lasery - agh university of science and...
TRANSCRIPT
LASERY
V
A
k ES
Hge
5 1510
i
U[V]
Wzbudzony stan energetyczny atomu
Z III postulatu Bohra h
EE jk
kj
Emisja spontaniczna
Atom absorbuje tylko określone kwanty energii przechodząc ze stanu
podstawowego do wzbudzonego. Zaabsorbowana energia kwantów jest
dokładnie równa różnicy pomiędzy energiami stanów wzbudzonych.
Doświadczenie Francka-Hertza
4.9 eV9.8 ev
Nagroda Nobla 1925
eUm
2
2
1.Elektrony zderzają z atomami Hg
2. Zderzenia są sprężyste (zach. pędu i zach. energii kinetycznej) przed
osiągnięciem napięcia równego U=4.9 V
3. Elektron nie traci energii kinetycznej bo eHg mm
4. Gdy energia kinetyczna elektronu przekroczy 4.9 eV prąd spada, gdyż
część elektronów straciła energie kinetyczną na zderzenia niesprężyste E1=4,9eV
E0=0
E1=4,9eV
E0=0
atom przed zderzeniem
z elektronematom po zderzeniu
z elektronem
atom przed
emisją fotonu
atom po
emisji fotonu
ultrafiolet
Dyskretne widmo atomu – jeśli wzbudzony atom powraca do stanu podstawowego
na różne sposoby:
• bez emisji fotonu (elektron przy zderzeniu z atomem odbiera wzbudzenia –
zderzenia niesprężyste II rodzaju),
•promieniowanie rezonansowe – gdy wzbudzony atom ze stanu n-tego
przechodzi z emisją fotonu do stanu podstawowego, cz. emitowane jest
promieniowanie o długości fali promieniowania padającego.
nm
Wzbudzanie za pomocą fotonów
E2
E1
E2
E1
przed
absorpcją
po
absorpcji
fotonu
h
Rozkład Boltzmana-Maxwella
Zbiór atomów wysyła fotony w przypadkowych kierunkach i w przypadkowych
chwilach, więc akty emisji są od siebie niezależne i podlegają prawom
statycznym. W chwili t na wzbudzonym poziomie energetycznym znajduje się N
atomów. Prawdopodobieństwo przejścia (-dN) atomów ze stanu wzbudzonego
do stanu podstawowego w czasie dt.
AdtN
dN
t
t
AdtN
dN
0
Wykładnicze prawo zaniku atomów wstanie wzbudzenia
AteNN 0
Różne czasy życia dla różnych stanów wzbudzonych ( ) ][1010 78 s
N(t)
t
N0
Średni czas życia poziomu energetycznego 0
1
0
N
tN
i
i
N(t)= N0exp(-t/)
Dla Hg 4.9 eV =9.8 10-8 [s]
Wzbudzenie termiczne
Liczba atomów w n-tym stanie wzbudzonym w danej temperaturze
N
E
N0
E0 E1 E2
N1
N2
T=const
N(E)=N0exp[-(En-E0)/kT]
Emisja wymuszona
Foton wyemitowany spontanicznie przez jeden z atomów wzbudzonych
spotykając drugi atom wzbudzony powoduje przejście tego atomu do stanu
podstawowego z emisją drugiego identycznego fotonu. Emisja wymuszona jest
przejściem rezonansowym. Wiązka promieniowania powstała w wyniku
kolejnych aktów emisji wymuszonej będzie monochromatyczna, zbieżna i
spójna.
Laser – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
Aby w układzie przeważała emisja wymuszona to w wyższym stanie
energetycznym powinno znajdować się więcej atomów niż w stanie niższym,
otrzymujemy wtedy rozkład antyboltzmanowski.
N
EE0 E1 E2
Rozkład
antyboltzmannowski
Taki rozkład można otrzymać za pomocą zderzeń z innymi atomami lub za
pomocą pompowania optycznego cz. Wzbudzania atomów na wyższe poziomy
przez ich oświetlenie.
E1
E0
E2
pompowanie
2 poziom
krótkozyjący
1 poziom
metatrwały
0 poziom
podstawowy
Promieniowanie
laserowe
Bombardując elektronami lub oświetlając fotonami wzbudzamy
atomy do poziomu . Wzbudzone atomy przechodzą do stanu podstawowego
lub na długożyjący (metatrwały) poziom . Poziom zapełnia się (prowadząc
do inwersji obsadzeń ), że jest w nim więcej atomów niż w . Jeżeli do
układu wpadnie foton o częstości rezonansowej to spowoduje on
emisję wymuszoną ze względu na wyższe prawdopodobieństwo emisji niż
absorpcji. Lawinowy rozwój emisji wymuszonej zachodzi jeśli foton pozostanie w
układzie pomiędzy zwierciadłami lasera w odległości .
h
EE 022
2E 0E
1E1E
01 NN
h
EE 01
1
0E
2
>>
Laser He – Ne
21s
23s
He
Ne
21
20
18
17
16
19
pompow.
3s
2s
2p
1s
=633nm
=600nm
poziom podst.
spójne laserowe
promieniowanie
niespójne
promieniowanie
EeV
Atomy He wzbudzane są energią kinetyczną elektronów (wyładowanie w gazie) do
poziomów 21s i 23s metatrwałych. W wyniku zderzeń atomów He z atomami Ne
atomy Ne są wzbudzone do stanu 3s i 2s, atomy He powracają do stanu
podstawowego. Stany 3s i 2s Ne są metatrwałe (N1>N0), występuje inwersja tych
stanów względem stanu p.
>
Laser rubinowy – pręt z kryształu Al2O3 z czynnymi jonami w postaci domieszki Cr.
E2
E1
E0
poziom krótkożyjący
emisja spontaniczna
poziom metatrwały
promieniowanie laserowe
550nm
h
h=E1-E0
w wyniku absorpcji fotonów 550 nm przez atomy Cr wzrasta obsadzenie poziomu E2
emisja spontaniczna zwiększa obsadzenie stanu E1 zachodzi inwersja
obsadzeń
w wyniku pochłonięcia energii rezonansowej fotonu dochodzi do
wymuszonej emisji lawinowej.
01 EEh
01 NN
>>
>
^
^
^
zwierciadło
Zwierciadło
półprzepuszczalne
+ -
Fotony uciekające z boku
Pręt Al2O3
Lampa błyskowa
generująca pompowanie
optyczne
Statystyki fotonów
Porównując rozkład B-E z rozkładem Poissona widać, że światło termiczne ma znacznie szerszy rozkład niż światło spójne
Przypadkowe (niespójne) źródła, gwiazdy, żarówki, emitują fotony o przypadkowych czasach rejestracji i rozkładzie Bosego-Einsteina.
Lasery (spójne) źródła, posiadają bardziej jednorodny rozkład statystyczny: Poissona.