laseri - cadredidactice.ub.ro · intensitatea radiaţieiincidente, dar are...

16
LASERI NOTIUNI FUNDAMENTALE.APLICATII

Upload: duongdiep

Post on 29-Aug-2019

233 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: LASERI - cadredidactice.ub.ro · intensitatea radiaţieiincidente, dar are aceeaşifrecvenţă,acesta reprezintăun amplificator cuantic de radiaţie, iar dacă frecvenţa radiaţiei

LASERI

NOTIUNI FUNDAMENTALE.APLICATII

Page 2: LASERI - cadredidactice.ub.ro · intensitatea radiaţieiincidente, dar are aceeaşifrecvenţă,acesta reprezintăun amplificator cuantic de radiaţie, iar dacă frecvenţa radiaţiei

Efectul de amplificare se bazează pe fenomenul emisiei induse

• Un atom în stare excitată se poate dezexcita spontan

• Un atom în stare excitată se poate dezexcita în urma unui stimul exterior cu o energie egală cu cea a stimului

• FOTONUL INCIDENT ESTE MULTIPLICAT

Page 3: LASERI - cadredidactice.ub.ro · intensitatea radiaţieiincidente, dar are aceeaşifrecvenţă,acesta reprezintăun amplificator cuantic de radiaţie, iar dacă frecvenţa radiaţiei

Pentru a activa inversia de populaţie este necesară activarea atomilor pe nivele energetice superioare fenomen numit populare

Page 4: LASERI - cadredidactice.ub.ro · intensitatea radiaţieiincidente, dar are aceeaşifrecvenţă,acesta reprezintăun amplificator cuantic de radiaţie, iar dacă frecvenţa radiaţiei

Emisie spontană. Emisie stimulată

Page 5: LASERI - cadredidactice.ub.ro · intensitatea radiaţieiincidente, dar are aceeaşifrecvenţă,acesta reprezintăun amplificator cuantic de radiaţie, iar dacă frecvenţa radiaţiei

Emisie spontană. Emisie stimulată

Page 6: LASERI - cadredidactice.ub.ro · intensitatea radiaţieiincidente, dar are aceeaşifrecvenţă,acesta reprezintăun amplificator cuantic de radiaţie, iar dacă frecvenţa radiaţiei

Pomparea singură nu produce efect laser

• Este necesară realizarea condiţiilor energetice pentru producerea de inversie de populaţie

• Este necesară apariţia emisiei stimulate

Page 7: LASERI - cadredidactice.ub.ro · intensitatea radiaţieiincidente, dar are aceeaşifrecvenţă,acesta reprezintăun amplificator cuantic de radiaţie, iar dacă frecvenţa radiaţiei

AMPLIFICATOARE ŞI GENERATOARE CUANTICE

Dacă într-un dispozitiv cuantic intensitatea radiaţiei emise este mai mare ca

intensitatea radiaţiei incidente, dar are aceeaşi frecvenţă, acesta reprezintă un amplificator

cuantic de radiaţie, iar dacă frecvenţa radiaţiei emise e diferită de frecvenţa radiaţiei

incidente, dispozitivul reprezintă un generator cuantic.

Intr-un amplificator sau generator cuantic de radiaţie o importanţă deosebită o

prezintă emisia spontană de radiaţie, care este considerată ca un "zgomot de fond".

Efectul acesteia poate fi redus prin mărirea intensităţii radiaţiei incidente peste o anumită

valoare numită intensitate de prag. Din compararea radiaţiei stimulate cu radiaţia

spontană se observă că faza radiaţiei spontane are o valoare întâmplătoare şi, ca urmare,

radiaţia spontană nu este coerentă, în timp ce radiaţia stimulată are aceeaşi fază cu

radiaţia incidentă şi, ca atare, radiaţia stimulată este coerentă.

Page 8: LASERI - cadredidactice.ub.ro · intensitatea radiaţieiincidente, dar are aceeaşifrecvenţă,acesta reprezintăun amplificator cuantic de radiaţie, iar dacă frecvenţa radiaţiei

Generatoarele şi amplificatoarele cuantice poartă nume diferite în funcţie de

domeniul spectral al radiaţiei stimulate pe care o produc. Denumirea de maser =

amplificator de microunde prin emisie stimulată de radiaţie - desemnează instalaţii care

emit radiaţii în domeniul microundelor (λ=1 cm, v=30 GHz). Denumirea de laser =

amplificator de lumină prin emisie stimulată a radiaţiei (light amplification by

stimulated emission of radiation) - o au instalaţiile care emit radiaţii în domeniul optic

(λ=0,4-0,8 μm) şi în infraroşul apropiat.

Laserii, după mediul activ pe care-l au, se pot clasifica în diferite moduri.

Aici, vom trata pe scurt numai laserul cu rubin (mediu activ solid) şi laserul cu He-Ne

(cu gaz).

Page 9: LASERI - cadredidactice.ub.ro · intensitatea radiaţieiincidente, dar are aceeaşifrecvenţă,acesta reprezintăun amplificator cuantic de radiaţie, iar dacă frecvenţa radiaţiei

Laserul cu rubin

Primul laser a fost realizat de Maiman în 1960, obţinând în rubin tranziţii laser

în roşu. Vom face o descriere a laserului cu rubin (fig.1.1.), în care se utilizează o bară

cilindrică de monocristal de rubin R, având cele două feţe S1 şi S2 argintate astfel: unul din

capete are coeficientul de reflexie, practic, egal cu unu, iar celălalt capăt are o transparenţă

de 4%. Bara de rubin este înfăşurată cu un tub T în formă de spirală, umplut cu xenon, în

care se poate provoca o descărcare electrică, acesta constituind mecanismul de pompaj

optic. Întregul ansamblu este introdus într-un cilindru C, acoperit pe interior cu un strat

reflectant de oxid de magneziu.

Fig. 1.1

Laser cu rubin: Raza laser1. ; 2. Sursa de emisie; 3. Laser

mediu; 4.Oglinda puternic reflectorizanta ; 5. Rezonator optic;

6. Oglinda partial reflectorizanta

Page 10: LASERI - cadredidactice.ub.ro · intensitatea radiaţieiincidente, dar are aceeaşifrecvenţă,acesta reprezintăun amplificator cuantic de radiaţie, iar dacă frecvenţa radiaţiei

Prin trecerea unui impuls de curent de înaltă frecvenţă prin tubul T, se produce un

impuls de lumină care, ajungând pe R prin reflexii pe suprafaţa interioară a cilindrului,

provoacă emisia unei radiaţii laser.

Explicarea fenomenului este următoarea: mediul activ este o bară de rubin roz care

este un oxid de aluminiu (Al2O3), dopat cu aproximativ 0,05 % ioni de Cr+3, care înlocuiesc

ionii Al+3 în reţeaua cristalină. Inversia de populaţie se realizează între două nivele

energetice ale ionului de Cr+3 (fig.1.2). Când lumina de culoare verde emisă de tubul de

xenon (λ=5600 Å) ajunge în bara R, ionii de Cr+3 trec de pe nivelul E1 pe nivelul E3 unde

stau mai puţin de 10-8 s, după care, prin emisie neradiativă (emisie de fononi), trec pe nivelul

E2 (metastabil - unde stau 10-3 s). Timpul de viaţă lung în starea E2 face ca pe acest nivel să

se acumuleze un număr mare de ioni de Cr+3, în timp ce starea E1 este sărăcită, realizându-se

astfel inversia de populaţie. La revenirea ionului de Cr+3 de pe nivelul E2 pe nivelul E1, se

emite o radiaţie laser de culoare roşie cu λ=6943 Å.

Fig. 1.2

Page 11: LASERI - cadredidactice.ub.ro · intensitatea radiaţieiincidente, dar are aceeaşifrecvenţă,acesta reprezintăun amplificator cuantic de radiaţie, iar dacă frecvenţa radiaţiei

Emisia neradiativă nu deranjează radiaţia laser, deoarece ea este formată din

cuante de energie termică, care sunt absorbite de reţeaua monocristalului şi care provoacă

doar încălzirea barei.

Emisia spontană între nivelele E2 şi E1 este formată din fotoni care se deplasează

în toate direcţiile (fig.1.3). Acei fotoni care se deplasează paralel cu axa barei sunt

multiplu reflectaţi pe feţele S1 şi S2, producând, de fapt, emisia stimulată. Acei fotoni, care

se deplasează pe direcţii diferite faţă de axa barei de rubin, ies din cristal, fie direct, fie

după un număr oarecare de reflexii pe cele două feţe.

Fig. 1.3

Page 12: LASERI - cadredidactice.ub.ro · intensitatea radiaţieiincidente, dar are aceeaşifrecvenţă,acesta reprezintăun amplificator cuantic de radiaţie, iar dacă frecvenţa radiaţiei

Laserul cu rubin lucrează în regim de impulsuri, aceasta datorându-se faptului

că pe lângă condiţia de inversie de populaţie, ce trebuie realizată, mai trebuie satisfăcută

condiţia N2-N1»Nprag unde N1 şi N2 reprezintă numărul de particule de pe nivelul E1,

respectiv E2. Dacă condiţia de prag este satisfăcută, atunci are loc emisia unei radiaţii

laser sub forma unui impuls (fig.1.3), care se repetă la intervale egale de timp, datorită

faptului că pompajul nu ţine pasul cu emisia.

In dispozitivul descris, laserul cu rubin funcţionează ca un generator cuantic de

radiaţie deoarece este pompat optic cu o radiaţie verde (λ=5600 Å) şi generează una

roşie (λ=6943 Å), emisia stimulată fiind provocată de primii fotoni emişi spontan.

Funcţionarea lui ca amplificator cuantic se realizează prin iradierea cu radiaţie

roşie (λ=6943 Å), şi prin emisie stimulată apare o radiaţie de aceeaşi lungime de undă,

dar de intensitate mai mare.

Fig. 1.4

Page 13: LASERI - cadredidactice.ub.ro · intensitatea radiaţieiincidente, dar are aceeaşifrecvenţă,acesta reprezintăun amplificator cuantic de radiaţie, iar dacă frecvenţa radiaţiei

Laserul cu He-Ne

Există multe tipuri de laser care au ca mediu activ gaze sau amestecuri de gaze,

care pot fi atomice (heliu, neon, argon, kripton, etc.) sau moleculare (CO2).

Vom descrie numai laserul cu amestec de He-Ne a cărui schemă este dată în

figura 2.1. Mediul activ, format din amestecul de He şi Ne în proporţie de 5 atomi de He

la un atom de Ne, la presiunea de 0,6 torri, se află într-un tub între oglinzile O1 şi O2.

In laserul cu gaz inversiunea de populaţie nu se mai realizează prin pompaj

optic, ci prin ciocnirile atomilor cu electronii. Electronii sunt produşi prin ionizarea unor

atomi cu ajutorul unui câmp electromagnetic produs de o tensiune alternativă de înaltă

frecvenţă (v=1014 Hz) aplicată electrozilor de pe tubul de sticlă.

Fig. 2.1

Tub laser He-Ne

Page 14: LASERI - cadredidactice.ub.ro · intensitatea radiaţieiincidente, dar are aceeaşifrecvenţă,acesta reprezintăun amplificator cuantic de radiaţie, iar dacă frecvenţa radiaţiei

In figura 2.2.este dată o schemă simplificată a câtorva nivele de energie

implicate în efectul laser a acestui dispozitiv.

Energia unuia dintre nivelele atomului de He are valoarea E3=20,61 eV, destul

de aproape de nivelul energetic E2=20,66 eV al atomului de Ne. Atomii de He sunt

excitaţi pe nivelul E3 prin ciocnirea lor cu electronii care au energia cinetică egală cu

energia de excitare. Ciocnirea unui atom de He cu atom de Ne conduce la dezexcitarea

neradiativă a atomului de He şi excitarea atomului de Ne pe nivelul E2. Prin trecerea

atomilor de Ne de pe nivelul E2 pe nivelul E1, apare radiaţia laser de culoare roşie

(λ=6328 Å). Apoi, atomii din starea E1 trec în starea metastabilă E1' prin emisie de

radiaţie necoerentă (λ=6680 Å) într-un interval de 18-8 s, după care trec în starea

fundamentală prin emisie neradiativă.

Datorită numărului mare de ciocniri dintre electroni şi atomi, inversiunea de

populaţie se menţine şi în timpul tranziţiei laser şi, ca urmare, laserul poate funcţiona în

mod continuu, dar cu putere nu prea mare.

Fig. 2.2.

Page 15: LASERI - cadredidactice.ub.ro · intensitatea radiaţieiincidente, dar are aceeaşifrecvenţă,acesta reprezintăun amplificator cuantic de radiaţie, iar dacă frecvenţa radiaţiei

Proprietăţile şi aplicaţiile radiaţiei laser.

Principalele proprietăţi ale radiaţiei laser sunt: monocromaticitatea,

direcţionalitatea, coerenţa şi puterea.

Monocromaticitatea este proprietatea prin care o radiaţie are o singură lungime

de undă (o singură culoare). O radiaţie laser este cu atât mai monocromatică cu cât se

încadrează într-o bandă Δλ mai mică. De exemplu, radiaţia laser emisă de laserul cu He-

Ne se încadrează în intervalul Δλ=0,001 Å. Monocromaticitatea se datorează faptului că

toţi fotonii stimulaţi au aceleaşi caracteristici cu fotonul stimulator.

Direcţionalitatea este proprietatea laserului de a emite lumină într-o singură

direcţie, fapt ce se datorează celor două suprafeţe reflectante care asigură menţinerea în

mediul activ numai a fotonilor care se deplasează paralel cu axa tubului.

Coerenţa radiaţiei laser este proprietatea acestuia prin care toţi fotonii au

aceeaşi fază datorită faptului că prin emisia stimulată se produc fotoni cu aceleaşi

caracteristici cu cele ale fotonului incident. O radiaţie este cu atât mai coerentă cu cât

contrastul franjelor de interferenţă, obţinute cu această radiaţie, este mai mare. Experienţe

de interferenţă cu raze laser arată un înalt grad de coerenţă.

Puterea unui laser reprezintă energia transportată de radiaţia laser în unitatea de

timp. Astfel, laserul cu He-Ne are puteri cuprinse între 1 şi 100 mW, laserul cu argon

ionizat are un domeniu de la 1,5 la 10 W, iar laserul cu CO2 poate da puteri până la 1 KW.

Page 16: LASERI - cadredidactice.ub.ro · intensitatea radiaţieiincidente, dar are aceeaşifrecvenţă,acesta reprezintăun amplificator cuantic de radiaţie, iar dacă frecvenţa radiaţiei

Aplicaţii ale radiaţiei laser

In metrologie. Metodele optice pentru măsurarea dimensiunilor, unghiurilor,

planeităţii suprafeţelor şi rectilinităţii sunt recunoscute pentru precizia lor deosebită, dar

acestea rareori au pătruns în industrie din cauza necoerenţei radiaţiei luminoase a surselor

convenţionale. Acest inconvenient a fost înlăturat prin folosirea unei radiaţii laser. De

exemplu, cu un interferometru Michelson cu laser se pot măsura deplasări până la 0.01 μm,

sau prin difracţia unei radiaţii laser pe fire subţiri se pot măsura diametrele acestora, care

pot fi cuprinse între 1 şi 100 μm.

In construcţie. Un fascicul laser, vizibil prin aer, serveşte ca linie de referinţă faţă

de care se aliniază elementele de construcţie.

In prelucrarea materialelor. Direcţionalitatea surselor de radiaţie laser, corelată

cu intensitatea lor deosebită, conduce la posibilitatea de a obţine densităţi de energie foarte

mari capabile să topească materialele cele mai greu fuzibile, să sudeze materiale imposibil

de sudat prin alte metode, să găurească şi să taie materialele cele mai dure, etc.