustná nekonečně rozlehlá zrcadla umístěná rovnoběžně ve volném prostoru nejjednodušší otevřený rezonátor Rezonátor Obecně těleso schopné akumulace energie, které může být zdrojem kmitů, působí-li na něj periodická vnější síla. Kmitání rezonátoru vyvolané touto vnější silou se nazývá vynucené. Amplituda vynucených kmitů prudce stoupá, přibližuje-li se frekvence vnějšího působení tzv. vlastním (rezonančním) frekvencím rezonátoru. Otevřený rezonátor Soustava odrazných ploch a opt. prvků, ve které může být vybuzeno stojaté vlnění s vlnovou délkou podstatně menší, než jsou geometrické rozměry prvků a vzdálenost mezi nimi. Otevřený rezonátor je nedílnou součástí laseru, kde vytváří kladnou zpětnou vazbu. Optický rezonátor Otevřený rezonátor s vlastními frekvencemi odpovídajícími frekvencím optického záření. Uvnitř FPR dochází k interferenci nekonečného počtu vln vzniklých mnohonásobnými odrazy uvnitř FPR Intenzita záření prošlého FPR či odraženého od FPR závisí na vzájemné vzdálenosti odrazných ploch FPR, na vlnové délce dopadajícího záření a na úhlu dopadu záření na FPR Rezonance, rezonanční frekvence, fázové zpoždění

Rezona tory a oscila tory

Superpozice vln ve Fabryově-Perotově rezonátoru FPR: zrcadla Z 1, Z vzdálenost mezi nimi L amplitudová odrazivost zrcadel r 1, r. Vlna šířící se FPR zleva doprava: E + 0 = i ye 0 cos(ωt kz + Φ +) Po odrazu od Z : E 0 = iyr E 0 cos(ωt + kz + Φ ) Po odrazu od Z 1 : E + 1 = i yr 1 r E 0 cos(ω(t τ) + kz + Φ + + 1 ) časové zpoždění na jeden průchod τ = L/c, 1 fázová změna při odrazu Složením E + 0 a E + 1 : E + 0 + E p + 1 = i y E 0 1 + R + R cos δ cos(ωt kz + Φ + + β) amplituda vlny A(x)

Superpozice vln ve Fabryově-Perotově rezonátoru Pole v rezonátoru E + 0 + E + 1 = i y E 0 q1 + R + Rcos(δ) cos(ωt kz + Φ + + β) amplituda vlny A(x) kde R = r 1 r je odrazivost pro intenzitu záření, δ = ωτ + 1 fázové zpoždění po oběhu rezonátorem Amplituda vlny A(x) bude maximální, pokud cos(δ) bude co největší, tj. pokud δ = nπ (n je libovolné celé číslo) Zanedbáme 1 vzhledem k ωτ. Podmínka maximalizace A(x): δ = ω L c = nπ Podmínka rezonance na jeden oběh rezonátoru (L) připadá sudý počet půlvln (pole v rezonátoru úměrné 1/(1 R)) L = n λn nc, νn = (n-tá rezonanční frekvence), L ν = c L Rozladění nastává pro lichý počet půlvln na oběh rezonátorem δ = (n + 1)π (pole v rezonátoru úměrné 1/(1 + R))

Ztráty optického rezonátoru Energie, kterou lze uložit v rezonátoru je úměrná objemu tohoto rezonátoru Relaxace energie, doba života fotonu v rezonátoru τ c, ztráty rezonátoru U(t) = U(0) exp t, τ c = L 1 τ c c ln 1 R 1 R Činitel jakosti rezonátoru Q poměr energie uložené v rezonátoru ku energii uvolněné z rezonátoru za periodu vlastních kmitů 1/ω rez U(0) Q = U(0) U(1/ω = 1 h rez) 1 exp ω 1 i =. ω rezτ c = πν nτ c rezτ c Čím menší ztráty rezonátoru (R 1, R 1), tím větší τ c a Q

Otevřený rezonátor, Sférické otevřené rezonátory L délka rezonátoru r 1, r poloměr křivosti zrcadel a 1, a charakteristický rozměr zrcadel (průměr, délka hrany... ) Obvykle se rezonátor pro zvýšení stability realizuje pomocí kulových zrcadel Pasivní ztráty činné ztráty difrakční ztráty Fresnelovo číslo N F = a 1a 4λL Geometrické podobnostní parametry rezonátoru (rovinné zrcadlo má r = ) a1 G 1 = 1 Lr1 G = a a a 1 1 Lr Ekvivalentní rezonátory mají stejné hodnoty G 1, G a N F

Diagram stability pro otevřený sférický rezonátor Stabilní nestabilní rezonátory, podmínka stability 0 < g 1 g < 1 g 1 = 1 L r 1, g = 1 L r Diagram stability grafické vyjádření podmínky stability 0 < g 1 g < 1 Uvnitř šrafované oblasti jsou rezonátory stabilní. Mimo šrafovanou oblast jsou nestabilní. Na hranici jsou stabilní rezonátory citlivé na rozladění.

Shrnutí Světlo elektromagnetická vlna částice (foton) Intenzita elektrického pole E [V/m] Intenzita záření I [W/m ] Superpozice elektromagnetických vln interferenční jevy Koherence optického záření Rezonátor optický rezonátor Rezonance při jednom oběhu se v rezonátoru se naskládá sudý počet půlvln (pro lineární rezonátor L = celočíselný násobek vlnových délek) Ztráty, doba života fotonu v rezonátoru Stabilita rezonátoru, diagram stability

Literatura VRBOVÁ M., JELÍNKOVÁ H., GAVRILOV P.: Úvod do laserové techniky, Skriptum FJFI ČVUT, Praha, 1994 (http://people.fjfi.cvut.cz/sulcjan1/ult/) VRBOVÁ M. a kol.: Lasery a moderní optika - Oborová encyklopedie, Prometheus, Praha, 1994 Sochor V.: Lasery a koherentní svazky, Academia, Praha, 1990 (http://people.fjfi.cvut.cz/sulcjan1/ult/) Engst P., Horák M.: Aplikace laserů, SNTL, Praha, 1989 (http://people.fjfi.cvut.cz/sulcjan1/ult/) Přednášky: http://people.fjfi.cvut.cz/sulcjan1/ult/