Efectul Laser PDF [PDF]

Zitiervorschau

Efectul LASER 1. 2. 3. 4. 5. 6.

LASER. Scurt istoric. Emisia spontană şi indusă. Inversia de populaţie. Emisia stimulată Laserul cu rubin. Proprietătile radiaţiei LASER. Aplicaţii . ELI project .

Valerica Baban

1. Scurt istoric LASER = Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Amplificarea luminii prin emisie stimulată a radiaţiei 1916 A. Einstein - Emisia şi absorbţia radiaţiei conform teoriei cuantice - Spre teoria cuantică a radiaţiei 1939 V. A. Fabrikant - Cum poate fi utilizată emisia stimulată pentru a amplifica radiaţia 1947 W. E. Lamb şi R. C. Retherford - Prima demostraţie practică a emisiei stimulate 1950 A. Kastler - Prima demostraţie a pompajului optic 1953 construcţia MASER-ului - Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation Charles H.Townes, Nikolay Basov, Aleksandr Prokhorov premiul NOBEL 1964 1960 T. H. Maiman , primul LASER functional – laserul cu rubin 1962 Ion.I. Agârbiceanu primul laser cu gaz (heliu-neon) cu radiație infraroșie, după o concepție originală

Valerica Baban

2. Emisia spontană şi emisia indusă

Valerica Baban

2. Emisia spontană şi emisia indusă (stimulată)

Valerica Baban

3. Absorbţia radiaţiei Fotonii care mai rămân , are loc o atenuare !

Populaţia nivelului E2 Fotoni incidenţi

În mod normal numărul de atomi aflaţi în starea cu energie mică este mult mai mare decăt numărul de atomi aflaţi în starea cu energie mare

Probabilitatea de interacţie a fotonilor incidenţi cu atomii aflaţi pe starea fundamentală este mare astfel încât o mare parte din aceştia determină trecerea atomilor în starea excitată E2 Valerica Baban

4. Inversia de populaţie

Populaţia nivelului E2 este mai numeroasă

In ce condiţii la trecerea prin substanţă radiaţia poate fi amplificată şi NU atenuată ???

Radiaţia este amplificată

Fotoni incidenţi

Realizarea inversiei de populaţie înseamnă creşterea numărului de atomi de pe nivelul excitat N2 >N1

Probabilitatea de interacţie a fotonilor incidenţi cu atomii aflaţi pe starea excitată este mare astfel încât o mare parte din aceştia determină revenirea atomilor pe starea fundamentală si emisia Valericaaltor Babanfotoni

4. Inversia de populaţie

Cum se poate realiza practic inversia de populatie ???

Radiaţie de pompaj radiaţie auxiliară folosită pentru realizarea inversiei de populatie Valerica Baban

5. Componentele unui laser. Laserul cu rubin 3.Cavitatea rezonantă Sistem paralel de oglinzi

1. Mediul activ In interiorul căruia se realizează inversia de populatie Rubinul

2. Sistemul de pompaj Realizează inversia de populaţie Valerica Baban

6. Rubinul 1. 2. 3. 4.

Corindon

Al2O3

Diamant Saphyre Smarald Rubin

Cr

3

Valerica Baban

Rubin  duritate 9.0 ( diamantul 10.0)  O mică fracţiune din atomii de Al sunt inlocuiţi de Cr  fiecare atom de Al este inconjurat de 8 atomi de O  rezultă o absorbţie puternică a radiaţiei vizibile din domeniul galben-verde -albastru rezultând culoarea rosie care este cu atât mai intensă cu cât creşte numărul atomilor de Cr  in cazul rubinului folosit la laser este artificial cu grad de impurificare cu atomi de Cr f mic (0,05%) Valerica Baban

Valerica Baban

5.Tipuri de laser. Clasificarea laserilor se poate face după: • natura mediului activ (solid, lichid, gazos); • puterea emisă; • domeniul de lungimi de undă al radiaiei emise; • modul de funcionare (continuă sau în impulsuri). Lasere solide Cele mai obinuite lasere solide au ca mediu rubinul sau cristale sau sticle de neodim ( Metal de culoare argintie, ai cărui compuşi sunt întrebuinţaţi înindustria sticlei ). Marginile bucătilor de cristale sunt fabricate din două suprafee paralele acoperite cu o peliculă neferoasă extrem dereflectorizantă. Laserele solide oferă cea mai mare putere si sunt utilizate în mod normal într-o manieră pulsată pentru a genera oexplozie de lumină de scurtă durată. Absorbia este realizată cu lumină din tuburi de xenonsau lămpi cu arc

Valerica Baban

Lasere cu gaz Mediul unui laser cu gaz poate fi un gaz pur, un amestec degaze sau chiar vapori de metal și este întâlnit adeseori în „neoane”. Două oglinzi sunt localizate la capetele tuburilor pentru a realiza mediul. Laserele cu gaz sunt acionate cu lumină ultravioletă, raze electronice, curent electric sau reacii chimice. Laserul heliu-neon este cunoscut pentru stabilitatea frecvenei, puritatea culorii, împrătierea razei fiind minimă. Laserele cu dioxid de carbon sunt foarte eficiente si de aceea ele au cea mai puternică rază .

Laserele cu semiconductori Cel mai compact dintre lasere, laserul cu semicon-ductori constă, în general, dintr-un amestec de semicon-ductori cu proprietăi de conducere a curentului diferii. Cavitatea laserului este marginită de două plăci reflectorizante. Arseniura de galiu este cel mai folosit semicon-ductor. Laserele cu semiconductori sunt acionate de aplicarea de curent electric asupra conductorului si pot fi utilizate cu eficienă de peste 50%. O metodă care permite utilizarea mai eficientă a energiei a fost recent descoperită si constă în montarea unor mici lasere în circuite cu o densitate mai mare de un milion pe centimetru pătrat.Utilizările comune ale laserului cu semiconductor sunt CD-playerele imprimantele cu laser. Valerica Baban

Proprietăţile radiaţiei laser  

 

Putere foarte mare În funcție de tipul de laser și de aplicația pentru care a fost construit, puterea transportată de fascicul poate fi foarte diferită. Astfel, dacă diodele laser folosite pentru citirea discurilor compacte este de ordinul a numai 5 mW, laserii cu CO 2 folosiți în aplicații industriale de tăiere a metalelor pot avea în mod curent între 100 W și 6000 W. În mod experimental sau pentru aplicații speciale unii laseri ajung la puteri mult mai mari; cea mai mare putere raportată a fost în 1996 de 1,25 PW (petawatt, 1015 W).

Monocromaticitate si coerenţă Majoritatea laserilor au un spectru de emisie foarte îngust, ca urmare a modului lor de funcționare, în care numărul mic de fotoni inițiali este multiplicat prin „copiere” exactă, producînd un număr mare de fotoni identici. În anumite cazuri spectrul este atît de îngust (lungimea de undă este atît de bine determinată) încît fasciculul își păstrează relația de fază pe distanțe imense. Aceasta permite folosirea laserilor în metrologie pentru măsurarea distanțelor cu o precizie extrem de bună, prin interferometrie. Aceeași calitate permite folosirea acestor laseri în holografie. Valerica Baban

Proprietăţile radiaţiei laser 

Direcţionalitate

În timp ce lumina unei surse obișnuite (bec cu incandescență, tub fluorescent, lumina de la Soare) cu greu poate fi transformată într-un fascicul paralel cu ajutorul unor sisteme optice de colimare, lumina laser este în general emisă de la bun început sub forma unui fascicul paralel. Aceasta se explică prin acțiunea cavității optice rezonante de a selecta fotonii care se propagă paralel cu axa cavității. Astfel, în timp ce un reflector obișnuit de lumină, orientat de pe Pămînt spre Lună, luminează pe suprafața Lunii o suprafață de aproximativ 27.000 km în diametru, fasciculul unui laser nepretențios cu heliu-neon luminează pe Lună o suprafață cu diametrul mai mic de 2 km. Folosind laseri mai performanți și avînd la dispoziție pe suprafața Lunii retroreflectoare (colțuri de cub, care reflectă lumina incidentă pe aceeași direcție) a fost posibilă determinarea cu foarte mare precizie a distanței de la Pămînt la Lună.

Valerica Baban

5. Aplicaţii. Industrie Razele puternice ale laserelor pot fi orientate pe mici puncte, având o densitate ridicată a puterii. Astfel, razele pot încălzi, topi sau vaporiza materialul într-o maniera precisă. Laserele au fost folosite, de exemplu, pentru a găuri diamante, pentru a slefui metale, în constructia chipurilor si în încercarea de a induce fusiunea nucleară controlată. Laserele sunt folosite în monitorizarea particulelor foarte mici, fiind si cele mai fine detectoare ale poluării aerului. Laserele au fost folosite în determinarea precisă a distantei Pământ-Lună si în testele de relativitate. Știintă Deoarece lumina laserelor este monocromatică si foarte bine directionabilă , ele sunt folosite în studiul molecular al materiei. Cu ajutorul laserelor, viteza luminii afost determinată cu o acurate foarte mare.

Valerica Baban

Comunicaţii Lumina laserului poate parcurge o distană foarte mare fără să-i piardă din intensitatea semnalului. Din cauza frecventei sale, lumina laserului poate transmite de exemplu, de 1000 de ori mai multe canale de televiziune decât cele transmise de microunde. Au fost create fibre optice capabile să transmită lumina laser în industria telefonică sau in computere. Mai sunt utilizate si în industria CD-playerelor si a unităilor de scriere a informaiei pe suport multimedia – DVD, BluRay Disc. Medicină O rază intensă de laser poate tăia sau cauteriza anumite tesuturi, fără a le afecta pe cele sănătoase. Au fost folosite în tratarea retinei si în cauterizarea vaselor de sânge rupte. Tehnicile pe baza laserului au fost utilizate pentru teste de laborator pe mici mostre biologice. Armată Sistemele de ghidare a rachetelor, a navelor i a sateliilor au la bază laserul. Utilizarea undelor laser au fost folosite în distrugerea rachetelor dusmane de către sistemul defensiv al lui Ronald Regan din 1983. Abilitatea reglării laserelor poate deschide noi perspective în separarea izotopilor în constructia de arme nucleare. Valerica Baban

Măsuri de precauie în utilizarea laserului Din cauza faptului că ochiul focalizează lumina laserului la fel ca pe lumina naturală, pericolul cel mai mare al utilizării laserului constă în afeciunile aparatului optic uman. Laserele trebuie utilizate de personal profesionist, purtând costume de protecie adecvate.

Valerica Baban

ELI - THE EXTREME LIGHT INFRASTRUCTURE

ELI-NP, un centru de cercetări în domeniul fizicii nucleare care va fi construit la Măgurele, este unul dintre cei trei piloni ai proiectului european ELI, care va deveni cea mai avansată structură pe plan mondial destinată studiilor legate de radiaţia fotonică cu caracteristici extreme. Celelalate două centre - ELI-Beamlines şi ELI-ALPS - vor fi construite la Praga (Cehia) şi, respectiv, Szeged (Ungaria). Valerica Baban

ELI Costuile ELI-NP sunt de 356,231 milioane de euro, inclusiv TVA. Finanţarea UE va fi de 83 la sută, iar statul român va trebui să contribuie cu restul de 17 la sută din sumă. În prima fază de finanţare, care se va încheia în 2015, Comisia Europeană a decis ca României să îi fie acordată suma de 180 de milioane de euro, fără TVA, din fondurile structurale, a doua etapă de finanţare urmând să se desfăşoare între 2014 şi 2016. Construcţia centrului de cercetare ELI-NP la Măgurele ar trebui finalizată până în toamna anului 2014, pentru ca apoi să fie instalaţi cei doi laseri de mare putere şi sistemul de radiţie gamma, iar centrul de cercetare să fie operaţional din 2017.

Valerica Baban

ELI A very high intensity laser, where beams from two 10 PW lasers are coherently added to get intensities of the order of 10 23 - 1024 W/cm2 and electrical fields of 1015 V/m; A very intense (1013 γ/s), brilliant γ beam, 0.1 % bandwidth, with Ev > 19 MeV, which is obtained by incoherent Compton back scattering of a laser light off a very brilliant, intense, classical electron beam (Ee > 700 MeV) produced by a warm linac.

Valerica Baban

ELI Cercetarea are aplicabilitate imediată, mai ales în domeniul medical, în diagnosticarea şi tratamentul unor boli, incluzând cancerul, dar şi în domeniul industrial, în producţia de microchip-uri şi alte produse ce ţin de memorie. De asemenea, ar putea fi dezvoltate tehnologii pentru detectarea materialelor nucleare sensibile, precum uraniu şi plutoniu, aşa cum se detectează metale în aeroporturi. Cercetarea ar avea aplicabilitate şi în gestionarea deşeurilor radioactive istorice, care nu se găsesc în România, dar sunt în alte ţări şi nu pot fi depozitate din cauză că nu se ştie ce elemente constitutive au, precum şi în centralele nucleare, pentru schimbarea combustibilului, care se face în prezent după calcule, neştiindu-se când cel folosit este ars. Cercetările pot servi inclusiv pentru a urmări evoluţia proceselor biologice în intervalul unei picosecunde sau a studia compoziţia chimică a Pământului.

Valerica Baban