Eiropas Savienbas struktrfondu nacionls programmas projekts MCBU SATURA
Eiropas Savienības struktūrfondu nacionālās programmas projekts “MĀCĪBU SATURA IZSTRĀDE UN SKOLOTĀJU TĀLĀKIZGLĪTĪBA DABASZINĀTŅU, MATEMĀTIKAS UN TEHNOLOĢIJU PRIEKŠMETOS” LĀZERI VAKAR UN ŠODIEN
Par ko būs stāsts Galvenie lāzeru veidi / darbības principi 2
Melnā kaste • Lāzers ir “melna kaste” ar caurumu, pa kuru izplūst gaismas kūlis • Lāzerstaru kūlim ir noteikti lielumi: - kūļa diametrs, profils - jauda P vai enerģija (E = P · t ) - viļņa garums l - nepārtraukts (cw) vai impulsveida starojums - impulsi: t, f, Ep , Pmax 3
LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 4
Gaisma un fotoni Optisko starojumu (t. sk. gaismu) var arī uzskatīt par daļiņu plūsmu. Katra daļiņa ir fotons, kuram nav miera masas, bet ir 1 enerģijas kvants: E = hn = hc/l , l – starojuma viļņu garums, n – starojuma frekvence, h – Planka konstante, 6, 6∙ 10 -34 J∙s. 5
Kā rodas fotoni? • 1 fotonu rada 1 mikrodaļiņa – atoms vai molekula • Atoms ierosinātā stāvoklī (ar uzkrātu papildu enerģiju) cenšas pāriet enerģētiski zemākā stāvoklī • Šādā pārejā rodas starojuma fotons 6
Fotonu emisija • Katrs atoms var atrasties stāvoklī ar viszemāko enerģiju (ko sauc par pamatstāvokli E 0 ), vai kādā enerģētiski augstākā (ierosinātā) stāvoklī E 1. • Pārejā no augstāka uz zemāku stāvokli (piem. , no E 1 uz E 0 ) tiek emitēts fotons ar enerģiju E = hn =E 1 - E 0. 7
Emisijas spektru veidošanās • Katram atomam (piem. , Hg) ir savs “pirksta nospiedums” – unikāls emisijas līnijspektrs • Iemesls ─ enerģētisko līmeņu izvietojums atšķirīgiem atomiem ir dažāds, ar atšķirīgām enerģiju starpībām (E 1 - E 0 ) • Šīs starpības nosaka pārejā izstaroto fotonu viļņa garumu: l = hc / (E 1 - E 0 ) 8
Fotonu absorbcija • Ja fotona ceļā gadās atoms pamatstāvoklī E , tad atoms var fotonu absorbēt, “uzsūcot” tā enerģiju E • Šis atoms tad nokļūst ierosinātā stāvoklī E 1 = E 0 + E, • Nosacījums: fotona enerģijai jābūt precīzi (E 1 - E 0), citādi “netrāpa” uz augstāko līmeni un absorbcija nenotiek 9
Stimulētā emisija (piespiedu izstarošana) • Pastāv iespēja, ka fotonam ar enerģiju E ceļā gadās ierosināts atoms (līmenī E 1) • Ja E = E 1 – E 0, tad šis fotons var izraisīt stimulēto emisiju – piest atomu izstarot tādu pašu fotonu ar enerģiju E tajā pašā virzienā 10
Gaismas pastiprināšana • Ja ierosināto atomu apkārt ir daudz, tad palielinās stimulētās emisijas varbūtība • Rezultāts – lavīnveida fotonu skaita palielināšanās • Tātad vidē notiek gaismas pastiprināšana 11
Kā ir parasti • Parasti dabā atomu pamatstāvoklī ir daudz vairāk nekā ierosinātu atomu: N 0 >> N 1. • Tas nozīmē, ka fotoni tiks “satverti” (absorbēti) nevis pavairoti stimulētās emisijas rezultātā: nekādu cerību gaismu pastiprināt!? 12
Inversā apdzīvotība • Īpašos apstākļos tomēr ir iespējams panākt t. s. inverso (apgriezto) līmeņu apdzīvotību, kad “augstāk” ierosinātu atomu ir vairāk: N 1 > N 0 ! • Tas var notikt tad, ja atomu ierosināšanu uz augstāku enerģijas līmeni E 1 realizē ļoti efektīvi, ar īpašiem paņēmieniem 13
Aktīvā vide • Vidi, kurā ir panākta inversā apdzīvotība (ar iespēju pastiprināt caurizgājušo gaismu) sauc par aktīvo vidi • Aktīvā (pastiprinošā) vide var būt: - gāze - šķidrums - cieta viela 14
Enerģijas pievade • Inverso apdzīvotību iespējams realizēt tikai tad, ja aktīvajai videi no ārienes pievada papildu enerģiju • Enerģijas pievadi (“uzpumpēšanu”) var veikt, ievadot vidē fotonus, lādētas daļiņas vai cita veida enerģijas nesējus 15
Optiskais rezonators Ja aktīvā vide ir ievietota optiskajā rezonatorā, piemēram, starp diviem paralēliem spoguļiem (viens pilnīgi atstarojošs, otrs daļēji caurlaidīgs), tad fotoni tiek nepārtraukti ražoti jeb ģenerēti optiskās ass virzienā: LĀZERĢENERĀCIJA! 16
Lāzera darbības shēma 3 galvenās sastāvdaļas: • Aktīvā vide ar inversu līmeņu apdzīvotību (vairāk ierosinātu nekā neierosinātu atomu) • Specifiska enerģijas pievade, kas to nodrošina • Rezonators – spoguļu sistēma, kas nodrošina daudzkārtēju atstarošanos fotonu ģenerāciju 17
EMS Slide 3 of 49 18
Piemērs: gāzu lāzers 19
Lāzerstarojums • • Lāzerstarojums ir: ļoti spožs (no 1 mm 2 izstaro ar lielu jaudu) monohromatisks (izstaro spektrāllīniju ar vienu noteiktu viļņa garumu l) kolimēts (izstaro paralēlu staru kūli) koherents (izstarotie fotoni ir savstarpēji sakārtoti) 20
Lāzeri salīdzinājumā ar citiem gaismas avotiem • Lāzerstarojums salīdzinājumā ar starojumu no “parastajiem” gaismas avotiem ir kā mūzika salīdzinājumā ar troksni • Neviens cits gaismas avots nespēj nodrošināt šādu unikālu starojuma lielumu kombināciju 21
Lāzeru klasifikācija 3 lielas lāzeru grupas: • Gāzu (izlādes) lāzeri • Šķidro krāsvielu lāzeri • Cietvielu lāzeri - t. sk. Diožu lāzeri 22
Hēlija-neona lāzers • Aktīvā vide: He-Ne gāzu maisījums • Ierosmes veids: sadursmes nepārtrauktā gāzizlādē • Viļņa garumi: 632, 8 nm, arī 1, 15 m un 3, 39 m • Krāsa: sarkana un IS • Jauda: 1. . . 50 m. W 23
Argona lāzers • Aktīvā vide: Ar gāze • Ierosme: sadursmes nepārtrauktā gāzizlādē (jonu pāreja) • Viļņa garumi: 488, 0 nm, 514, 5 nm, . . . • Krāsas: zila, zaļa, . . . • Jauda: 0, 01. . . 300 W 24
Kriptona lāzers • • • Aktīvā vide: Kr gāze Ierosme: sadursmes nepārtrauktā gāzizlādē (jonu pār. ) Viļņa garumi: 520. . . 30, 568, 647 nm, . . Krāsas: zaļa, dzeltena, sarkana, . . . Jauda: 0, 01. . . 10 W 25
Slāpekļa lāzers • Aktīvā vide: N 2 gāze • Ierosme: sadursmes impulsveida gāzizlādē • Viļņa garums: 337, 1 nm • Krāsas: UV-A (neredzams) • t 10 ns, f < 100 Hz • Pīķa jauda: < 1 MWS 26
Ogļskābās gāzes lāzers • Aktīvā vide: CO 2 un N 2 gāzu maisījums • Ierosme: sadursmes nepārtrauktā gāzizlādē • Viļņa garums: 10, 6 m • Krāsa: IS (neredzams) • Jauda: < 10 k. W (cw), impulsos līdz 100 MW 27
Ekzīmeru lāzeri • Aktīvā vide: ierosinātas dimēru molekulas, piem. , Ar. F, Kr. F, Xe. Cl, Xe. F • Ierosme: sadursmes impulsveida gāzizlādē • Viļņa garumi: 157, 193, 249, 308, 355 nm • Krāsa: UV/VUV (neredzams) • t 10 ns, f < 100 Hz • Vidējā jauda: < 100 W 28
Vara tvaiku lāzers • Aktīvā vide: Cu tvaiki He gāzē • Ierosme: sadursmes impulsveida gāzizlādē • Viļņa garumi: 510, 6 nm un 578, 2 nm • Krāsa: zaļa, dzeltena • t 10 ns, f 10 k. Hz • Jauda: < 20 W vidējā, < 20 k. W pīķī 29
Zelta tvaiku lāzers • Aktīvā vide: Au tvaiki He gāzē • • Ierosme: sadursmes impulsveida gāzizlādē Viļņa garums: 628, 0 nm Krāsa: sarkana, t 10 ns, f 10 k. Hz Jauda: < 20 W vidējā, < 20 k. W pīķī 30
Kadmija tvaiku lāzers • Aktīvā vide: Cd tvaiki He gāzē (jonu pāreja) • Ierosme: sadursmes nepārtrauktā gāzizlādē • Viļņa garumi: 441, 6 nm un 325, 0 nm • Krāsa: zila, UV-A • Jauda: < 100 m. W 31
Šķidro krāsvielu lāzeri • Aktīvā vide: krāsvielu šķīdumi • Ierosme: optiskā–impulsu lampa vai lāzers • Viļņa garumi: 320. . . 950 nm, regulējami • Krāsa: jebkura, arī UV-A un IS-A, atkarīga no krāsvielas • Režīms: nepārtraukts vai impulsveida • Jauda: 0, 1. . . 10 W 32
Ar argona lāzerstarojumu ierosināts krāsvielu lāzers 33
Rubīna lāzers • Aktīvā vide: Al 2 O 3 kristāls, dopēts ar Cr 2 O 3 • Optiskā ierosme: impulsu lampa • Viļņa garums: 694, nm • Krāsa: sarkana • t 10 ns. . . 1 ms, f < 10 Hz vai vienreizēji • Maks. jauda: <100 MW 34
Neodīma lāzers • Aktīvā vide: YAG kristāls, dopēts ar Nd • Optiskā ierosme: impulsu lampa vai DL • Viļņa garumi: 1064 nm un 946 nm • Krāsa: IS (neredzama) • Režīms: nepārtraukts vai impulsveida • Jauda: 0, 1. . . 100 W 35
Nd-YAG absorbcija 36
Erbija un holmija lāzeri • Aktīvā vide: kristāls (YAG, . . ), dopēts ar Er vai Ho • Optiskā ierosme – impulsu lampa vai DL • Viļņa garumi: Er: 2, 94 m, Ho: 2, 12 m • Krāsa: IS (neredzami) • t 200 ms, f 10 Hz • Jauda: 0, 1. . . 20 W 37
Er: YAG absorbcija 38
Ti-safīra lāzers • Aktīvā vide: Al 2 O 3 kristāls, dopēts ar Ti • Optiskā ierosme: impulsu lampa vai DL • Viļņa garumi: 660. . . 1100 nm, regulējami • Krāsa: sarkana, IS • Režīms: nepārtraukts vai impulsveida • Jauda: 0, 1. . . 10 W 39
Aleksandrīta lāzers • Aktīvā vide: Be. Al 2 O 4 kristāls, dopēts ar Cr • Optiskā ierosme: impulsu lampa vai DL • Viļņa garumi: 720. . . 800 nm, regulējami • Krāsa: IS (neredzams) • Režīms: nepārtraukts vai impulsveida • Jauda: 0, 1. . . 10 W 40
Diožu lāzeri • Aktīvā vide: pusvadītāju kontakta zona (Ga. As, Ga. In. Al. As, In. Ga. N, . . . ) • Ierosme: elektriskā strāva • Viļņa garumi: 405 nm, 630 to 1600 nm, • Krāsas: violeta, sarkana, IS • Režīms: nepārtraukts vai impulsveida • Jauda: 0, 001. . . 100 W 41
Nelineāro kristālu lāzeri • Aktīvā vide: dubultlauzošie kristāli – KDP, KTP. . • Optiskā ierosme: ar lāzeriem (l 0) krāsvielu, LD, Ti: safīra, . . . • Viļņa garumi: l 0/2, l 0/3, l 0/4 - harmonikas • Krāsa: atkarīga no l 0 - zaļa, zila, UV, . . . • Režīms: nepārtraukts vai impulsveida • Jauda: 0, 01. . . 50 W 42
Šodien: DPSS zaļais lāzers • Lāzerdiode (808 nm) ierosina Nd: YAG kristālu • Nd: YAG ģenerē 1064 nm • KTP kristāls dubulto frekvenci: 1064 : 2 = 532 nm • Nepārtrauktā režīma jauda: < 20 W • Ļoti kompakts un ērts, gaisa dzesēšana 43
Šodien: šķiedru lāzeri 44
Piemērs: Uranus Series • • • Maks. izejas impulsa enerģija: 100 μJ Impulsa ilgums: 600 fs Emisijas josla: 5. . . 30 nm Viļņa garums: 1030 nm Maks. Jauda: 1 GW Impulsa atkārtošanās diapazons: 0, 01. . . 1 MHz 45
Populārāko lāzeru parametri Lāzera veids Starojuma viļņa garums, m Nepārtaukts (cw) vai impulsu Impulsa ilgums, ms He-Ne 0, 633 cw 0, 001. . . 0, 05 Ar 0, 488; 0, 514 cw 0, 1. . . 100 N 2 0, 337 impulsu CO 2 10, 6 cw&impulsu Cu 0, 510; 0, 578 impulsu 0, 01 < 20 000 20, pīķis 104 Kr. F 0, 248 impulsu 0, 01 < 100 Krāsvielu 0, 57. . . 0, 62 cw&impulsu Rubīna 0, 694 impulsu Nd-YAG 1, 064 cw&impulsu 0, 01 Impulsa atkārtošanās frekvence, Hz < 100 Izejas starojuma jauda, W pīķis 106 103, pīķis 108 0, 01. . . 100 0 < 10 pīķis 108 0, 1. . . 100 46
Populārāko lāzeru parametri turpinājums Lāzera veids Starojuma viļņa garums, m Nepārtaukt s (cw) vai impulsu Impulsa ilgums, ms Impulsa atkārtošanās frekvence, Hz Izejas starojuma jauda, W Er-YAG 2, 94 impulsu 200 < 20 ~ 20 Ho-YAG 2, 2 impulsu 200 < 20 ~ 20 Ti-Al 2 O 3 0, 66. . . 1, 10 cw&impuls u < 10 DPSS 0, 532 cw&impuls u < 20 Diožu 0, 4; 0, 63. . . 1, 6 cw&impuls u 0, 001. . . 100 47
www. dzm. lv 48
- Slides: 48