1. Lasers4 -Gaseous Schechner (c)1 1השוואת צפיפות פרודות בין מוצק ובין גז 2לייזר He-Ne 3לייזר CO 2 4לייזר Excimer 4 - לייזרים בפזה הגזית מקורות קרינה ולייזרים

2. Lasers4 -Gaseous Schechner (c)2 ריכוז פרודות עם יכולת לזירה המסה של יון אחד של Nd +3 הוא: m ion (Nd +3 ) = aw(Nd +3 )/ N Avo = 144.24 g/(6x10 23 ) = 2.4x10 -22 g/ion האם זה סביר? הנוסחה הכימית של הגבישNd x Y 3-x Al 5 O 12 צפיפות הגביש:  1.97 g/cm 3 ריכוז (לפי משקל) של יוני הנאודימיום [Nd +3 ] = 1.5% b.w נחשב את ריכוז יוני ה-Nd +3 בגביש של לייזר Nd:YAG נתונים נחשב את הצפיפות של היון לפי משקל:  (Nd +3 ) =  x [Nd +3 ]  (Nd +3 ) = 1.97 g x 0.015 = 2.95x10 -2 [g Nd +3 /cm 3 ] מה המסה של כל יוני Nd +3 שבתוך סמ"ק m ion = aw ion /N Avo

3. Lasers4 -Gaseous Schechner (c)3 הריכוז ( מספר פרודות ליחידת נפח) של לייזר מבודד מזוהם [dopand] [dopand]= [Nd +3 ] =  w  (Nd +3 ) m ion ( Nd +3 ) [Nd +3 ] = 2.95x10 -2 g/cm 3 2.4x10 -22 g/ion = 1.23 x10 20 ions/cm 3 הריכוז, מספר פרודות ליחידת נפח, של לייזר בפזה גזית, [gas] בתנאים תקניים, עבור גז אידיאלי P = 1 atm. n mol = 1 T = 273.15 0 K V stp = 22,4 liter = 22.4x10 3 cm 3 קיים: V stp x [Gas] = N Avo = [Gas] = N Avo V stp 6x10 23 atoms 22.4x 10 3 cm 3 = = 2.68 x10 19 atoms/cm 3 לכן, עבור כל גז אידיאלי PV = nRT

4. Lasers4 -Gaseous Schechner (c)4 השוואה בין ריכוז פרודות עם יכולת לזירה [Gas] = 2.68 x10 19 atoms/cm 3 [Nd +3 ] =1.23 x10 20 ions/cm 3 בסמ"ק של לייזר של מבודד מזוהם יש כמעט פי 5 יותר יונים של מזהם מאשר אטומים בסמ"ק של גז אידיאלי בתנאים תקניים אבל, בלייזר גזי יש תערובת של גזים, והלחץ עשוי להיות נמוך מ-1 אטמ'. זה המצב במקרה של הלייזר He-Ne, לכן: [Gas] ~ [Nd +3 ]/100 - [Nd +3 ]/1000

5. Lasers4 -Gaseous Schechner (c)5 לייזר He-Ne פס הלזירה עיקרי ב- Ne nm 632.8 השאיבהב-Heמנגנון עירעור מנורת התפרקות עם מתח הפעלה של 2-4 kV בזרם של 5-10 mA הרכבתערובת גזים אצילים 10 x [He] = [Ne] Electro-Optics\laser2005-06\Stimulated Emission Devices LASERS – Tutorial - NI Developer Zone - National Instruments.htm לחצים1 mmHg of He 0.1 mmHg of Ne 760 mmHg = 1 atm.

6. Lasers4 -Gaseous Schechner (c)6 מבנה של לייזר He-Ne Wilson and Hawkes, p.225 R = 0.999 Output Mirror R = 0.980 תערובת He-Ne צינור התפרקות דק קתודה תרמיונית נטל ballast e-e- ספק כח חיוני לתהליך

7. Lasers4 -Gaseous Schechner (c)7 תגובות בשפורפרת ההתפרקות e -* + He He + + 2e - Ionization He + + V He +* Ion Acceleration e -* + He He* + e - Excitation √ e -* + He + He* Recombination He* He + h  Photon Emission e - + V e -* Electron Acceleration √ e - metal e - + metal + Thermionic Emission √ רק חלק מהתגובות המתרחשות בשפופרת חשובות לתהליך e -* + He(0 eV) He(20.61 eV) + e - e -* + He(0 eV) He( 19.9 eV ) + e -

8. Lasers4 -Gaseous Schechner (c)8 העברת אנרגיה בהתנגשויות בין אטומים בגז +10 Ne: 1s 2 2s 2 p 6 +2 He: 1s 2

9. Lasers4 -Gaseous Schechner (c)9 העברת אנרגיה בהתנגשויות בין אטומים בגז Excitation +2 * 1 2 +10 +2 3 Inelastic Collision +10 +2 4

10. Lasers4 -Gaseous Schechner (c)10 +10 +2 5 +10 +2 4

11. Lasers4 -Gaseous Schechner (c)11 Helium-Neon LASER: energy levels 22 20 18 16 energy (eV ) 0 collision with tube walls neon atomic collisions  0.5 ms  0.1 ms fast decay (  ~10ns) אורות "נאון" תחרות בשאיבה + חסימת פריקה 3.39μm 543nm 633nm 1.15 μ m radiative decays:  ~100ns) 4 קווי לזירה p p שבר בציר ground state time helium Pumping

12. Lasers4 -Gaseous Schechner (c)12 Nd:YAG LASER 0 1 3 energy (eV) 2 ground state 1064 nm fast non- radiative decay 0.9  m 0.7  m pumping bands fast n.r. decay נזכור את דיאגרמת הרמות רמת השאיבה הגבוהה ביותר לא מגיע ל-3 eV לכן לייזר He-Ne הרבה פחות יעיל מ- Nd:YAG נצילות אורית של לייזר He- Ne לייזר He:Ne צורך 8mA במתח V = 3kV DC. ההספק האורי המופק ממנו הוא P laser = 7 mW. חשב את היעילות האורית. P elec = IV = (8 x 10-3 )x (3 x103) = 24 Watt  P laser P elec = 2.9 x10 -4

13. Lasers4 -Gaseous Schechner (c)13 לייזר CO 2 מנגנוני עירעור מנורת התפרקות סגור RF Transversally Excited Atmospheric גז דינמי כימי השאיבהב-N2ב-N2 פסי הלזירה ב- CO 2 10.6  m ו -  m 9.6 הרכבתערובת גזים CO 2 : N 2 :He 1:4:5 100 W in 1 m lengthהספקים:

14. Lasers4 -Gaseous Schechner (c)14 אוסצילטור מולקולרי ( מודל סמי-קלסי) אנרגית המערכת E p,classic = ½ k x 2 = 2  2 mx 2 E(v) = h osc ( v + 1/2 ) v = 0, 1, 2, 3, 4 … E r rere  E = h osc osc = 1 22 הפרש קבוע או מכפלה (הרמויות)

15. Lasers4 -Gaseous Schechner (c)15 Laser CO 2 O CO מולקולה סימטרית OCO Symmetrical strech: no IR absoption (100) אופני תנודה סימון OCO Antisymmetrical strech:  4.256  m (001) 9.6  m 10.6  m OCO Bending, degenerate  14.986  m (020) http://www.forumsci.co.il/HPLC/FTIR_page.html

16. Lasers4 -Gaseous Schechner (c)16 רמות אנרגיה (050) (040) (030) (020) (010) Bending מרחקים שווים בין רמות הוויברציה eV 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 v = 1 N2N2 v = 0 Asymmetric Stretch CO 2 Meta- stable (001) (200) Symetric Strech (000) (100) pumping collisions He Collisional Deactivations 9.6  m (100) 10.6  m ומעברים Molecular Energy Transfer Collision CO 2 : N 2 :He 1:4:5

17. Lasers4 -Gaseous Schechner (c)17 בעיית החומרים חומרים שקופים באורכי הגל קרובים ל - 10  m http://www.globalopticsuk.com/germanium.htm

18. Lasers4 -Gaseous Schechner (c)18 בעיית החומרים חומרים שקופים באורכי הגל קרובים ל - 10  m

19. Lasers4 -Gaseous Schechner (c)19 חומרים חשובים גם לאופטיקה של מערכות הדמיה תרמיות

20. Lasers4 -Gaseous Schechner (c)20 מבנים של לייזר CO 2 1Sealed 2RF Ionization 3Transversally Excited Atmospheric 4 לייזר גז דינמי 5Chemical Laser

21. Lasers4 -Gaseous Schechner (c)21 מבנים שונים של לייזרים 1 - Sealed קירור לא יעיל. מתחמם. הרחבת דופלר Power Output < 100 W אורך חיים ~ 10,000 שעות 2 CO 2 2 CO + O 2 תגובה לא רצויה מבנה דומה לזה של הלייזר He-Ne מלבד הצינור הצר לזירוז ה-relaxation

22. Lasers4 -Gaseous Schechner (c)22 מבנה של לייזר CO 2 Sealed R = 0.999 Output Mirror R = 0.950 קתודה תרמיונית נטל ballast ספק כח e-e- תערובת גזים

23. Lasers4 -Gaseous Schechner (c)23 שטח אלקטרודות גדול. היונים נוצרים במקביל בהרבה מקומות 2 - RF Ionization החדרת אנרגיה לליזר CO 2 מראה R = 0.999 מראה R = 0.90 זרימת הגז משמשת גם לקירור ~ מקור מתח חילופין גבוה מפתח כניסה לגז מפתח יציאה לגז

24. Lasers4 -Gaseous Schechner (c)24 יינון ע"י קיטוב מושרה ב-RF Induced Ionization by RF Polarization +Z א +V -V +Z קיטוב ב ב. המולקולות עוברות קיטוב מושרה +V -V +Z ג ג. מואצות לכיוון מסויים -V +V +Z ד ד. השדה מתחלף ומשנה את כיוון התנועה

25. Lasers4 -Gaseous Schechner (c)25 +V * -V * +Z + e-e- יינון ה יש תערובת של מולקות של גז. למולקולות של כל חומר יש: מסה שונה מקדם קיטוב שונה לכן, המולקולות מתנגשות. יש מעבר מאנרגיה קינטית לאנרגיה וויברציונית. הקשרים מתנדנדים עד ליינון הינון לא חשוב לתהליך הלזירה, רק הוויברציה.

26. Lasers4 -Gaseous Schechner (c)26 Fig 5.45 - Schematic diagram of the TEA CO 2 laser. Wilson and Hawkes p.232 + - High Voltage Pin Cathodes and ballast resistors Transversally Excited Atmospheric CO 2 Laser Anode Bar ההתפרקות ניצבת לקרן של הלייזר  = 10.6  m e-e- e-e- e-e-

27. Lasers4 -Gaseous Schechner (c)27 לייזר גז דינמי CO 2 ברז התפשטות הגז ל- T L and P L CO 2 at high T H and P H In gas mixtures Nozzle M1M1 M2M2 הגז נמצא בהתפלגות המתאימה לטמפרטורות גבוהות. כאשר הוא מתפשט ללחץ הנמוך הוא מתקרר. בתהליך הקירור נפלטים הפוטונים מהרמה המטה-סטבילית

28. Lasers4 -Gaseous Schechner (c)28 Chemical Laser O2O2 Nozzle CH 4 M1M1 M2M2 2O 2 + CH 4 CO 2 * + 2H 2 O ה-CO 2 נוצר מעורר. חלק מהאנרגיה הכימית נשארת ברמות המטסאביליות. הבעירה שקופה, הגזים נקיים

29. Lasers4 -Gaseous Schechner (c)29 הרוטטור הצפיד m1m1 m2m2 C r r1r1 r2r2 מומנט אינרציה I JJh E 2 2 8 )1(  + = http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/molecule/rotrig.html#c3 הפרשי האנרגיה הולכים וגדילים לא נלמד הסמסטר

30. Lasers4 -Gaseous Schechner (c)30 שילוב רמות וויברציה ורוטציה חזרה לשקף 22 לא נלמד הסמסטר