1. Eiropas Savienības struktūrfondu nacionālās programmas projekts “MĀCĪBU SATURA IZSTRĀDE UN SKOLOTĀJU TĀLĀKIZGLĪTĪBA DABASZINĀTŅU, MATEMĀTIKAS UN TEHNOLOĢIJU PRIEKŠMETOS”
LĀZERI VAKAR UN ŠODIEN

2. Par ko būs stāsts Galvenie lāzeru veidi / darbības principi
Metodika: kā var stāstīt par lāzeriem skolā (piem., fizikas papildnodarbībās)

3. 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

4. LASER
Light
Amplification
by Stimulated
Emission
of Radiation

5. 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.

6. 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

7. 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.

8. 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 )

9. 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

10. 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

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

12. 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!?

13. 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

14. 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

15. 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

16. 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!

17. 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

18. EMS
Slide 3 of 49

19. Piemērs: gāzu lāzers
      
                                  
                                                                                        

20. 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)

21. 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

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

23. 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: mW

24. 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, W

25. Kriptona lāzers Aktīvā vide: Kr gāze
Ierosme: sadursmes nepārtrauktā gāzizlādē (jonu pār.)
Viļņa garumi: , 568, 647 nm, ....
Krāsas: zaļa, dzeltena, sarkana, ...
Jauda:0, W

26. 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

27. 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

28. 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

29. 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

30. 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

31. 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

32. Šķidro krāsvielu lāzeri
Aktīvā vide: krāsvielu šķīdumi
Ierosme: optiskā–impulsu lampa vai lāzers
Viļņa garumi: nm, regulējami
Krāsa: jebkura, arī UV-A un IS-A, atkarīga no krāsvielas
Režīms: nepārtraukts vai impulsveida
Jauda: 0, W

33. Ar argona lāzerstarojumu ierosināts krāsvielu lāzers

34. 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

35. 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, W

36. Nd-YAG absorbcija

37. 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, W

38. Er:YAG absorbcija

39. Ti-safīra lāzers Aktīvā vide: Al2O3 kristāls, dopēts ar Ti
Optiskā ierosme: impulsu lampa vai DL
Viļņa garumi: nm, regulējami
Krāsa: sarkana, IS
Režīms: nepārtraukts vai impulsveida
Jauda: 0, W

40. Aleksandrīta lāzers Aktīvā vide: BeAl2O4 kristāls, dopēts ar Cr
Optiskā ierosme: impulsu lampa vai DL
Viļņa garumi: nm, regulējami
Krāsa: IS (neredzams)
Režīms: nepārtraukts vai impulsveida
Jauda: 0, W

41. 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, W

42. 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, W

43. 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

44. Šodien: šķiedru lāzeri

45. Piemērs: Uranus Series
Maks. izejas impulsa enerģija: 100 μJ
Impulsa ilgums: 600 fs
Emisijas josla: nm
Viļņa garums:1030 nm
Maks. Jauda: 1 GW
Impulsa atkārtošanās diapazons: 0, MHz

46. 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, ,05 Ar
0,488; 0,514 0, N2
0,337
impulsu
0,01
< 100
pīķis106
CO2
10,6
cw&impulsu
103, pīķis 108 Cu
0,510; 0,578
<
20, pīķis104
KrF
0,248
100
Krāsvielu
0,57...0,62 0,
Rubīna
0,694 0,
< 10
pīķis 108
Nd-YAG
1,064

47. 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,