Лекционный курс « Экспериментальные методы физических исследований » Раздел ПРИБОРЫ И МЕТОДЫ НАНОТЕХНОЛОГИЙ Тема ИСТОЧНИКИ КОГЕРЕНТНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО. - презентация

1 Лекционный курс « Экспериментальные методы физических исследований » Раздел ПРИБОРЫ И МЕТОДЫ НАНОТЕХНОЛОГИЙ Тема ИСТОЧНИКИ КОГЕРЕНТНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ (ЛАЗЕРЫ)

2 Л А З Е Р (LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) n Монохроматичность Когерентность Малая расходимость пучка Высокая интенсивность

3 Когерентное и некогерентное излучение

4 Сумма волн A и B КОГЕРЕНТНОСТЬ n Все волны колеблются в одинаковых фазах Волна A Волна B

5 ЭЛЕКТРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР n Резонансная система n Устройство обратной связи n Источник энергии для возбуждения системы

6 СВЕТОВОЙ ГЕНЕРАТОР ( ЛАЗЕР ) n РЕЗОНАНСНАЯ СИСТЕМА -- оптический резонатор n ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ - процессы вынужденного излучения n ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ - инверсная заселенность, созданная в результате «накачки» атомов (молекул)

7 Поглощение и спонтанное излучение фотонов

8 Вынужденное излучение фотонов

9 ВОЗБУЖДЕНИЕ n Для того чтобы излучение произошло, атомы (молекулы) необходимо сначала возбудить n Возбуждение атомов (молекул) в состояния с более высокой энергией происходит в результате различных процессов НАКАЧКИ

10 ИНВЕРСНАЯ ЗАСЕЛЕННОСТЬ n Инверсная заселенность: концентрация атомов с высокой энергий больше, чем концентрация атомов с низкой энергией n Благодаря «накачке» в возбужденные состояния : N 2 > N 1 Для достижения генерации надо превысить степень инверсной заселенности: N 2 - N 1 > /м 3

11 ИНВЕРСНАЯ ЗАСЕЛЕННОСТЬ И ОТРИЦАТЕЛЬНЫЕ ТЕМПЕРАТУРЫ Распределение Больцмана: n/n o = exp( - U / kT ) Температура: T = - U / [ k ln( n/n o ) ]

12 СПОНТАННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ n Электроны в атомах переходят с уровней с высокой энергией на уровни с меньшей энергией n Длина волны излучения зависит от разности энергий уровней E1E1 E2E2 ИЗЛУЧЕНИЕ ЭНЕРГИЯ

13 ВЫНУЖДЕННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ n Если атом испускает фотон с энергией (E 2 - E 1 ), то этот фотон «вынуждает» другой атом с энергией E 2 также испустить фотон n Новый фотон имеет ту же энергию (E 2 - E 1 ) [резонанс] n При инверсной заселенности (N 2 > N 1) один испущенный фотон может стимулировать эмиссиию множества новых фотонов с той же частотой (монохроматичность ) Лавинное испускание фотонов

14 КОЭФФИЦИЕНТЫ ЭЙНШТЕЙНА По Эйнштейну, скорость убывания числа атомов N 2 в возбужденном состоянии 2 : dN 2 /dt = N 2 A(2,1) - N 2 B(2,1) ( 12 ) + N 1 B(1,2) ( 12 ) А(2,1) - вероятность спонтанного испускания при переходе с уровня 2 на уровень 1. В(2,1) - вероятность вынужденного испускания (переход 2 1) за счет поля излучения с плотностью энергии ( 12 ) и частотой 12, соответствующей частоте перехода. В(1,2) = В(2,1) вероятность поглощения излучения и возбуждения атомов с уровня 1 на уровень 2.

15 Принцип работы лазера

16 УСТРОЙСТВО ЛАЗЕРА Рабочая среда ЗЕРКАЛО с коэф-том пропус- кания 0 % ЗЕРКАЛО с коэф-том пропус- кания 1 % РАБОЧАЯ СРЕДА (газ) (кристалл)

17 ОПТИЧЕСКИЕ РЕЗОНАТОРЫ ПЛОСКОПАРАЛЛЕЛЬНЫЙ РЕЗОНАТОР (Фабри-Перо) Простейшее условие возникновения стоячих волн в резонаторе: 2d/ = q ( q - целое число ). Для видимого света в резонаторе длиной 10 см, q>

18 ПОПЕРЕЧНЫЕ МОДЫ Распределение амплитуды стоячей волны по поверхности зеркала E nm ~ R nm (r) exp( - j n ) Для данного резонатора набор чисел n, m, q определяет тип (моду) стоячей поперечной электромагнитной ( Transverse Electro Magnetic) волны ТЕМ nmq

19 СТРУКТУРА ПОПЕРЕЧНЫХ МОД Вверху показаны возможные распределения интенсивности луча по экрану. Для нормальной работы большинства приборов и устройств необходимо получение простейшей моды. TEM 00 (Гауссово распределение)

20 ОБЕСПЕЧЕНИЕ РЕЗОНАНСА n Для данной моды: 2d/ = q n НА РИСУНКЕ- сравнение структуры мод типичного резонатора с контуром атомной линии излучения Различие частот соседних групп мод не превышает десятков мегагерц.

21 Различные типы лазеров n Твердотельные лазеры - Рубиновый лазер n Газовые лазеры –Аргоновый лазер –СО 2 лазер –Гелий-неоновый лазер n Полупроводниковые лазеры –Лазерный диод

22 Рубиновый лазер

23 Работа рубинового лазера

24 ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ЛАЗЕРЫ РУБИНОВЫЙ ЛАЗЕР Al 2 O 3 :Cr 3+ Ruby rod Ruby laser

25 ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ЛАЗЕРЫ ЛАЗЕР НА КРИСТАЛЛЕ САПФИРА n Al 2 O 3 :Ti 3+ (перестраиваемый

26 ГАЗОВЫЕ ЛАЗЕРЫ ЛАЗЕР НА ИОНАХ Ar + n 458nm (синий) n 488nm (синий) n 514nm (сине – зеленый)

27 УРОВНИ ЭНЕРГИИ В ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ЛАЗЕРАХ Рабочие уровни в твердотельном лазере на CaF 2 с ураном ( 2,613 мкм) n эффективное возбуждение - оптической накачкой со сплошным спектром

28 УРОВНИ ЭНЕРГИИ В ГАЗОВЫХ ЛАЗЕРАХ n Рабочие уровни в газовом лазере на парах цезия(3,2и7,1 мкм) n Оптическая накачка - только излучением с определенной длиной волны (388,8 нм)

29 СПОСОБЫ НАКАЧКИ ЛАЗЕРОВ Твердотельные лазеры Оптическая накачка (Xe лампа) Полупроводниковые лазеры Электрический ток Газовые лазеры Электрический разряд, химические реакции, радиоактивные излучения ….

30 МЕХАНИЗМЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ В ГАЗОВЫХ ЛАЗЕРАХ СТОЛКНОВЕНИЯ ПЕРВОГО РОДА: (неупругие соударения электронов с атомами в газовом разряде) e + X X* + e СТОЛКНОВЕНИЯ ВТОРОГО РОДА: (в смесях газов - соударения атомов в основном состоянии с возбужденными метастабильными атомами другого сорта) X + Y* Y + X* ФОТОДИССОЦИАЦИЯ: CF 3 J + h CF 3 + J( 2 P 1/2 ) ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ В ГАЗАХ. H + Cl 2 HCl* + Cl

31 Лазеры на смеси газов Четырехуровневая схема E3E3 E0E0 E1E1 E2E2 Возбуждение передается на метастабильный уровень E 2 молекул В Лазерный переход Лазерный переход - с E 2 на E 1 в молекулах В Релаксация к E 0 поддерживает N 2 > N 1 ) Инверсная заселенность N 2 > N 1 Молекулы А возбуждают накачкой на уровень E 3 Накачка

32 ГАЗОВЫЕ ЛАЗЕРЫ He - Ne ЛАЗЕР

33 He-Ne ЛАЗЕР n Обычный источник красного света E3E3 E0E0 E1E1 E2E2 Накачка He Лазерный переход нм He*NeHe + Ne* Инверсная заселенность атомов Ne

34 СО 2 ЛАЗЕР(уровни энергии) Колебательные уровни N 2 и СО 2 практически совпадают и сечение передачи энергии очень велико. Линия генерации 10,6 мкм соответствует окну прозрачности атмосферы

35 СО 2 (+N 2 ) ЛАЗЕР(устройство) 1 - инфракрасное выходное окно, 2 - пружина, 3 - вогнутое зеркало, 4 - сильфон, 5 - юстировочные винты, 6 - откачка, 7 - электроды.

36 ГАЗОВЫЕ ЛАЗЕРЫ CO 2 ЛАЗЕР n 10.6 m n Области применения –Обработка материалов –Хирургия –Дистанционное зондирование –……………

37 МЕДИЦИНА n CO 2 ЛАЗЕР

38 ОБРАБОТКА n CO 2 ЛАЗЕР

39 ЗАПИСЬ НА ОПТИЧЕСКИЕ НОСИТЕЛИ ИНФОРМАЦИИ n CD DVD BD n MD MO