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 Metodika: kā var stāstīt par lāzeriem skolā (piem., fizikas papildnodarbībās)

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

LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

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 , – starojuma viļņu garums, – starojuma frekvence, h – Planka konstante, 6,6∙10-34 J∙s.

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

Fotonu emisija Katrs atoms var atrasties stāvoklī ar viszemāko enerģiju (ko sauc par pamatstāvokli E0 ), vai kādā enerģētiski augstākā (ierosinātā) stāvoklī E1 . Pārejā no augstāka uz zemāku stāvokli (piem., no E1 uz E0 ) tiek emitēts fotons ar enerģiju E = hn =E1 - E0.

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 (E1 - E0 ) Šīs starpības nosaka pārejā izstaroto fotonu viļņa garumu: l = hc / (E1 - E0 )

Fotonu absorbcija Ja fotona ceļā gadās atoms pamatstāvoklī E , tad atoms var fotonu absorbēt, “uzsūcot” tā enerģiju E Šis atoms tad nokļūst ierosinātā stāvoklī E1 = E0 + E, Nosacījums: fotona enerģijai jābūt precīzi (E1 - E0), citādi “netrāpa” uz augstāko līmeni un absorbcija nenotiek

Stimulētā emisija (piespiedu izstarošana) Pastāv iespēja, ka fotonam ar enerģiju E ceļā gadās ierosināts atoms (līmenī E1) Ja E = E1 – E0, tad šis fotons var izraisīt stimulēto emisiju – piespiest atomu izstarot tādu pašu fotonu ar enerģiju E tajā pašā virzienā

Gaismas pastiprināšana Ja ierosināto atomu apkārt ir daudz, tad palielinās stimulētās emisijas varbūtība Rezultāts – lavīnveida fotonu skaita palielināšanās Tātad vidē notiek gaismas pastiprināšana

Kā ir parasti Parasti dabā atomu pamatstāvoklī ir daudz vairāk nekā ierosinātu atomu: N0 >> N1 . Tas nozīmē, ka fotoni tiks “satverti” (absorbēti) nevis pavairoti stimulētās emisijas rezultātā: nekādu cerību gaismu pastiprināt!?

Inversā apdzīvotība Īpašos apstākļos tomēr ir iespējams panākt t. s. inverso (apgriezto) līmeņu apdzīvotību, kad “augstāk” ierosinātu atomu ir vairāk: N1 > N0 ! Tas var notikt tad, ja atomu ierosināšanu uz augstāku enerģijas līmeni E1 realizē ļoti efektīvi, ar īpašiem paņēmieniem

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

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

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!

3 galvenās sastāvdaļas: 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

EMS Slide 3 of 49

Piemērs: gāzu lāzers                                                                                                                                   

Lāzerstarojums Lāzerstarojums ir: ļoti spožs (no 1 mm2 izstaro ar lielu jaudu) monohromatisks (izstaro spektrāllīniju ar vienu noteiktu viļņa garumu l) kolimēts (izstaro paralēlu staru kūli) koherents (izstarotie fotoni ir savstarpēji sakārtoti)

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

Lāzeru klasifikācija 3 lielas lāzeru grupas: Gāzu (izlādes) lāzeri Šķidro krāsvielu lāzeri Cietvielu lāzeri - t. sk. Diožu lāzeri

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 mW

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

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

Slāpekļa lāzers Aktīvā vide: N2 gāze Ierosme: sadursmes impulsveida gāzizlādē Viļņa garums: 337,1 nm Krāsas: UV-A (neredzams) t  10 ns, f < 100 Hz Pīķa jauda: < 1 MWS

Ogļskābās gāzes lāzers Aktīvā vide: CO2 un N2 gāzu maisījums Ierosme: sadursmes nepārtrauktā gāzizlādē Viļņa garums: 10,6 m Krāsa: IS (neredzams) Jauda: < 10 kW (cw), impulsos līdz 100 MW

Ekzīmeru lāzeri Aktīvā vide: ierosinātas dimēru molekulas, piem., ArF, KrF, XeCl, XeF Ierosme: sadursmes impulsveida gāzizlādē Viļņa garumi: 157, 193, 249, 308, 355 nm Krāsa: UV/VUV (neredzams) t  10 ns, f < 100Hz Vidējā jauda: < 100 W

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 kHz Jauda: < 20 W vidējā, < 20 kW pīķī

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 kHz Jauda: < 20 W vidējā, < 20 kW pīķī

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 mW

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

Ar argona lāzerstarojumu ierosināts krāsvielu lāzers

Rubīna lāzers Aktīvā vide: Al2O3 kristāls, dopēts ar Cr2O3 Optiskā ierosme: impulsu lampa Viļņa garums: 694, nm Krāsa: sarkana t  10 ns...1 ms, f < 10 Hz vai vienreizēji Maks. jauda: <100 MW

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

Nd-YAG absorbcija

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

Er:YAG absorbcija

Ti-safīra lāzers Aktīvā vide: Al2O3 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

Aleksandrīta lāzers Aktīvā vide: BeAl2O4 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

Diožu lāzeri Aktīvā vide: pusvadītāju kontakta zona (GaAs, GaInAlAs, InGaN, ...) Ierosme: elektriskā strāva Viļņa garumi: 405 nm, 630 to 1600 nm, Krāsas: violeta, sarkana, IS Režīms: nepārtraukts vai impulsveida Jauda: 0,001...100 W

Nelineāro kristālu lāzeri Aktīvā vide: dubultlauzošie kristāli – KDP, KTP.. Optiskā ierosme: ar lāzeriem (l0) - krāsvielu, LD, Ti:safīra,... Viļņa garumi: l0/2, l0/3, l0/4 - harmonikas Krāsa: atkarīga no l0 - zaļa, zila, UV, ... Režīms: nepārtraukts vai impulsveida Jauda: 0,01...50 W

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

Šodien: šķiedru lāzeri

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

Populārāko lāzeru parametri Lāzera veids Starojuma viļņa garums, m Nepārtaukts (cw) vai impulsu Impulsa ilgums, ms Impulsa atkārtošanās frekvence, Hz Izejas starojuma jauda, W He-Ne 0,633 cw 0,001...0,05 Ar 0,488; 0,514 0,1...100 N2 0,337 impulsu 0,01 < 100 pīķis106 CO2 10,6 cw&impulsu 103, pīķis 108 Cu 0,510; 0,578 < 20 000 20, pīķis104 KrF 0,248 100 Krāsvielu 0,57...0,62 0,01...10 Rubīna 0,694 0,01...1000 < 10 pīķis 108 Nd-YAG 1,064

Populārāko lāzeru parametri turpinājums Lāzera veids Starojuma viļņa garums, m Nepārtaukts (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 Ti-Al2O3 0,66...1,10 cw&impulsu < 10 DPSS 0,532 Diožu 0,4; 0,63...1,6 0,001...100

www.dzm.lv