LASERI I NJIHOVA PRIMENA

1. LASERI I NJIHOVA PRIMENA Niš, 2005. Profesor: J. Karamarković Autori: Veselinović AnaGrahovac Milena

2. 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

3. 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

4. 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

5. 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

6. 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

7. 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

8. 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

9. 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

10. 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

11. 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

12. 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

13. 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

14. 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

15. 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

16. 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

17. 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

18. 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

19. 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

20. 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

21. 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

22. 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

23. 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

24. 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

25. 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

26. 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

27. 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

28. 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

29. 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

30. 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

31. GRAĐEVINSKO-ARHITEKTONSKIFAKULTET U NIŠU