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



Podobné dokumenty
Laserová technika prosince Katedra fyzikální elektroniky.

Úvod do laserové techniky

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

Laserová technika prosince Katedra fyzikální elektroniky.

Úvod do laserové techniky KFE FJFI ČVUT Praha Michal Němec, Plynové lasery. Plynové lasery většinou pracují v kontinuálním režimu.

Charakteristiky optického záření

Úvod do laserové techniky

PSK1-14. Optické zdroje a detektory. Bohrův model atomu. Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola, Božetěchova 3 Ing. Marek Nožka.

Měření charakteristik pevnolátkového infračerveného Er:Yag laseru

Světlo jako elektromagnetické záření

Zdroje optického záření

Úvod do laserové techniky

Úvod do laserové techniky

Fyzika laserů. 7. března Katedra fyzikální elektroniky.

Úvod do laserové techniky

Automatizace výrobních procesů ve strojírenství a řemesel, CZ.1.07/1.1.30/ , Přednáška - KA 5

Vznik a šíření elektromagnetických vln

ATOM VODÍKU MODEL : STOJÍCÍ BODOVÉ JÁDRO A ELEKTRON VZÁJEMNĚ ELEKTROSTATICKY INTERAGUJÍCÍ SCHRÖDINGEROVA ROVNICE PRO PŘÍPAD POTENCIÁLNÍ ENERGIE.

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation.

Lasery. Biofyzikální ústav LF MU. Projekt FRVŠ 911/2013

Stručný úvod do spektroskopie

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

Laserové technologie v praxi I. Přednáška č.2. Základní konstrukční součásti laserů. Hana Chmelíčková, SLO UP a FZÚ AVČR Olomouc, 2011

CZ.1.07/1.1.30/

1.3. Módy laseru, divergence svazku, fokuzace svazku, Q- spínání

Úloha 15: Studium polovodičového GaAs/GaAlAs laseru

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

Úvod do laserové techniky

Optické spektroskopie 1 LS 2014/15

MODERNÍ METODY CHEMICKÉ FYZIKY I lasery a jejich použití v chemické fyzice Přednáška 5

Elektromagnetické záření. lineárně polarizované záření. Cirkulárně polarizované záření

Projekt: Inovace oboru Mechatronik pro Zlínský kraj Registrační číslo: Lasery - druhy

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

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

SPEKTRÁLNÍ METODY. Ing. David MILDE, Ph.D. Katedra analytické chemie Tel.: ; (c) David MILDE,

13. Spektroskopie základní pojmy

Úvod, optické záření. Podkladový materiál k přednáškám A0M38OSE Obrazové senzory ČVUT- FEL, katedra měření, Jan Fischer, 2014

MODERNÍ METODY CHEMICKÉ FYZIKY I lasery a jejich použití v chemické fyzice přednášky 4-7

Nekoherentní a koherentní zdroj záření. K. Sedláček : Laser v mnoha podobách, Naše vojsko 1982)

Fyzika laserů. 4. dubna Katedra fyzikální elektroniky.

Postupné, rovinné, monochromatické vlny v lineárním izotropním nemagnetickém prostředí

Optika pro mikroskopii materiálů I

STUDIUM OHYBOVÝCH JEVŮ LASEROVÉHO ZÁŘENÍ

Něco o laserech. Ústav fyzikální elektroniky Přírodovědecká fakulta Masarykovy univerzity 13. května 2010

Praktikum III - Optika

Otruba, Novotný LASERY ZÁKLADY. Vítězslav Otruba, Karel Novotný

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

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI

Optoelektronika. elektro-optické převodníky - LED, laserové diody, LCD. Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)

Optika. Co je světlo? Laser vlastnosti a využití. Josef Štěpánek Fyzikální ústav MFF UK

Rovinná harmonická elektromagnetická vlna

Ing. Pavel Hrzina, Ph.D. - Laboratoř diagnostiky fotovoltaických systémů Katedra elektrotechnologie K13113

Historie vláknové optiky

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

FYZIKA II. Marek Procházka 1. Přednáška

Vybrané spektroskopické metody

Na základě toho vysvětlil Eisnstein vnější fotoefekt, kterým byla platnost tohoto vztahu povrzena.

Laserové technologie v praxi I. Přednáška č.8. Laserové zpracování materiálu. Hana Chmelíčková, SLO UP a FZÚ AVČR Olomouc, 2011

Úvod do spektrálních metod pro analýzu léčiv

INSTRUMENTÁLNÍ METODY

Lasery základy optiky

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

Základy fyzikálněchemických

Základy fyziky laserového plazmatu. Lekce 1 -lasery

Učební texty z fyziky 2. A OPTIKA. Obor zabývající se poznatky o a zákonitostmi světelných jevů. V posledních letech rozvoj optiky vynález a využití

27. Vlnové vlastnosti světla

SPEKTROSKOPICKÉ VLASTNOSTI LÁTEK (ZÁKLADY SPEKTROSKOPIE)

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

Elektromagnetický oscilátor

Čím je teplota látky větší (vyšší frekvence kmitů), tím kratší je vlnová délka záření.

Základy spektroskopie a její využití v astronomii

Optoelektronika. Zdroje. Detektory. Systémy

PSK1-15. Metalické vedení. Úvod

Maturitní otázky z předmětu FYZIKA

CZ.1.07/2.2.00/ AČ (RCPTM) Spektroskopie 1 / 24

Fyzika II, FMMI. 1. Elektrostatické pole

Studium fotoelektrického jevu

PROCESY V TECHNICE BUDOV 12

28 NELINEÁRNÍ OPTIKA. Nelineární optické jevy Holografie a optoelektronika

Světlo x elmag. záření. základní principy

Od kvantové mechaniky k chemii

Školení CIUR termografie

Přednášky z lékařské biofyziky Biofyzikální ústav Lékařské fakulty Masarykovy univerzity, Brno

λ hc Optoelektronické součástky Fotorezistor, Laserová dioda

Využití komplementarity (duality) štěrbiny a páskového dipólu M

Řešení: Nejdříve musíme určit sílu, kterou působí kladka proti směru pohybu padajícího vědra a napíná tak lano. Moment síly otáčení kladky je:

5. Elektromagnetické vlny

Fabry Perotův interferometr

Charakteristiky laseru vytvářejícího světelné impulsy o délce několika pikosekund

Spektrometrické metody. Reflexní a fotoakustická spektroskopie

Laserové technologie v praxi II. Cvičeníč.1

Elektromagnetické vlnění

Šíření tepla. Obecnéprincipy

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI

Tabulace učebního plánu. Vzdělávací obsah pro vyučovací předmět : Fyzika. Ročník: I.ročník - kvinta

(Umělé) osvětlování pro analýzu obrazu

Sylabus přednášky Kmity a vlny. Optika

Plynové lasery pro průmyslové využití

Podpora rozvoje praktické výchovy ve fyzice a chemii

Transkript:

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

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

. 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 300 000 000 m/s Veličina se nazývá c.t c/f π/ω Vlnová délka záření λ

. 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)

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

. 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,38. 0-3 JK - ) energie soustavy Maxwell Boltzmannova rovnice pro normální populaci energetických hladin N ( E E k. T N e )

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 6,66.0-34 Js frekvence elmg.vlny f (E E ) / h

. 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

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

Zisk a ztráta rezonátoru podmínka generace záření σ α σ β α β α β α β α β α.... ).( ) ln( ). ( ). ( 0 3 4 ). ( 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

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 0,38.0-3 rad 0,069

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

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

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

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, 994 3.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.