Laseri i njihova primena
This presentation is the property of its rightful owner.
Sponsored Links
1 / 31

LASERI I NJIHOVA PRIMENA PowerPoint PPT Presentation


  • 171 Views
  • Uploaded on
  • Presentation posted in: General

LASERI I NJIHOVA PRIMENA. Niš, 2005. Profesor : J. Karamarković Autori : Veselinović Ana Grahovac Milena. Sadržaj. Uvod Emisija i apsorpcija zračenja Spontana i stimulisana emisija svetlosti Istorijat i princip rada lasera Pojam koherencije

Download Presentation

LASERI I NJIHOVA PRIMENA

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Presentation Transcript


Laseri i njihova primena

LASERI I NJIHOVA PRIMENA

Niš, 2005.

Profesor: J. Karamarković

Autori: Veselinović AnaGrahovac Milena


Sadr aj

Sadržaj

  • Uvod

  • Emisija i apsorpcija zračenja

  • Spontana i stimulisana emisija svetlosti

  • Istorijat i princip rada lasera

  • Pojam koherencije

  • Praktične metode za dobijanje inverzne naseljenosti i tipični laserski materijali

  • Laseri čvrstog stanja

  • Neodijumski laseri

  • Drugi materijali za lasere čvrstog stanja

  • Tečni laseri

  • Gasni laseri

  • CO2 laser

  • Poluprovodnički p-n laseri

  • Laserska spektroskopija

  • Holografija

  • Obrađivanje materijala pomoću lasera

  • Literatura


Laseri i njihova primena

Uvod

  • Light

    Amplification by Stimulated

    Emission of Radiation-

    pojačanje svetlosti stimulisanom emisijom zračenja

  • Prvi uređaji na ovom principu- MASERI

  • 1964. Nobelova nagrada- Taunes, Basov i Prohorov

sadržaj


Emisija i absorpcija zra enja

Emisija i absorpcija zračenja

  • “izolovani atomi”- skup atoma u kome nema međusobnog dejstva između atoma i nema dejstva spoljašnjih sila

  • Energija atoma (dok se elektron nalazi na nekoj putanji)- zbir kinetičke i potencijalne energije

  • Energija elektrona zavisi od rastojanja od jezgra.

  • Kada elektron pređe na nivo sa manjom energijom emituje se kvant energije ili foton (razlika energija koju je imao elektron pri prelasku sa jedne putanje na drugu).

  • Prelaskom iz stanja nize energije u stanje sa višomenergijom atom absorbuje foton.

sadržaj


Laseri i njihova primena

  • Pri apsorpciji energija fotona dovodi atom u pobuđeno stanje.

  • Putanje elektrona- kružne i eliptične

  • Pri prelasku elektrona sa kružne na eliptičnu putanju dolazi do promene ukupne energije atoma.

  • Elektroni koji se kreću izazivaju oko sebe magnetno polje, što karakteriše magnetni kvantni broj.

  • Sopstveno kretanje elektrona (rotaciju oko svoje ose) karakteriše spinski kvantni broj (spin).

  • Svaka promena vrednosti kvantnih brojeva dovodi do promene energije.

sadržaj


Spontana i stimulisana emisija svetlosti

Spontana i stimulisana emisija svetlosti

  • 1917.- Ajnštajn pokazuje da ukupna verovatnoća (Pnm) da će jedan atomski sistem koji se sastoji od N pobuđenih atoma preći izstanja energije En u neko stanje niže energije:

    Pnm = Anm + UvBnm

  • Pri spontanom prelazu dolazi do emitovanja svetlosti, a takva emisija se naziva spontana emisija.

  • Ovakva svetlost naziva se nekoherntna.

  • Stimulisana emisija je svaki tip emisije pobuđenih atoma.

  • Ovakvo zračenje naziva se koherentno.

sadržaj


Istorijat i princip rada lasera

Istorijat i princip rada lasera

  • Laseri- uređaji za generisanje i pojačavanje monohromatskih koherentnih elektromagnetnih talasa u vidljivom, infracrvenom ultraljubicastom i u poslednje vreme rendgenskom delu spektra

  • Maks Plank- kvant energije- najmanja porcija u kojoj se u prirodi emituje ili absorbuje energija

  • Ajnštajn je postulirao postojanje fotona kao pojavnog oblika svetlosti

sadržaj


Laseri i njihova primena

  • Svaki foton imaenergiju proporcionalnu frekvenciji svetlosti koju reprezentuje, a obratno proporcionalnu talasnoj dužini:

    Efot = h = h · c/ = h/2

  • Prvi oslobođeni foton ili snop fotona treba da bude iste energije (talasne dužine) kao i fotoni koje će emitovati atomi pri prelasku iz pobuđenog u osnovno stanje; u tom slucaju sakupljena svetlost će biti monohromatska i visoko koherentna.

sadržaj


Laseri i njihova primena

  • 1954.- konstrukcija prvih uređaja za pojačavanje mikrotalasnog zračenja

  • Konstrukcija prvog gasodinamičkog CO2 lasera- 1966.

  • Kasnije se konstruišu mnogi laseri sa čvrstim supstancama kao aktivnom sredinom.

  • Svi ovi laseri nazivaju se optički, jer pokrivaju uglavnom vidljivi deo spektra.

  • Od 1984. intenzivno se radi na razvoju rendgenskog lasera.

sadržaj


Laseri i njihova primena

  • Osnova za funkcionisanje lasera je svojstvo nekih supstanci da spontano ostvaruju inverznu naseljenost energijskih nivoa.

  • Veliki broj elektrona pri tom napušta osnovne nivoe i seli se u viša, metastabilna stanja, odakle mogu, opet spontano, da se vrate u niži energetski nivoi emituju foton čija je energija jednaka razlici energije dva nivoa između kojih se vrši prelaz:

    Efot = E = Emeta – Eo

sadržaj


Laseri i njihova primena

  • Kod aktivnih supstanci veći broj elektrona se nalazi u metastabilnim stanjima, što ih čini pogodnim za korišćenje kod lasera.

  • Ukoliko se kroz takvu sredinu propusti foton ili snop fotona sa rezonantnom energijom, nastupiće tzv. stimulisano zračenje u obliku prelaza sa viših na niže nivoe u mnogim atomima, što oslobađa nove fotone koji propagiraju u istom pravcu i smeru kao i upadni fotoni.

  • Na ovom efektu je zasnovan rad najvećeg broja lasera.

sadržaj


Laseri i njihova primena

  • Emitovana svetlost je monohromatska (svi fotoni su iste talasne dužine, odnosno energije.

  • Prvi, Maimanov laser (1960.) je kao aktivnu sredinu koristio rubin-kristal aluminijumskog oksida (Al2O3) u kome su neki atomi aluminijuma (0,05% celokupnog broja) zamenjeni atomima hroma (Cr).

  • Laserski zraci su koherentni, sa konstantnom faznom razlikom i strogo paralelni.

  • Ubrzo posle pojave prvog optičkog lasera uspesno su se pokazali i neodim (Nd), prazeodim (Pr), talijum (Tm), holijum (Ho), erbijum (Er), iterbijum (Yb), gadolinijum (Gd), pa čak i uranijum (U); korišćeni su i strani supstrati, kao npr. YAG (itrijum-aluminijumski granit), kalcijum fluorid (CaF2) i dr.

  • 1962. sovjetski fizičari Basov i Oraevski projektovali su metod dobijanja inverzne populacije u molekularnim sistemima putem naglog hlađenja gasa.

sadržaj


Laseri i njihova primena

  • Prototip prvog gasnog lasera proradio je 1962. u Avco Everett istraživackoj laboratoriji.

  • CO2 laseri danas imaju veoma široku primenu, posebno za pripremu, sečenje, topljenje i legiranje materijala.

  • Pored CO2 lasera, glavni kandidat za ulogu “drajvera” u procesu laserske fuzije je laser na neodimskom staklu (korišćen je u uređaju Nova).

  • Radna supstanca je hemijski čisto staklo dopirano atomima neodima (Nd).

  • Još jedna vrsta koja bi se koristila za procese direktne fuzije je gasni laser na bazi mešavine kriptona i fluora sa dodatkom argona (KrF- laser).

  • Danas se upotrebljavaju laseri na bazi metalnih para, tečnih organskih boja i poluprovodnički laseri.

sadržaj


Pojam koherencije

Pojam koherencije

  • Polje talasa prirodnog svetlosnog izvora je nekoherentno, tj. amplitude i faze u različitim tačkama nisu međusobno povezane.

  • Posmatrajmo polje zračenja u zapremini V koja se nalazi na udaljenosti R od svetlosnog izvora površine A. Izaberimo dve tačke u ovoj zapremini i ispitajmo vezu faza u ovim dvema tačkama radiacionog polja i to u bilo kojem vremenu. Ukoliko je zapremina u kojoj se nalaze tačke manja od neke zapremine Vc (koherentna zapremina), moguće je definisati srednju faznu vezu koja se zadržava u toku vremena između zračenja i dve tačke. Ako pomerimo tačke van granica koherentne zapremine veza između zračenja u tačkama počinje da fluktuira haotično u vremenu. Koherentna zapremina može da se poveže sa dimenzijama izvora A i sa spektralnom poluširinom  zračenja koje se iz njega emituje, tj.

    Vc~²R²c/A

sadržaj


Laseri i njihova primena

  • Koherentna zapremina ima svoje dimenzije: koherentnu dužinu Sc = c /  duž pravca prostiranja i koherentnu površinu ²R² / A normalnu na pravac prostiranja. Koherentno vreme je direktno povezano sa koherentnom dužinom pomoću Sc = c · tc.

  • Ako izaberemo dve tačke u ravni normalnoj na pravac prostiranja, tada istražujemo prostornu koherentnost zračenja.

  • Merilo prostorne koherencije je veličina koherentne površine.

  • Ako izaberemo dve tačke duž pravca prostiranja, koristimo koherentnu dužinu (ili koherentno vreme) da opišemo koherentno ponašanje zračenja.

sadržaj


Laseri i njihova primena

  • Vremenska koherentnost se može poboljšati propuštanjem zračenja kroz optički rezonator, koji se još naziva i Fabry-Perot interferometar sa ravnim ogledalima.

  • Ukoliko su dva signala koherentna, to ne znači da moraju da imaju istu frekvenciju.

  • Da bismo dobili prostorno koherentno zračenje najčešće primenjujemo uređaj sa slike. Upadno zračenje osvetljava prvu pukotinu na kojoj zatim dolazi do pojave difrakcije.

sadržaj


Laseri i njihova primena

  • Ako uzmemo da ove pukotine imaju isti dijametar d, druga pukotina je osvetljena koherentno pod uslovom da je zadovoljen sledeći uslov:

    d / 2l =  / d

  • U praksi se uslov za koherentno osvetljavanje još više pooštrava:

    N = (d / 2)² / l  = 1

  • Obe metode za dobijanje koherentnog zračenja (pomoću Fabry-Perot interferometra i na način opisan slikom) su povezane sa velikim gubicima energije.

  • U laserskom oscilatoru se celokupno zračenje generiše prostorno i vremenski koherentno.

sadržaj


Prakti ne metode za dobijanje inverzne naseljenosti i tipi ni laserski materijali

Praktične metode za dobijanje inverzne naseljenosti i tipični laserski materijali

Lasere možemo klasifikovati prema načinu pumpanja aktivne sredine na:

  • Lasere sa optičkim pobuđivanjem;

  • Lasere sa pobuđivanjem sudarima sa elektronima;

  • Lasere sa prolaskom električne struje kroz materijal itd.

sadržaj


Laseri vrstog stanja

Laseri čvrstog stanja

  • Aktivni materijali lasera čvrstog stanja su dielektrici.

  • Jedini način da se stvori inverzna populacija je metoda optičkog pumpanja.

  • Ukoliko se elektroni sa osnovnog stanja mogu direktno putem absorpcije zračenja prebaciti na proširene nivoe, onda se optičko pumpanje može ostvariti uspešno.

  • Npr. kod Cr³⁺ (zaštićen samo jednom spoljašnjom ljuskom) uticaj kristalne rešetke je veoma izražen, pa je rubin Al2O3: Cr³⁺ jedini kristal u kome se iz jona hroma može dobiti laserska emisija.

sadržaj


Neodijumski laseri nd staklo

Neodijumski laseriNd: staklo

  • Dva tipična stakla koja se upotrebljavaju za izradu lasera ili laserskih pojačala su ED-2 i EGH-5 (predstavnici silikatnih i fosfatnih stakala).

  • Za rad sa velikim učestanostima kristalni laseri su zgodniji jer imaju veće pojačanje i bolju termalnu provodljivost.

  • Za razliku od kristala, koncentracija aktivnih jona može biti velika u staklima.

  • Nd: staklo sistem ima 4 energetska nivoa.

  • Apsorpcioni maksimumi leže u oblasti 700-900 nm.

  • Pored Nd: stakla postoji i Nd:YAG laser.

sadržaj


Drugi materijali za lasere vrstog stanja

Drugi materijaliza lasere čvrstog stanja

  • Osim rubina, Nd:staklo i Nd:YAG, postoji veći broj lasera čvrstog stanja ali se mnogo manje upotrebljavaju.

  • Laser na bazi Dy²⁺ (disporzijum) u CaF2, u zavisnosti od temperature može da radi kao sistem od 3 ili 4 energetska nivoa.

sadržaj


Te ni laseri

Tečni laseri

  • Najpre su se razvijali organometalni ili hetalni laseri 1963.

  • Zatim se razvijaju organski i neorganski tečni laseri.

  • 1966. otkriven je prvi tečni laser sa organskim bojama.

  • Tečni laseri sa organskim bojama su najvažniji zbog mogućnosti kontinualnog podešavanja talasne dužine laserske emisije.

sadržaj


Gasni laseri

Gasni laseri

  • Kod gasnih lasera se naročito efikasno upotrebljava molekularni CO2 – laser za optičko pobuđivanje lasera u dalekoj infracrvenoj oblasti koja se graniči sa mikrotalasnim područjem.

  • Najčešća pobuda kod gasnih lasera je sudarna eksitacija.

  • Ovaj način pobuđivanja gasa osvaruje se u laserskim cevima gde su ugrađene elektrode na koje se dovodi električni napon.

  • Pod dejstvom električnog polja dolazi do jonizacije gasa u cevi, a elektroni se između katode i anode ubrzavaju i sudaraju se sa česticama gasa.

  • Elektron deo energije predaje čestici koja se pobuđuje.

  • Da bi došlo do absorpcije zračenja u jednom atomskom spektru, zračenje mora da ima tačno određenu frekvenciju, tj.

    hmin = En - Em

sadržaj


Co 2 laser

CO2 laser

  • Prvi CO2 laser proradio je 1964. godine.

  • Laserska emisija je dobijena na nekoliko stotina prelaza u oblasti od 8,7 do 11,8 m, s tim što se najsnažnija emisija dobija u oblasti 10,6 m.

  • Prvi CO2 laser je proradio sa čistim CO2 , a veće snage su dobijene tek kada je dodat azot koji je višestruko povećao snagu lasera.

  • Vibraciona stanja CO2 molekula se opisuju sa tri kvantna broja V1: opisuje broj vibracionih kvanata u simetričnom modu, V2 : broj vibracionih kvanata u modu savijanja, V3 : broj vibracionih kvanata u asimertičnom modu oscilovanja.

  • Kao dodatni gas najčešće se uporebljava helijum.

sadržaj


Laseri i njihova primena

  • Kao dodatni gas najčešće se uporebljava helijum.

  • Uloge He su sledeće:

  • Usled velike toplote provodnosti He smanjuje temperaturu gasa u pražnjenju, pa na taj način smanjuje broj sudarnih deeksitacija gornjeg laserskog nivoa CO2 (001);

  • Smanjuje temperaturu elektrona u pražnjenju, što dovodi do efektnije eksitacije N2 ( V=0 ) u N2 ( V=1 ) i CO2 ( 000 ) u CO2 ( 001 );

  • Vrši efikasno deeksitaciju CO2 ( 010 ) nivoa.

sadržaj


Poluprovodni ki p n laseri

Poluprovodnički p-n laseri

Ec – ivica provodne zone, Ev – ivica valentne zone

  • Poluprovodnik sa leve strane je dopiran nečistoćama koje ga čine degenerisanim poluprovodnikom n-tipa, dodato je dovoljno e⁻ pomoću donorski8h nečistoća tako da je popunjena cela provodna zona sve do Fermijevog nivoa F. Sa desne strane dodaju se akce3ptorske nečistoće koje prazne e⁻ iz valentne zone ( dodaju pozitivne šupljine do energije F ).

  • Ukoliko nije doveden napon na p-n spoj ( slika a ), e⁻ teku sa n strane ka p dok se ne nagradi potencijalna barijera VB koja sprečava dalji tok e⁻. Ako se dovede napon tako da se redukuje potencijalna barijera, nastaje situacija kao na slici b.

sadržaj


Laserska spektroskopija

Laserska spektroskopija

  • Ako zrak svetlosti prolazi kroz homogeni medij, svetlost se rasprašuje napred, u smeru širenja. Rasprašeni talasi u svim ostalim smerovima destruktivno interferiraju.

  • Fluktuacije dielektrične konstante medija  koje izazivaju rasprašenje mogu biti propagirajuće ili nepropagirajuće, pa će raspršenje biti neelastično, odnosno elastično.

  • Neelastično rasprašenje zahteva sačuvanje momenta i energije između upadnog fotona ( K⃗i, i ), rasprašenog fotona ( K⃗s, s ) i kolektivne eksitacije, koja uzrokuje rasprašenje ( q,  ).

    K⃗s = K⃗i + q i hs = hi + h

  • Za koherentno elastično rasprašenje:

    s = i K⃗s = K⃗i + q

  • Intenzitet rasprašene svetlosti:

    Is = 〈⃒Es⃒〉²

    Es- električno polje rasprašene svetlosti

sadržaj


Holografija

Holografija

  • Jedna od primena lasera je i holografija ( grč. holos, graphos – potpun zapis svojstava svetlosnog talasa ).

  • Amplituda talasa određuje intenzitet, a njegove varijacije beleži klasična fotografija.

  • Podatak o amplitudi svetlosti u trenutku snimanja ostaje tako sačuvan, dok je podatak o fazi izgubljen.

  • Osnovu holografije čini beleženje faznih odnosa svetlosnih talasa, što se može učiniti samo pomoću interferencijskih efekata.

  • Holografija koristi interferencijsku metodu kojom fazne odnose pretvara u odgovarajuće amplitudne odnose, koji se onda mogu registovati.

  • Najvažnija primena holografije je interferometrija.

sadržaj


Obra ivanje materijala pomo u lasera

Obrađivanje materijala pomoću lasera

  • Prednost obrade materijala laserom:

    • Postiže se ekstremna čistoća i nema kontaminacije;

    • Nema pritiska na površinu koju osvetljava;

    • Svi važni parametri se mogu kontrolisati električki ili elektronički.

  • Zavarivanje – tačkasto i kvazi-kontinuirano

  • Podešavanje otpora

  • Rezanje

sadržaj


Literatura

Literatura

  • Fizika lasera – dr Ljubomir Ćirković

  • Laserska fuzija – Moma Jovanović (neobjavljeno)

  • Uvod u kvantnu elektroniku (laseri) – Nikola Konjević

  • Laser (fizikalne osnove, konstrukcija i primena) – dr Stjepan Lugomer, mr Mladen Stipančić

  • Fizika za IV razred gimnazije – Milan Raspopović, Darko Kapor, Mario Škrinjar

sadržaj


Gra evinsko arhitektonski fakultet u ni u

GRAĐEVINSKO-ARHITEKTONSKIFAKULTET U NIŠU


  • Login