3 – לייזרים של מבודדים מזוהמים לייזרים ושימושיהם 3 – לייזרים של מבודדים מזוהמים 1 מושגי יסוד ב"מצב מוצק" 2 מרכיבי התווך הלוזר 3 הלייזר Nd:YAG 4 לייזרים נוספים במשפחה לייזר 3 - מבודדים מזוהמים ד"ר פנחס שכנר (C)

מושגי יסוד בפיסיקה של מצב מוצק פס הערכיות פס ההולכה Eg מבודדים מוליכים מוליכים למחצה רמות פנימיות של יונים קריסטלוגרפיה בסיסית לייזר 3 - מבודדים מזוהמים ד"ר פנחס שכנר (C)

לייזר 3 - מבודדים מזוהמים רמות באטום בגז מקום בעל ההסתברות הגבוה ביותר למצוא את האלקטרון האטום +Z גרעין עם Z פרוטונים רמה ריקה ראשונה רמה מלאה חלקית Inner Shells (Ze-) באטום נאוטרלי לייזר 3 - מבודדים מזוהמים ד"ר פנחס שכנר (C)

רמות האטום ביון הרמות: "מלאה חלקית" ו"ריקה ראשונה" יוצרות את הגבישים והמולקולות רמות האטום ביון +Z גרעין רמה ריקה ראשונה רמה מלאה חלקית + n Inner Shells (Z-n)e- ביון לייזר 3 - מבודדים מזוהמים ד"ר פנחס שכנר (C)

מרכיבים ותפקידים של מבודדים מזוהמים מארח: מבודד – תחמוצת מזהם: יון של "מתכות מעבר" או Lanthanides (בדרך כלל יון במצב +3 ) תפקידי המארח יצרת "שדה גביש" אשר: מבטל ניוון רמות של יון המזהם. משנה את סיכוי המעבר לרמות אסורות. לייזר 3 - מבודדים מזוהמים ד"ר פנחס שכנר (C)

לייזר 3 - מבודדים מזוהמים תורת ה-Crystal Field http://www.unine.ch/chim/chw/Chapter%204.html מודל סמי-קלסי המסביר את הספקטרא של יונים מתכתיים בתוך מוצק או נוזל. מניחה שהיונים מוקפים ב-ligands. ה-ligands מוצגים כמטענים נקודתיים שליליים המסתדרים באופן סימטרי מסביב ליון המתכתי. הכוחות בין היון המתכתי וה-Ligand הם אלקרוסטטיים לייזר 3 - מבודדים מזוהמים ד"ר פנחס שכנר (C)

לייזר 3 - מבודדים מזוהמים דוגמה: קונפיגורציה של אטום Cr0 3d5 4s1 לייזר מארח מזהם Ruby Al2O3 Cr+3 קונפיגורציה של היון Cr+3 ? 3d3 Cr+3 ~ 0.5% b/w llaser = 0.6943 mm llaser = 0.6927 mm יש ליון Cr+3 אלקטרונים ברמה d http://www.rpi.edu/dept/chem-eng/WWW/faculty/cale/classes/SMP/lecture1/sld011.htm לייזר 3 - מבודדים מזוהמים ד"ר פנחס שכנר (C)

מבנה קריסטלוגרפי של אלומינה עם זיהום Al2O3 http://cst-www.nrl.navy.mil/lattice/struk.picts/d5_1.s.png המבנה הגבישי נלקח מתוך מבנה קריסטלוגרפי של אלומינה עם זיהום O-2 Al+3 מזוהם ב- 0. 5% לפי משקל ביוני Cr+3 Cr+3 יון הכרום מחליף את יון האלומיניום רדיוס היונים: r(Al+3) = 0.54 Å r(Cr+3) = 0.62 Å לייזר 3 - מבודדים מזוהמים ד"ר פנחס שכנר (C)

רמות אנרגיה בתווך הלוזר של מבודד מזוהם רמת ערכיות של המארח במבודד רמת הולכה של המארח במבודד Eg > 4 eV מבודד Al+3 Cr+3 ליון Cr+3 יש רמות d מאוכלסות שאינן משתתפות ברמת ההולכה או הערכיות של הבגיש לייזר 3 - מבודדים מזוהמים ד"ר פנחס שכנר (C)

לייזר 3 - מבודדים מזוהמים ד"ר פנחס שכנר (C)

לייזר 3 - מבודדים מזוהמים הסתברות מרבית למצוא אלקטרון באורביטלות פונקציות הגל הזוויתיות עבור 3 אורביטלות p l = 1 בין הצירים Alonso Finn p.124 על הצירים לייזר 3 - מבודדים מזוהמים ד"ר פנחס שכנר (C) פונקציות הגל הזוויתיות עבור 5 אורביטלות d l = 2

אורביטלות d בשדה octa-hedral שלושת הרמות עם סיכוי גדול בצירים x, y, z מושפעות יותר מהשדה מאשר השתיים שיש להם סיכוי להיות בין הצירים אורביטלות d בשדה octa-hedral לייזר 3 - מבודדים מזוהמים ד"ר פנחס שכנר (C)

פיצול רמותd בגלל שדה הגביש סך כל האנרגיה של הרמות נשמר רמות d מנווונות בשדה ספרי (בגז) 3x (2/5) = 2x(3/5) רמות d מתפצלות בשדה octahedral לייזר 3 - מבודדים מזוהמים ד"ר פנחס שכנר (C)

לייזר 3 - מבודדים מזוהמים ספקטרום בליעה של Ruby [Cr+3] = 1.88x1019 ions/cm3 a = 7 cm-1 a = 4 cm-1 פסי בליעה לשאיבה קוו הלזירה a = 0.13 cm-1 ספקטרום מתוך : Optical Electronics, Amnon Yariv Sauders College Publishing 1991, Fourth Edition, p. 228 לייזר 3 - מבודדים מזוהמים ד"ר פנחס שכנר (C)

לייזר 3 - מבודדים מזוהמים דיאגרמת רמות לייזר Ruby 3 רמות ns Fast decay ms/ns Laser Emission ms Pumping eV E2 E1 E0 time Metastable רמת היסוד לייזר 3 - מבודדים מזוהמים ד"ר פנחס שכנר (C)

Ruby LASER energy levels 1 3 energy (eV) 2 ground state 694.3nm 692.7nm rapid decay (~50ns) “0” “1” “2” blue green 4F1 4F2 2E לייזר 3 - מבודדים מזוהמים ד"ר פנחס שכנר (C)

Ruby LASER energy levels pumping rapid decay to metastable level (~50ns) 3 2 Meta-stable levels energy (eV) blue 1 green 692.7nm laser 694.3nm ground state time www.ph.surrey.ac.uk/~phs3ja/3mol/lecture17.ppt לייזר 3 - מבודדים מזוהמים ד"ר פנחס שכנר (C)

לייזר 3 - מבודדים מזוהמים לייזרים של מבודדים מזוהמים # שם מארח Host מזהם Dopand 1 Ruby Al2O3 Cr+3 2 Nd:YAG Y3Al5O12 Nd+3 3 Nd:YAG Diode pumped 4 Nd:Glass SiO2 5 Fiber Optic 6 Alexandrite BeAl2O4 7 Er:YAG Er+3 8 מכנה משותף תחמוצות מעבר ולנטנידים לייזר 3 - מבודדים מזוהמים ד"ר פנחס שכנר (C)

תכונות אופטיות של המארח והזיהום lpump llaser תפקיד מארח Transparent Eg > 4 eV ביטול ניוון אנרגתי בזיהום זיהום High Absorption Transition and Lanthanides הספקת קווי השאיבה והלזירה לייזר 3 - מבודדים מזוהמים ד"ר פנחס שכנר (C)

לייזר 3 - מבודדים מזוהמים לייזר Nd:YAG נובמנר 22 Power Supply Ballast Laser Rod Optical Resonator Ellipsoidal Reflector Flashtube Capacitor bank Power supply Ballast Resistor לייזר 3 - מבודדים מזוהמים ד"ר פנחס שכנר (C)

תכונות של לייזר Nd:YAG Nd:YAG תחום שאיבה אורך גל לזירה % משקל מזהם מארח שם שם הלייזר = שם התווך לוזר Yttrium aluminium garnet Y3Al5O12 תחמוצת Nd+3 יון לנטניד במצב +3, מחליף את ה- Y+3 1.5 r(Nd+3) = 0.995 Å r(Y+3) ~ 0.98 Å 1.06 mm 0.7 – 0.9 mm לייזר 3 - מבודדים מזוהמים ד"ר פנחס שכנר (C)

Nd:YAG LASER דיאגרמת אנרגיה 3 pumping bands 2 energy (eV) 1 1064 green 1 3 energy (eV) 2 IR green pumping bands fast non-radiative decay Metastable levels 1064 nm Laser fast n.r. decay ground state Variable time לייזר 3 - מבודדים מזוהמים ד"ר פנחס שכנר (C)

לייזר 3 - מבודדים מזוהמים רמות אנרגיה Initial Level – Ground State 0.0 eV Final Laser Level - Terminal 0.25 eV Metastable – Upper Laser Level 1.3 eV Pumping Levels 1.4-1.8 eV שלבים pumping N0 + hn(0.8-0.9 mm) N3( 1.4-1.8 eV) 1 Fast decay to Meta-stable N3 N2 (1.3 eV) + hn’ 2 Laser N2+ hn(1.06 mm) N1 (0.25 eV) + 2hn(1.06mm) 3 Relaxation N1 N0 (0.25 eV) +hn” 4 לייזר 3 - מבודדים מזוהמים ד"ר פנחס שכנר (C)

לייזר 3 - מבודדים מזוהמים רפלקטור אליפטי Laser Rod Flashtube קרינה הנפלטת ממנורת ההתפרקות מוחזרת למוט של הלייזר לייזר 3 - מבודדים מזוהמים ד"ר פנחס שכנר (C)

לייזר 3 - מבודדים מזוהמים חזרה על מנורות התפרקות מעטפת זכוכית קתודה תרמיונית עם גוף חימום חימום JRD = a AT2e-w/kT [A/cm2] A = 120 A cm-2 0K-2 נוסחת Richardson-Dushman Vflash = Vin – IR הנטל אנודה גז e-metal e- + metal+ Thermionic Emission e- + V e-* Electron Acceleration e-* + Xe Xe+ + 2e- Ionization Xe+ + V Xe+* Ion Acceleration e-* + Xe Xe* + e- Excitation e-* + Xe+ Xe* Recombination Xe* Xe + hn Photon Emission לייזר 3 - מבודדים מזוהמים ד"ר פנחס שכנר (C)

לייזר 3 - מבודדים מזוהמים ניצולת Quantum Loss 1 שם ההפסד hl 0.8 סימן ערך סביר Electrical Loss 2 helec 0.2 Reflection 3 Hincident 0.9 Effective band 4 hDl 0.1 Transmission Loss 5 ha 0.8 Stimulation Loss 6 hB10 0.95 hTotal = phi ~ 0.01 לייזר 3 - מבודדים מזוהמים ד"ר פנחס שכנר (C)

לייזר 3 - מבודדים מזוהמים ניצולת Quantum Loss 1 שם ההפסד hl 0.8 סימן ערך סביר Electrical Loss 2 helec 0.2 Reflection 3 Hincident 0.9 Effective band 4 hDl 0.1 Transmission Loss 5 ha Stimulation Loss 6 hB10 0.95 hTotal = phi ~ 0.01 לייזר 3 - מבודדים מזוהמים ד"ר פנחס שכנר (C)

hl helec hR hDl ha hB10 # שם ההפסד הסבר סימן ערך סביר 1 0.8 2 P = IV כמה נשאר 1 Quantum Loss llaser>lpump hl 0.8 2 Electrical Loss P = IV helec 0.2 3 Reflection R hR 0.9 4 Effective band רק חלק מהקרינה היא בתחום השאיבה hDl 0.1 5 Transmission Loss חלק מהקרינה עוברת ha 0.9 6 Stimulation Loss פוטונים שלא מדרבנים hB10 0.95 hTotal = phi ~ 0.01 לייזר 3 - מבודדים מזוהמים ד"ר פנחס שכנר (C)

תרגיל : חישוב מספר פוטונים בפולס הנחות מקדם האקספוננציאלי של הבליעה לא משתנה בזמן השאיבה או הלזירה: a(t) = constant גודל המקובל לקוו לזירה, הנשאר קבוע עם הזמן בתרגיל שלנו נתעלם שבזמן השאיבה יש ירידה בפרודות הבולעות 1 gpump(t) = - ac aL([N0] - [N1]) = constant הספק הפולס מרובע עם הזמן 2 d Dlpump = lpump פס השאיבה הוא קוו ספקטרלי 3 לצינור הלוזר קוטר (הדרך האופטית) d = 1 cm וזאת הדרך האופטית של כל הפוטונים של השאיבה 4 לייזר 3 - מבודדים מזוהמים ד"ר פנחס שכנר (C)

לייזר 3 - מבודדים מזוהמים השטח המואר ליחידת נפח V = pr2h 2r h Aillu = 2prh A = 2pr h 2p r h Aillu/ V = 2prh/pr2h = 2/r יחידת נפח = 1cm3 בהנחת התרגיל הרדיוס הוא r = 0.5 cm A/V = 2/r =2/0.5 = 4cm2/cm3 Aillu/cc = 4cm2/cm3 כל סמ"ק של המוט מואר ע"י 4 סמ"ר לייזר 3 - מבודדים מזוהמים ד"ר פנחס שכנר (C)

לייזר 3 - מבודדים מזוהמים d 1 cm lpump 0.9 mm I0 2 W/cm2 a 0.1 cm-1 Aillu/cc 4 cm2/cm3 tflash 5 ms תנאי התחלה לייזר 3 - מבודדים מזוהמים ד"ר פנחס שכנר (C)

exp(-ad) exp(-0.1x 1) = 0.9 1 - exp(-ad) = 0.1 0.2 W/cm2 שבר הקרינה העוברת exp(-ad) exp(-0.1x 1) = 0.9 שבר הקרינה הנבלעת 1 - exp(-ad) = 0.1 הספק נבלע ליחידת שטח Iabs = I0[1 - exp(-ad)] I0 = 2 W/cm2 0.2 W/cm2 אנרגית בג'אול נבלעת ליח' שטח J = Iabs x tflash = 0.2 x 5x 10-3 = 1x10-3 J/cm2 אנרגית ב- eV נבלעת ליח' שטח JeV = J x (6.242 x 1018 eV/J ) 6.2 x 1015 eV/cm2 לייזר 3 - מבודדים מזוהמים ד"ר פנחס שכנר (C)

שטף פוטונים נבלעים ליח' שטח nph,s = JeV/ Eph = 4.5 x 1015 Photons/cm2 אנרגיה של פוטון שאיבה Eph = hc/l 1.24/0.9 = 1.38 eV שטף פוטונים נבלעים ליח' שטח nph,s = JeV/ Eph = 4.5 x 1015 Photons/cm2 פוטונים נבלעים ליח' נפח nph,V = nph,s x Aillu/cc 1.8 x 1016 Photons/cm3 ריכוז יונים שהועלו לרמה E3 ליחידת נפח [N2] = nph,V = 1.8 x 1016 Ions/cm3 לייזר 3 - מבודדים מזוהמים ד"ר פנחס שכנר (C)

היסטוריה של פולס I זמן טעינת קבלים זמן הלזירה תחילת התפרקות הקבל w/cm2 היסטוריה של פולס תחילת הלזירה: מושג הפוך אוכלוסיה זמן הלזירה קרינת הלייזר זמן טעינת קבלים קרינת ממנורת התפרקות זמן ההתפרקות t, ms נפסק היפוך אוכלוסיה תחילת התפרקות הקבל תופעת ה-spikes חוסר הדירות עם הזמן לייזר 3 - מבודדים מזוהמים ד"ר פנחס שכנר (C)

שיעורי בית 3,5,6,8,18,19 + 20 שיעור בית חובה: שאילה 18, רק עבור לייזר אחד מתוך ה-8 המצויינים בשאילה. הסקר בזוגות. לבחירה הלייזרים 3, 4 , 5 , 6 , 7 ו- 8 . העדר שמות המחברים, תאריך הסיכום, הנדון או וסימוכין (במקומות המתאימים) מקנה למגיש ציון אפס, ללא אפשרות לתיקון 3% עם אפשרות להגדלה, אם העבודתות רציניות לייזר 3 - מבודדים מזוהמים ד"ר פנחס שכנר (C)