L A S E R Krize klasické fyziky na přelomu 19. a 20. století, vznik kvantových představ o interakci optického záření s látkami Stimulovaná emise Princip laseru Specifické vlastnosti laseru jako zdroje optického záření Typy laserů a jejich využití V čem mohou být lasery nebezpečné?
Od 70. let 19. století: Optické záření je elektromagnetické vlnění v určit itém m frekvenčním m oboru
Mechanismus interakce optického záření s látkami (zdánlivě zřejmý) Optické záření - proměnné elmag pole působí na nabitéčástice Lorentzovou silou, vyvolává vynucené oscilace elektronů a jader Následek: změna vnitřní energie atomu či molekuly nebo emise sekundárního elmag záření
Krize klasické fyziky na přelomu 19. a 20. století Zjistilo se, že některé optické jevy související s předáváním energie mezi optickým zářením a látkami nelze pomocí klasické fyziky vysvětlit Jevy týkající se absorpce či emise optického záření, které klasická fyzika neuměla vysvělit: Spektrální tvar tepelného záření absolutně černého tělesa Existence dlouhovlnné hrany fotoelektronového jevu Stabilita atomů a jejich čarová emisní a absorpční spektra
Tepelné zdroje Každé těleso o nenulové absolutní teplotě vysílá elektromagnetické záření zářivost L λ T = ň λ T L λ T λ emisivita 0 (, ) (, ) (, ) λ funkce teploty nezávislá na povrchu záření absolutně černého tělesa Kirchhoffův zákon ň ( λ, T ) = A( λ, T ) absorptivita reflektivita neprůhledné těleso: A λ, T = 1 R λ, T ( ) ( )
Absolutněčern erné těleso Technická realizace: vyhřívaná dutina Experiment Zářivost (W/µm.cm 2.sr) 10 8 6 4 2 1800K 1400K Předpověď podle klasické fyziky ultrafialová katastrofa 1000K 0 0 2000 4000 6000 8000 10000 Vlnová délka (nm)
Max Planck: Planckův vyzařovac ovací zákon Planckův zákon 0 ( ) 5 L λ, T = C λ ( ) λ 1 exp C λ 2 T 1 Teoreticky lze odvodit za předpokladu kvantování energie elektromagnetického záření E min = hν Planckova konstanta 4-2 -1 C 1 = 11910W µ m cm sr C 2 = 14387,9 µ mk ; h = 6,6256 10 34 Js 1
Fotoelektrický jev (vnější fotoefekt) Foton předá energii vodivostnímu elektronu v kovu a ten je emitován do vakua Při zvětšování vlnové délky působícího záření po překročení určité hodnoty (závisí na druhu kovu) jev mizí - Dlouhovlnná hrana fotoefektu (nelze klasicky vysvětlit)
Kvantová povaha neelastické Albert Einstein: interakce Elektromagnetické záření může předávat energii pouze po jednotlivých kvantech: Eelektron = hν A ; Eelektron > 0 ν > A/ h Foton výstupní práce Kvantum elektromagnetického záření (kvazičástice) energie E f = hν = hω ; h = h/ 2π rychlost c hmotnost hybnost r p f 2 hω hk r E f = h ω = m f c m f = = 2 = hk c c
Vyzařování atomů Každý náboj s nenulovým zrychlením se stává zdrojem elektromagnetického záření Thompsonův model elektrony v klidu, při rozkmitání vyzařují. Popřen objevem atomového jádra. Sommerfeldův (planetární) model atomu elektrony obíhají po eliptických drahách kolem jádra. Ale: Podle klasické teorie elektromagnetického pole za méně než 10-11 s ztratí elektron veškerou kinetickou energii! Niels Bohr: Existují stavy atomů a molekul, kdy nevyzařují elektromagnetické pole a tedy si zachovávají vnitřní energii. Tyto stavy se nazývají stacionární. Může docházet ke skokové změně stacionárního stavu kdy se energetická bilance vyrovná absorpcí nebo emisí fotonu optické přechody.
Stacionární stavy atomů a molekul a přechody mezi nimi stacionární stavy: - základní stav - excitované stavy přechody: Lokalizovaný systém nabitých částic (atom, molekula) 4 3 zářivé x nezářivé zářivé pechody absorpční x emisní hν = ± E E ( ) ab a b energie 2 absorpce 1 0
Stacionární stavy atomů a molekul a přechody mezi nimi stacionární stavy: - základní stav - excitované stavy přechody: zářivé x nezářivé Lokalizovaný systém nabitých částic (atom, molekula) 4 3 2 zářivé pechody absorpční x emisní hν = ± E E ( ) ab a b energie 1 emise 0
Stimulovaná emise Albert Einstein: Základy teorie absorpčních a emisních přechodů absorpce emise d P 1 2 = d t B w 12 12 spontánní d P2 1 = B w + A d t 12 12 12 stimulovaná
Poměry mezi stimulovanou emisí a absorpcí d P d t 1 2 = B12 w12 2 1 Mnoho atomů, molekul,.. d P = B w + A d t 12 12 12 Nelze rozlišit mezi původními fotony a fotony pocházejícími ze stimulované emise absorpce 1 0 stimulovaná emise
Poměry mezi stimulovanou emisí a absorpcí d P d t 1 2 = B12 w12 2 1 Mnoho atomů, molekul,.. Termodynamická rovnováha d P = B w + A d t 12 12 12 1 0 absorpce >> stimulovaná emise
Poměry mezi stimulovanou emisí a absorpcí d P d t 1 2 = B12 w12 2 1 Mnoho atomů, molekul,.. Inverzní populace stavů 0 a 1 d P = B w + A d t 12 12 12 1 absorpce < 0 stimulovaná emise
L A S E R Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Laser generátor optického záření Generátor = zesilovač + zpětná vazba
Zesílení stimulovanou emisí v aktivním médiu Zavedení optické zpětné vazby - rezonátor
Vlastnosti laserového záření směrovost spektrální hustota koherence časový režim polarizace
Typy laserů hlavní rozdělení podle aktivního media plynové pevnolátkové, (polovodičové) kapalinové
Plynové lasery na neutrálních atomech He-Ne laser kontinuální, pevná vlnová délka viditelná (obvykle 633nm) mechanismus přenosu excitační energie od He k Ne další lasery: He-Cd laser
Plynové lasery iontové Ar+ laser kontinuální nebo pulsní ve speciálním režimu diskrétně laditelný, s pevnou vlnovou délkou nebo současně pracující na několika vlnových délkách viditelná případně blízká ultrafialová oblast výkonové verze s nutností chlazení vodou další lasery: Kr+ laser
Pevnolátkové lasery (v užším smyslu) Nd:YAG laser příměs v krystalu, přenos energie na příměs optickéčerpání výbojka, LED, polovodičový laser pevná vlnová délka pulsní, ale může být i kontinuální blízká infračervená oblast další lasery: Ti:safír, spojitě laditelný, vhodný pro generaci ultrakrátkých pulsů
Polovodičové lasery GaAs laser zářivá rekombinace elektronů a děr na P-N přechodu fixní vlnová délka nejčastěji v červené nebo blízké infračervené oblasti vysoká účinnost, levný, malé rozměry horší kvalita záření (divergence, módy)
Využití laserů Optické snímače, optický záznam Komunikace Opracování materiálů Lékařství Výzkum Zaměřování Laserové show
Optické snímače, optický záznam Snímače čárkových kódů CD disky Laserové tiskárny Optická čidla a sondy
Komunikace Vláknové komunikace Komunikace volným prostorem
Zpracování materiálů Laserové obrábění řezání, vrtání, hloubení, atd.
Mikroobrábění, laserová litografie Zpracování materiálů
Lékařské aplikace Dermatologie Fotodynamická terapie Laserový skalpel Oftalmologie Diagnostika (endoskopie, infračervená tomografie?)
Výzkum, analýza a technologie Optická spektroskopie Ramanův rozptyl časově-rozlišená měření mikrofluorimetrie nelineární spektroskopie elastický rozptyl dynamický a Brillouienův rozptyl fotoakustická spektroskopie Aktivní použití laseru laserové ablace řízená fotochemie a fotodegradace řízená polymerace mikromanipulace a laserová pinseta
V čem jsou lasery nebezpečné Hlavní nebezpečí pro zrak oproti klasickým zdrojům úzký svazek a velká rovnoběžnost