Referat iz fizike Svetlost Fotoni Laseri fotonski snopovi

Παρουσίαση με θέμα: "Referat iz fizike Svetlost Fotoni Laseri fotonski snopovi"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 Referat iz fizike Svetlost Fotoni Laseri fotonski snopovi
princip rada I karakteristike

2 Svetlost Svetlost je stara koliko I svemir I ona putuje kroz prostor jos od “velikog praska”.Za vreme vedrih noci na nebu se moze videti svetlost koja je emitovana pre vise od dva miliona godina.Ipakl svetlost koju stvaramo vestacki bice iskoriscena u malom delicu mikro sekunde od trenutka stvaranja.Na taj nacin cini se da je svetlost I vecna I prolazna.U svakom slucaju svetlost je intrigirajuca pojava, a njena priroda je vekovima predstavljala enigmu.Jedan od prvih ljudi koji je pokusao da resi tu enigmu bio je grcki filozof EMPEDOKLE ( g.p.n.e.), koji je prvi primetio da svetlost ima konacnu brzinu kretanja.Mnogo godina kasnije ( 1666.) godine svestrani naucnik ISAK NJUTN je u svom velikom radu “Optika” detaljno opisao svoje eksperimente sa svetloscu I zakljucke do kojih je dosao o prirodi sveetlosti.Prema Njutnu svetlost se ponasa kao da se sastoji od bestelesnih cestica koje putuju brzinom svetlosti.Postoje razne vrste cestica koje odgovaraju razlicitim bojama u spektru I sve se krecu u praznom prostoru.

3 Opisao je razlaganje bele svetlosti na boje pomocu prizme I zakljucio da se pri razlaganju bele svetlosti pojavljuju posebne boje koje se uvek prostiru od plave na jednom kraju do crvene na drugom.Iako je NJUTN opisao I pojavu Njutnovih prstenova koja moze posluziti koa dobar primer talasne prirode svetlosti,tvrdoglavo je istrajao na tvrdnji o korpuskularnoj prirodi svetlosti. Drugo shvatanje o pirodi svetlosti zastupao je KRISTIJAN HAJGENS koji je svetlost hvatao kao talase.Govoreci o talasu moramo razlikovati sirenje talasa od kretanja cestica materije koje cine materijalna sredina kroz koju se talas prostire.Vodene cestice kod vodenog talasa pomeraju se gore I dole dok se talas prouzrokovan bacenim kamenom u vodu siri radijalno od mesta izvora. Odlucujucu potvrdu o talasnoj prirodi pruzili su eksperimenti TOMASA JUNGA iz godine o difrakciji svetlosti. Kasniji radovi FREZNELA I posebna teorija elektro magnetizma DZEJMS KLARK MAXWELA definitivno su doprineli da je svetlost talasne prirode.Maksvel je pokazao da se svetlosna energija prenosi u obliku oscilujuceg elektricnog I magnetnog poremecaja koji se moze siriti kroz prazan prostor

4 EMT su transverzalni sto znaci da je pravac kretanja polja normalan na pravac prostiranja talasa.Zvucni talasi su longitudinalni,odnosno krecu se napred,nazad u smeru sirenja.Razlika izmedju zvucnih I svetlosnih talasa je I u tome da je za zvucne talase neophodna materijalna sredina u kojem se sire. Vidljiva svetlost,zajedno sa IC i UV zracenjem predstavlja opticki deo EM spektra.

5 FOTONI i Fotonski snopovi
I pored velikih uspeha Maxvelove teorije polja jedan problem je ostao nerazjasnjen: Zracenje crnog tela.Ukratko;zagrejano telo emituje ektromagnetno zracenje ( ova emisija je temelj svetlosti koje dobijamo iz usijane zice ili sa Sunca ).Na visokim temperaturama znatni deo ovog zracenja se pojavljuje u vidljivom delu spektra I sto je visa temperatura tela koje zraci veci je udeo plavog dela spektra u ukupnom zracenju.Ovu pojavu mozemo uciti pri grejanju komada metala.Povecanjem temperature uzaren metal se zari crvenom bojom,a potom postaje sve vise belo.Belu svetlost opazamo jer se povecava udeo plave svetlosti pri grejanju, pa se dobija vizuelni utisak belog.Ova pojava je opisana Vineovim zakonom pomeraja koji kaze da se sa porastom temperature spektralno podrucje na kojem se nalazi max. zracenja pomera prema kracim talasnim duzinama.

6 Zracenje crnog tela je pokusano biti objasnjeno kao zracenje beskonacno mnogo elektromagnetskih oscilatora koji zrace na svim mogucim frekvencijama.Neuspeh teorije u objasnjenju raspodele zracenja crnog tela poznat je pod imenom UV katastrofa.Nemacki fizicar Max Plank je uspeo dobiti zakon koji je opisivao zracenje crnog tela I odlucno se slagao sa eksperimentalnim opazanjima.U tome je uspeo postulirajuci dve pretpostavke: 1.Energija elektromagnetnih oscilatora moze se menjati samo na odredjeni,diskretni iznos odnosno u KVANTIMA ENERGIJE. 2.Energija oscilatora sa frekvencijom moze se menjati samo za celobrojni iznos umnoska frekvencije I konstante h, ΔE=nhυ,gde je n celi broj. Razlog uspesnog plankovog modula je u sledecem.U klasicnoj pretpostavci svi elektromagnetni oscilatori su pobudjeni,cak I oni sa velikom frekvencijom I tako se emituje I odgovarajuci kratkotalasni deo spektra.

7 Prema kvantnoj pretpostavci oscilator je pobudjen samo ako moze primiti energiju najmanje jednaku hυ.Na odredjenoj temperaturi ovaj minimum je suvise visok za pojedine visokofrekventne oscilatore,drugim recima nema dovoljno energije u sastavu da bi ovi oscilatori bili pobudjeni.Na taj nacin visoko frekventni oscilatori ostaju nepobudjeni I veoma kratki talasi se ne emituju.Time je izbegnuta ultra ljubicasta katastrofa. Plankova kvantizacija elektromagnetnih oscilatora dovela je do alternativnog gledanja na zracenje.Sada je moguce gledati na zracenje frekvencije υ kao na skupinu cestica sa energijom hυ.Ove cestice je hemicar G.N.Lewis prvi nazvao fotonima.Ajnstajn je godine uspesno fotoelektricni efekat pomocu koncepta fotona,sto mu je donelo I Nobelovu nagradu.Ako svetlost zamislimo kao talas ne mozemo objasniti fotoelektricni efekat,ako je zamislimo kao pljusak fotona energije hυ,sve se slaze.Medjutim revitalizirajuci Njutnovu cesticnu sliku,A.A. nije odbacio talasnu sliku svetlosti.Sustina njegovog pogleda je u tome da se neke svetlosne pojave mogu objasniti pomocu talasne slike,a neke druge pomocu cestisne slike.

8 Ajnstajnova interpretacija fotoelektricnog efekta je omogucilaeksperimentalno odredjivanje vrednosti Plankove konstante h do tada nepoznate.Muliken je uspeo odrediti Plankovu konstantu za sta je dobio Nobelovu nagradu.

9 Stimulisana emisija, laseri
Stimulirana emisija je redak dogadjaj zbog iste termodinamicke cinjenice zbog koje je spontana emisija moguca:svaki sustav tezi da zauzme min. energije.U normalnoj situaciji tj. elektrodinamickoj ravnotezi naseljenost visih stanja opada s porastom energije stanja.To znaci da ce nadolazeci foton verovatnije biti apsorbovan od donjeg stanja nego sto ce stimulisani atom u gornjem stanju da izraci foton.Pod ovakvim uslovima spontana emisija dominira nad stimuliranom.

10 i opet stimulisana emisija
Da bi se dogodila stimulirana emisija potrebna je inverzija naseljenosti:Naseljenost gornjeg nivoa odredjenog prelaza mora biti veca od naseljenosti donjeg nivoa.Tada je verovatnoca da ce nadolazeci foton indukovati stimulisanu emisiju biti veca od naseljenosti donjeg nivoa.rezultat ce biti pojacanje u svetlosti odnosno povecani broj fotona sa energijom prelaza.na ovoj ideji se zasniva rad lasera.Laser je akronim za pojacanje svetlosti pomocu stimulisane emisije zracenja. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

11 Princip rada lasera Svaki laser se sastoji od tri osnovna dela:
1. Optickog pojacala 2. Optickog rezonatora 3. Energetske pobude sustava Opticko pojacalo je zapravo medij u kojem se pojacava laserska svetlost pri svakom prolazu.U aktivnom mediju pumpanjem iz spoljasnjeg izvora energije postize se inverzija naseljenosti izmedju gornjeg I donjeg nivoa ciji prelaz daje laserski snop.Postoje mnogi rasporedi energetskih nivoa koji mogu osigurati lasersko delovanje.Opisacemo ukratko laser sa 3 nivoa I laser sa 4 nivoa. Kod seme sa 3 nivoa,laserska svetlost nastaje pri prelazu sa nivoa E2 na nivo E1 koji je ujedno I osnovni nivo.Atomi se pumpaju na visoko pobudjeni nivo E3 sa osnovnog nivoa.Na tome nivou ostaju u proseku 10 na -8 sekundi I potom prelaze ( obicno neradijativnim putem ) na nivo E2 koji je metastabilan.

12 Buduci da je vreme zivota metastabilnog nivoa relativno dugo ( red velicine 10 na -3 sekundi ) mnogo atoma ostaje u tome stanju.Ukoliko je pumpanje dovoljno snazno,nakon jednog pulsa pumpanja vise od 50% atoma ce biti u stanju E2 I lasersko delovanje se moze odvijati. Laser sa 4 energetska nivoa ima dodatni energetski nivo iznad osnovnog stanja.Ovaj dodatni nivo ima veoma kratko vreme zivota,odnosno donji nivo laserskog prelaza se veoma brzo prazni sto olaksava drzanje inverzne naseljenosti.Zbog toga za lasersko delovanje uz ovakvu semu nisu potrebne velike kolicine snage pumpanja kao kod sistema sa 3 nivoa.Kod sustava sa 4 nivoa moguce je lasersko delovanje I kad se vecina atoma nalazi u osnovnom stanju.Zato se osnova sema primenjuje kod lasera koji rade u kontinuiranom rezimu. Drugi glavni deo svakog lasera je opticki rezonator.Tipicno se laserski rezonator sastoji od 2 paralelna skoro ravna ogledala.Jedno od ogledala ima refleksivnost sto blize 100% za lasersku svetlost,daje refleksivnost drugoga nesto manja od 100% kako bi deo svetlosti izasao van I tako stvorio laserski snop.Samo ona svetlost koja putuje skoro okomito na ogledalnu povrsinu ostaje unutar rezonatora I ima priliku da bude pojacanja.Da bi takva svetlost konstruktivno interferirala mora biti udovoljen uslov da je duzina rezonatora jednaka celobrojnom umnosku polovine talasne duzine

13 svetlosti.Za razlicite vrednosti celog broja m dobijaju se razlicite talasne duzine,odnosno frekvencije pojedinih MODOVA laserskog rezonatora.Zbog toga spektar laserskog svetla izgleda kao serija uskih vrhova koji su medjusobno razmaknuti c/2L na frekventnom spektru,gde je c-brzina svetlosti,a L-razmak izmedju ogledala. Kao energetska pobuda medija moze posluziti apsorpcija fotona,sudari izmedju e¯ ili jona I aktivnih molekula odnosno atoma,koji emituju lasersko svetlo,sudari izmedju samih aktivnih atoma odnosno molekula,rekombinacija slobodnih e¯,rekombinacija nosioca naboja u poluprovodniku,hemijska reakcija koja stvara pobudjene molekule ili atome. Na kraju mozemo ponoviti kako dolazi do laserskog svetla.Spoljasna pobuda dovede do inverzije naseljenosti u aktivnom mediju.Ovi atomi spontano emituju fotone koje zatim indukuju stimulisanom emisijom dodatne fotone.Neki od ovih fotona se vracaju u medij delovanjem rezonatora I stvaraju lavinu fotona u istom pravcu.Konacno se stvara ravnotezno stanje u kojem veliki broj fotona putuje napred-nazad u rezonatorskoj supljini po osi,dok mali deo fotona izlazi kroz ogledalo I daje laserski snop.

14 NASTAVAK Prosirujuci kvantnu teoriju na strukturu materije,Bor je1913. predlozio model atoma u kojem su elektroni u atomu rasporedjeni po nizu diskretnih energetskih stenja.Prelaz elektrona iz jednog stanja u drugo moze biti pracen emisijom ili apsorpcijom fotona.Pri tome energija fotona odgovara energijskoj razlici ta dva stanja.Borov modul predvidja samo proces spontane emisije,odnosno,atom u pobudjenom stanju,nakon nekog vremena,zracenjem fotona atom prelazi u nize energetsko stanje. Ajnstajn je u svome clanku o kvantnoj teoriji zracenja uveo pretpostavku o mogucnosti stimulirane emisije.Stimulirana emisija je proces kada atom iz pobudjenog stanja prelazi u nize energetsko stanje podstaknut vracanjem fotona koji ima upravo energiju jednaku razlici dva atomska stanja izmedju kojih se dogadja prelaz.Pri tome atom emituje foton iste energije kao sto je I upadnifoton I istog pravca.Uz predpostavku stimulirane emisije A.A. je uspeo izvesti Plankov zakon zracenja (do na multiplikativni faktor ).Time je dokazao da takav proces zaista postoji,a eksperimentalno je pokazano tek Od Ludenberga.Potom je za dugi niz god. ovaj fenomen van interesa.

15 Karakteristike laserskog snopa
Laseri su korisni zbog svojih jedinstvenih karakteristika,monohromaticnosti,usmerenosti velikog sjaja I velike koherencije. Pod monohromaticnoscu lasera podrazumevamo da laser emituje skoro samo jednu talasnu duzinu.Dok je spektralna sirina zracenja dobijena spontanom emisijom s jednog prelaza reda velicine 10¯¹²-10¯¹º m,kod laserskog svetla sirina moze biti I tek 10¯²º.Ovako mala sirina je posledica cinjenice da laserski rezonator moze osigurati da skoro sva svetlost dolazi stimuliranom emisijom koja potece od svega nekoliko pocetnih slicnih fotona. Buduci da je skoro sva laserska svetlost rezultat fotona koji putuju po pravcu paralelnom s osom rezonatora u osnovi bi laserski snop trebao biti savrseno kolimiran.Medjutim,snop se siri zbog difrakcije jer je transverzalna dimenzija rezonatora konacna.Tipicni uglovi divergencije laserskog snopa su manji od 1 miliradijana odnosno 0.05°.Spektralni sjaj je opticko svojstvo koje je ujedno mera monohromaticnosti I usmerenosti izvora svetlosti.Spektralni sjaj je definisan kao svetlosna snaga izrazena u jedinicni prostorni ugao u jedinicni talasni interval po jedinicnoj povrsini.Mozemo uporediti spektralni sjaj sunca I tipicnog He-Ne lasera.

16 opet karakteristike lasera
Na tipicnoj vidljivoj talasnoj duzini od 500nm,spektralni sjaj sunca iznosi 7*10¹²Wm¯³ sterad¯¹.Spektralni sjaj 1mW He-Ne lasera na talasnoj duzini 632.8nm koji daje snop razmera 0.5mm iznosi 5*10²³ Wm¯³ sterad¯¹, znaci 10 milijardi vise od suncevog. Koherencija se definise kao korelacije faza izmedju razlicitih tacaka talasa.Iako je to osobina putujuceg talasa,koherencija je direktno vezana uz osobinu izvora talasa.Slikovito se koherencija moze shvatiti uz pomoc slike 2 cepa koji plutaju na povrsini vode.Neka izvor talasa kamen bacen u vodu daleko od cepova.tada cemo imati savrsenu korelaciju u gibanju dva ceoa.Oni ne moraju biti u fazi odnosno jedan se moze gibati gore dok drugi ide dole,ali ce relativna faza izmedju polozaja dva cepa u vremenu ostati konstantna.Ovde imamo savrsenu korelaciju jer je izvor tackasti.Zamislimo sada da su izvori talasa kisne kapi koje nasumice padaju na vodu.Talas je u svakoj tacki superpozicija talasa nasta,ih od svih kisnih kapi.Buduci da kisne kapi nasumice pogadjaju razlicita mesta na vodi u nasumicnim vremenskim trenucima ne mozemo ocekivati da ce faza talasa na jednom mestu biti korelirana s fazom na drugom mestu.Cepovi sda skacu gore dole bez ikakvog medjusobnog odnosa u njihovim gibanjima.

17 i opet karakteristike U ovom slucaju izvor talasa je nekoherentan .Zarulja sa zarnom niti je vrlo nekoherentan izvor svetla.Od nje mozemo naciniti koherentniji izvor stavljajuci prostorni I hromatski filter.Medjutim, na taj nacin odbacujemo veoma veliki deo svetla.Kao mera prostorne koherencije sluzi koherentna duzina.Koherentna duzina je maksimalna udaljenost izmedju dve tacke po pravcu prostiranja snopa , za koju su te dve tacke u konstantnom faznom odnosu.Duzina koherencije za He-Ne laser moze iznositi od 10cm do 100m,dok je duzina koherencije tipicnog termalnog izvora oko 1 mikrona.

18 He-Ne laser Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) je generator koherentne svetlosti velike gustine zracenja.Funkcionalno sastoji se od tri osnovne komponente: 1.izvora energije koji drzi sastav u pobudjenom stanju, 2.aktivnog medija za inverziju naseljenosti nivoa i lasiranje, 3.optickog rezonatora kojim se postize efekt pojacanja. Za potrebe edukacije i istrazivanja u koherentnoj optici najcesce se koristi He-Ne laser, kod kojeg se lasiranje postize pomocu neutralnih atoma neona, dok helijum sluzi za selektivno popunjavanje energetskih nivoa inverzne naseljenosti. Princip rada tog plinskog lasera skiciran je na slikama 1 i 2.Staklena cev (pyrex) sadrzi smesu helijuma i neona u srazmeri (5-10):1 pod pritiskom od 133 Pa (priblizno 1mm. Hg).Elektricni izboj pobudjuje atome helijuma na metastabilna stanja (dugoziveca) slicnih energija kao i neka pobudjena stanja atoma neona.

19 i opet He-Ne laser Kako dobijamo snop crvene svetlosti (λ=0.6328 μm)?
Uocimo 3s stanja neona s kojih se atomi radijativno prazne na 2p stanja, a lagani atomi helijuma se brzo pobudjuju i tako bez prekida pumpaju atome neona na 3s stanja,zadovoljeni su uslovi za inverziju naseljenosti izmedju viseg 3s i nizeg 2p nivoa.

20 necete mi poverovati, opet He-Ne laser
Crvena koherentna svetlost He-Ne lasera dobija se stimuliranim prelazima 3s_2p atoma neona.Pojacanje snopa postize se visestrukim refleksijama na ogledalima (sa slike) od kojih jedno reflektuje snop u potpunosti,dok drugo (izlazno ogledalo) delimicno propusta snop.Nakoenost krajeva cevi pod Brusterovim zakonom omogucava propustanje i pojacavanje samo jedne komponente polarizacije, tako da je izlazni snop linearno polarizovan.

21 CO2 LASER CO2 laser je predstavnik plinsko molekularnih lasera koji rade u podrucju molekulskog spektra.Za pobudu tih lasera upotrebljava se elektricni izboj, opticko,hemijsko i toplotno pumpanje.U nekim laserskim sastavima za pobudjivanje molekula predajom energije prilikom sudara, te za promenu brzine praznjenja radnih razina u osnovnom plinu, dodaju se pomocne komponente, tako na primer osnovnom plinu u laseru sa ugljen-dioksidom dodaju se azot i helijum.Taj laser daje zracenje velike snage i ima visoki stupanj delovanja u impulsnom i kontinuiranom nacinu rada. Slika ilustruje nekoliko vaznih vibracijskih razina azota i ugljen-dioksida u njihovim osnovnim elektronskim stanjima.

22 i opet CO2 LASER Kontinuirani laseri sa ugljen-dioksidom uz stupanj delovanja od 20% daju obicno snage W.U smesi ugljendioksida,azota i helijuma, u cevi duzine 2m,istomernim naponom od 10kV odrzava se struja napona od 100mA.Cev se hladi vodom.Pri naponu u plinu se stvaraju razliciti hemijski spojevi koji ogranicavaju laserski izlaz.Zato se plin iz cevi stalno zamenjuje plinom iz spremista.Time se ovi stetni proizvodi uklanjaju, a u cevi se radi sa plinom stalnog sastava. Impulsni laseri sa ugljen-dioksidom i Q-prekidanjem.Zbog dugog vremena zivota vibracijskih razina, od kojih zavisi laserska akcija u ugljen-dioksidu,moze se uskladistiti energija u izbojnoj sredini u trajanju od 1ms blokiranjem laserske zrake unutar rezonatora i tako spreciti oscilacije.Ako se blokada odjednom odstrani, tada laser emituje u obliku ostrog impulsa kome je radna snaga 1000 puta veca od prosecne snage kontinuiranog rada.Takav se nacin rada zove Q-prekidanje (engl. Q-switching) i najlakse se ostvaruje zamenom jednog ogledala rezonatora rotirajucim ogledalom.Trajanje impulsa je oko ns a frekvencija oko 400 bljeskova u sekundi.Tako su dobijeni impulsi radne snage od stotinak kilovata.

23 necete mi poverovati,opet CO2 laser
Na slici je prikazana pojednostavljena sema CO2 lasera i animacija rada CO2 lasera.

24 Referat radili: Vladimir Zdravkovic IV2 Aleksandar Banovic IV2 mart 2004.