Файл в формате PPT (2,5 МB)

Лекционный курс
«Экспериментальные
методы физических
исследований»
Раздел
ПРИБОРЫ И МЕТОДЫ НАНОТЕХНОЛОГИЙ
Тема
ИСТОЧНИКИ КОГЕРЕНТНОГО
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
(ЛАЗЕРЫ)
ЛАЗЕР
(LASER: Light Amplification by Stimulated
Emission of Radiation)

Монохроматичность
Когерентность
Малая расходимость пучка
Высокая интенсивность
Когерентное и некогерентное
излучение
КОГЕРЕНТНОСТЬ

Все волны колеблются в одинаковых фазах
Волна A
Волна B
Сумма
волн A и B
ЭЛЕКТРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР

Резонансная система

Устройство обратной
связи

Источник энергии
для возбуждения
системы
СВЕТОВОЙ ГЕНЕРАТОР
( ЛАЗЕР )

РЕЗОНАНСНАЯ СИСТЕМА
-- оптический резонатор

ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ
- процессы вынужденного излучения

ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ
- инверсная заселенность, созданная в
результате «накачки» атомов (молекул)
Поглощение и спонтанное излучение
фотонов
Вынужденное излучение фотонов
ВОЗБУЖДЕНИЕ

Для того чтобы излучение произошло, атомы
(молекулы) необходимо сначала возбудить

Возбуждение атомов (молекул) в состояния с
более высокой энергией происходит в
результате различных процессов НАКАЧКИ
ИНВЕРСНАЯ ЗАСЕЛЕННОСТЬ

Инверсная заселенность: концентрация атомов
с высокой энергий больше, чем концентрация
атомов с низкой энергией

Благодаря «накачке» в возбужденные
состояния :
N2 > N1
Для достижения генерации надо превысить степень
инверсной заселенности: N2 - N1 > 108 1/м3
ИНВЕРСНАЯ ЗАСЕЛЕННОСТЬ И
ОТРИЦАТЕЛЬНЫЕ ТЕМПЕРАТУРЫ


Распределение Больцмана:
Температура:
n/no = exp( - U / kT )
T = - U / [ k ln( n/no ) ]
СПОНТАННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
Электроны в атомах переходят с уровней с высокой
энергией на уровни с меньшей энергией

Длина волны излучения зависит от разности
энергий уровней
ЭНЕРГИЯ

E2
ИЗЛУЧЕНИЕ
E1
ИЗЛУЧЕНИЯ
hc

( E2  E1 )
ВЫНУЖДЕННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

Если атом испускает фотон с энергией (E2 - E1), то
этот фотон «вынуждает» другой атом с энергией E2
также испустить фотон

Новый фотон имеет ту же энергию
[резонанс]

При инверсной заселенности (N2> N1) один
испущенный фотон может стимулировать эмиссиию
множества новых фотонов с той же частотой
(E2 - E1)
(монохроматичность)
“Лавинное” испускание фотонов
КОЭФФИЦИЕНТЫ ЭЙНШТЕЙНА

По Эйнштейну, скорость убывания числа атомов N2 в
возбужденном состоянии 2 :

dN2/dt = N2A(2,1) - N2B(2,1)(12) + N1B(1,2) (12)

А(2,1) - вероятность спонтанного испускания при
переходе с уровня 2 на уровень 1.

В(2,1) - вероятность вынужденного испускания (переход
21) за счет поля излучения с плотностью энергии (12)
и частотой 12 , соответствующей частоте перехода.

В(1,2) = В(2,1) вероятность поглощения излучения и
возбуждения атомов с уровня 1 на уровень 2.
Принцип работы лазера
УСТРОЙСТВО ЛАЗЕРА
Рабочая
среда
ЗЕРКАЛО
с коэф-том
пропускания
0%
РАБОЧАЯ
СРЕДА
(газ)
(кристалл)
ЗЕРКАЛО
с коэф-том
пропускания
1%
ОПТИЧЕСКИЕ РЕЗОНАТОРЫ

ПЛОСКОПАРАЛЛЕЛЬНЫЙ
РЕЗОНАТОР (Фабри-Перо)

Простейшее условие
возникновения стоячих волн
в резонаторе:
2d/ = q
( q - целое число ).

Для видимого света в
резонаторе длиной 10 см, q>
400 000
ПОПЕРЕЧНЫЕ МОДЫ

Распределение амплитуды
стоячей волны по поверхности
зеркала

Enm ~ Rnm(r) exp( - j n  )

Для данного резонатора набор
чисел n, m, q определяет тип
(моду) стоячей поперечной
электромагнитной ( Transverse
Electro Magnetic) волны
ТЕМnmq
СТРУКТУРА ПОПЕРЕЧНЫХ МОД
Вверху показаны возможные распределения
интенсивности луча по экрану.
Для нормальной работы большинства приборов и
устройств необходимо получение простейшей моды.
TEM00 (Гауссово распределение)
ОБЕСПЕЧЕНИЕ РЕЗОНАНСА

Для данной моды:

НА РИСУНКЕ- сравнение структуры мод типичного
резонатора с контуром атомной линии излучения

Различие частот соседних групп мод не превышает
десятков мегагерц.
2d/ = q
Различные типы лазеров

Твердотельные лазеры
- Рубиновый лазер

Газовые лазеры
– Аргоновый лазер
– СО2 лазер
– Гелий-неоновый лазер

Полупроводниковые лазеры
– Лазерный диод
Рубиновый лазер
Работа рубинового лазера
ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ
ЛАЗЕРЫ
Ruby laser
РУБИНОВЫЙ
ЛАЗЕР
Al2O3:Cr3+
Ruby rod
ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ЛАЗЕРЫ
ЛАЗЕР НА КРИСТАЛЛЕ САПФИРА
 Al2O3:Ti3+
(перестраиваемый）
ГАЗОВЫЕ ЛАЗЕРЫ
ЛАЗЕР НА ИОНАХ Ar+

458nm (синий)

488nm (синий)

514nm (сине – зеленый)
УРОВНИ ЭНЕРГИИ В ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ
ЛАЗЕРАХ


Рабочие уровни в
твердотельном
лазере на CaF2 с
ураном
(
2,613 мкм)
эффективное
возбуждение оптической накачкой
со сплошным
спектром
УРОВНИ ЭНЕРГИИ В ГАЗОВЫХ
ЛАЗЕРАХ

Рабочие уровни в
газовом лазере на
парах цезия(3,2и7,1
мкм)

Оптическая накачка только излучением с
определенной длиной
волны (388,8 нм)
СПОСОБЫ НАКАЧКИ ЛАЗЕРОВ
Твердотельные лазеры
Оптическая накачка (Xe лампа)
Полупроводниковые лазеры
Электрический ток
Газовые лазеры
Электрический разряд, химические
реакции, радиоактивные излучения
….
МЕХАНИЗМЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ В
ГАЗОВЫХ ЛАЗЕРАХ








СТОЛКНОВЕНИЯ ПЕРВОГО РОДА: (неупругие соударения
электронов с атомами в газовом разряде)
e + X  X* + e
СТОЛКНОВЕНИЯ ВТОРОГО РОДА: (в смесях газов - соударения
атомов в основном состоянии с возбужденными метастабильными
атомами другого сорта)
X + Y*  Y + X*
ФОТОДИССОЦИАЦИЯ:
CF3J + h  CF3 + J(2P1/2)
ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ В ГАЗАХ .
H + Cl2  HCl* + Cl
Лазеры на смеси газов
Четырехуровневая схема
E3
E2
Накачка
Лазерный
переход
E1
Инверсная
заселенность
N2 > N1
E0
Молекулы А возбуждают накачкой на уровень E3
Возбуждение передается на метастабильный
уровень E2 молекул В
Лазерный переход - с E2 на E1 в молекулах В
Релаксация к E0 поддерживает N2 > N1)
ГАЗОВЫЕ ЛАЗЕРЫ
He - Ne ЛАЗЕР
He-Ne

ЛАЗЕР
Обычный источник красного света
He*
Ne
He
+
E3
Ne*
Инверсная
заселенность
атомов Ne
E2
Накачка He
Лазерный переход
632.8 нм
E1
E0
СО2 ЛАЗЕР(уровни энергии)

Колебательные уровни N2 и СО2 практически совпадают и
сечение передачи энергии очень велико. Линия генерации
10,6 мкм соответствует окну прозрачности атмосферы
СО2 (+N2) ЛАЗЕР(устройство)

1 - инфракрасное выходное окно, 2 - пружина, 3 вогнутое зеркало, 4 - сильфон, 5 - юстировочные
винты, 6 - откачка, 7 - электроды.
ГАЗОВЫЕ ЛАЗЕРЫ
CO2 ЛАЗЕР


10.6 m
Области применения
– Обработка материалов
– Хирургия
– Дистанционное зондирование
– ……………
МЕДИЦИНА

CO2 ЛАЗЕР

CO2 ЛАЗЕР
ОБРАБОТКА
ЗАПИСЬ НА ОПТИЧЕСКИЕ НОСИТЕЛИ
ИНФОРМАЦИИ

CD、DVD、BD

MD、MO