Course Description Overview of the principles of non-coherent

1. pschechner@braude.ac.il pschechner@013.net.il מקורות אור ולייזרים ד"ר פנחס שכנר Course Description Overview of the principles of non-coherent light sources (like the Sun and LED's) and lasers. Different kinds of lasers and their applications in industry and medicineare studied. טבלת משוואות http//brd4.ort.org.il/~pinchas מקורות קרינה ולייזרים - 1 תנאים ללזירה

2. מקורות קרינה ולייזרים - 1 תנאים ללזירה

3. 1. Optoelectronics – An Introduction John Wilson and John Hawkes Pretence Hall Europe (1998) 2. Fundamentals of Photonics Saleh B.E.A. and Teich M.C., John Wiley & Sons Inc., 1991 • Yariv A., • Optical Electronics, 4th edition, • Saunders College Publishing, 1991 מקורות קרינה ולייזרים - 1 תנאים ללזירה

4. טבלה, בכתב יד, פרטני שעות קבלה (לאלו שחיים בשנת 2008(24 שעות ביממה, כל יום ב-: pschechner@braude.ac.il וגם: ימי א' 8:00 עד 8:50 במעבדה לתאי דלק תרגילים להגשה: זוגיים מקורות קרינה ולייזרים - 1 תנאים ללזירה

5. בדף הנוסחאות באתר מקורות קרינה ולייזרים - 1 תנאים ללזירה

6. מקורות קרינה ולייזרים - 1 תנאים ללזירה

7. מקורות אור ולייזרים 1 - תנאים ללזירה מקורות קרינה ולייזרים - 1 תנאים ללזירה

8. איך מתבצע ההגבר של קרינה? מה זה Stimulated? משמעות המילה לייזר איינשטיין 1917 Maiman 1960 מקורות קרינה ולייזרים - 1 תנאים ללזירה

9. N0 hn hn N0 N1 N0 N0 N1 N0 N1 hn N1 N1 hn N0 פרודות ופוטונים בנפח נתון לפי המודל של אינשטיין [1] A. Einstein, “Zur Quantentheorie der Strahlung”, Phys. Z., 19,121,1917 מקורות קרינה ולייזרים - 1 תנאים ללזירה

10. Z Z Eph = hn = hc/l N0 N1 DE = E1 – E0 = Eph תגובות בין הפרודות והפוטונים מקורות קרינה ולייזרים - 1 תנאים ללזירה

11. 1 - בליעה + hn פרודה ברמת יסוד פרודה ברמת מעוררת פוטון 2 - פליטה ספונטנית hn+ hn=DE 2hn+ + hn שלוש תגובות אפשריות בין פוטונים ופרודות בתנאי ש-: hn=DE 3 - פליטה מאולצת תגובת הגברה Amplification מקורות קרינה ולייזרים - 1 תנאים ללזירה

12. בליעה פליטה ספונטאנית N1 hn + N1 N1 + hn N0 + 2hn פליטה מאולצת בכולם יש שינוי של N1 d[N1] N0 + hn N1 dt תגובות אפשריות בין פוטונים ופרודות • http://britneyspears.ac/physics/radiative/radiative.htm http://en.wikipedia.org/wiki/Atomic_spectral_line מקורות קרינה ולייזרים - 1 תנאים ללזירה

13. N0 + hn N1 Absorption N1 hn +N0 Spontaneous Emission N1 + hn N0 + 2hn d[N1]sp = - A10[N1] dt StimulatedEmission d[N1]a d[N1]st = B01[N0][hn] = - B10[N1][hn] dt dt משוואות קינטיות של איינשטיין סדר שני סדר ראשון סדר שני מקורות קרינה ולייזרים - 1 תנאים ללזירה

14. d[N1] = dt Stimulated Emission Spontaneous Emission Absorption - B10[N1][hn] - A10[N1] B01[N0][hn] סדר שני סדר ראשון סדר שני משוואת קינטיות של אינשטיין מקורות קרינה ולייזרים - 1 תנאים ללזירה

15. = 0 d[N1 ] dt בשיווי משקל דינמי [-(d[N1]/dt)st]+[- (d[N1]/dt)sp] =[(d[N1]/dt)a] [בליעה] = [פליטה ספונטנית] +[פליטה מדורבנת] B10[N1] [hn] + A10[N1] = B01[N0] [hn] איך נמצא את המקדמים של איינשטיין? מקורות קרינה ולייזרים - 1 תנאים ללזירה

16. = 0 d[N1 ] dt בשיווי משקל דינמי [בליעה] = [פליטה ספונטנית] +[פליטה מדורבנת] B10[N1] [hn] + A10[N1] = B01[N0] [hn] = 0[בליעה] - [פליטה ספונטנית] +[פליטה מדורבנת] איך נמצא את המקדמים של איינשטיין? מקורות קרינה ולייזרים - 1 תנאים ללזירה

17. התפלגויות פרודות ופוטונים בשיווי משקל התפלגות Planck של פוטונים התפלגות Boltzman לאנרגיה בפרודות מקורות קרינה ולייזרים - 1 תנאים ללזירה

18. 1 8phn3 rn = [joule] c3 ehn/kT- 1 [m3] [Hz] מציאת קבועי התגובה של איינשטיין התפלגות Planck של פוטונים התפלגויות פרודות ופוטונים בשיווי משקל התפלגות Boltzman לאנרגיה בפרודות [N1]/[N0] = e-DE01/kT = e-hn/kT= e-hc/klT [N0]/[N1] = ehn/kT מקורות קרינה ולייזרים - 1 תנאים ללזירה

19. 1 ehc/klT - 1 2phc2 l5 Wl W cm2 mm Wl = T1 T1 T2 l max,2 l max,1 l [mm] התפלגות האנרגיה מקורות קרינה ולייזרים - 1 תנאים ללזירה

20. E E1 E0 N1 N0 [N1]/[N0] = e-hc/klT התפלגות Boltzman c2 = hc/k = 1.24x10-6 [eV m]/8.66x10-5 [eV 0K-1] = 1.432 x 10-2 [m 0K] מקורות קרינה ולייזרים - 1 תנאים ללזירה

21. 1 8phn3 rn = c3 ehn/kT- 1 1 8phn3 rn = c3 [N0]/[N1]- 1 נציב [N0]/[N1] = ehn/kT שילוב משוואות התפלגויות בשיווי משקל ב- נקבל: מקורות קרינה ולייזרים - 1 תנאים ללזירה

22. חזרה למשוואת איינשטיין לשיווי משקל בין פליטה ובליעה (שקף 12) • נעביר לצד אחד את כל האיברים התלויים בצפיפות הפוטונים • נבודד את צפיפות הפוטונים • נכפיל ונחלק ב- [B10[N1 ונקבל: B10[N1] [hn] + A10[N1] = B01[N0] [hn] מקורות קרינה ולייזרים - 1 תנאים ללזירה

23. נשווה עם נוסחת פלאנק שהכנסנו בה את בולצמן 1 8phn3 rn = שקף 20 c3 [N0]/[N1]- 1 חילוץ צפיפות הפוטונים מקורות קרינה ולייזרים - 1 תנאים ללזירה

24. A10 1 [hn] = B10 (B01/B10[N0]/[N1]) - 1 1 8phn3 rn = c3 [N0]/[N1] - 1 A10 8phn3 = B10 c3 השוואת משוואות יחסים במקדמי איינשטיין [hn] =rn קיים שוויון אם: B01/B10 = 1 מקורות קרינה ולייזרים - 1 תנאים ללזירה

25. A10 8phn3 = B10 c3 N1 hn +N0 Spontaneous Emission N1 + hn N0 + 2hn - A10 [N1] = = d[N1]sp Stimulated Emission - B10[N1][hn] d[N1]st dt dt A10 8phn3 R= = =exp(hn/kT) – 1 rn B10 rnc3 היחס בין פליטה ספונטנית למאולצת יחס בין קבועי איינשטיין לפליטה יחס בין מהיריות התגובות הפליטה בש"מ, R: מקורות קרינה ולייזרים - 1 תנאים ללזירה

26. A10 8phn3 R= = =exp(hn/kT) – 1 rn B10 rnc3 עבור T = 300 0K, l = 0.5 mm R = 3.3 x 1041 ההסתברות לפליטה מאולצת נמוכה ביותר בטמפרטורות סבירות ובאורכי הגל האלקטרו-אופטיים מקורות קרינה ולייזרים - 1 תנאים ללזירה

27. Black Body מאפשר יצירת קרינה באורכי גל שונים בהספק התלוי בטמפרטורה בלבד גוף שחור מעבדתי 2.1- תיאור סכמאתי חלל בשווי משקל תרמי תרמומטר 1 - מטרה: גוף שחור מעבדתי הוא מחולל קרינה מבוקר תא מבודד מפתח קווים להספק חשמלי גוף חימום מקורות קרינה ולייזרים - 1 תנאים ללזירה

28. 2.2 – טבלת מכלולים מכלולים של גוף שחור מקורות קרינה ולייזרים - 1 תנאים ללזירה

29. החלל הקורן נמצא באותה הטמפרטורה בה נמצאות הדפנות של הגוף T T קרינה הנכנסת לגוף השחור נלכדת, נבלעת ע"י הקירות הפנימיים של הגוף 3 - עקרון הפעולה של גוף שחור הקרינה הנפלטת מגוף השחור מייצגת את התפלגות האנרגיה בתוך החלל המבודד מקורות קרינה ולייזרים - 1 תנאים ללזירה

30. Wl W cm2 mm l max,2 l max1 l [mm] התפלגות האנרגיה בגוף שחור T1 > T2 T1 T2 מקורות קרינה ולייזרים - 1 תנאים ללזירה

31. Wl(l=0; l=infinite) = 0 נקודות מפגש 1 Wl(lmax) = Maximum lmax 2 lmaxT = a = 2898 [mm 0K] חוק ההזזה של Wien 3 W =sT4 s =5.669x10-12 W cm-20K-4 חוק Stefan-Boltzman 4 נוסחת Planck 5 2phc2 W 1 Wl = l5 cm2mm ehc/klT - 1 תכונות של עקומות פלאנק מקורות קרינה ולייזרים - 1 תנאים ללזירה

32. lmax T = a = 2898 mm 0K lmaxמתקצר עם T W = sT4 שימוש ב-Angstrom מקורות קרינה ולייזרים - 1 תנאים ללזירה

33. 2phc2 1 W Wl = cm2mm ehc/klT - 1 l5 נוסחתPlanck c1 = 2phc2 = 3.74 x 10-16 [W m2 ] c2 = hc/k = 1.44 x 10-2 [m 0K ] תרגיל: חשב את הקרינות הספקטרלית ב-lmaxשל ג"ש הנמצא בטמפרטורה של T = 300 0K 1 - חישב lmaxשל ג"ש הנמצא בטמפרטורה של T = 300 0K lmaxT = a = 2898 mm 0K lmax = 2898 mm 0K/T = 2898/300 = 9.66 mm מקורות קרינה ולייזרים - 1 תנאים ללזירה

34. תוצאה פעולה חישוב ביניים # 9.66 mm l 1 8.41 x 10-26[m5] l5 2 4.4 x 109 [W/m3] 3.74x10-16 /8.41x10-26 c1/ l5 3 2.9 x 10-3 [m 0K] 300 x 9.66 x 10-6 lT 4 4.9 [no units] 1.44x10-2/2.9x10-3 c2 /lT 5 2 – חישוב הקירון מקורות קרינה ולייזרים - 1 תנאים ללזירה

35. תוצאה פעולה חישוב ביניים # 134.3 [no units] e4.9 exp(c2/lT) 6 133.4 [no units] exp(c2/lT) - 1 7 3.31 x 107 [W/m3] 4.4 x 109 /133.4 8 c1 l5(ec2/lT –1) 3.31 x 10-3 [W/mmcm2] x 10-10 מ- [W/m3] ל- [W/cm2/mm] 9 תרגיל בנוסחתPlanck מקורות קרינה ולייזרים - 1 תנאים ללזירה

36. 2phc2 1 W Wl = cm2mm ehc/klT - 1 l5 1 8phn3 rn = c3 ehn/kT- 1 תרגיל: הקבוע של Stefan-Boltzman מתקבל מאינטגרציה של נוסחת Planck. נמצא שהוא מורכב מקבועיים יסודיים: s = 2p5k4/15h3x2 מצא את הערך של x. הבדל בין צורות הצגה מקורות קרינה ולייזרים - 1 תנאים ללזירה