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

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

Когерентное и некогерентное излучение

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

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

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)

Поглощение и спонтанное излучение фотонов

Вынужденное излучение фотонов

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

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

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

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

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

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.

Принцип работы лазера

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

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>

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

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)

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.

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

Рубиновый лазер

Работа рубинового лазера

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

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

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

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

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)

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

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

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

ГАЗОВЫЕ ЛАЗЕРЫ He - Ne ЛАЗЕР

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

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

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

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

МЕДИЦИНА n CO 2 ЛАЗЕР

ОБРАБОТКА n CO 2 ЛАЗЕР

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