ד"ר פנחס שכנר (C)לייזר 3 - מבודדים מזוהמים1 לייזרים ושימושיהם 3 – לייזרים של מבודדים מזוהמים 1מושגי יסוד

1לייזר 3 - מבודדים מזוהמים(C) ד"ר פנחס שכנר

לייזרים ושימושיהם – לייזרים של מבודדים מזוהמים3

1מושגי יסוד ב"מצב מוצק"

2מרכיבי התווך הלוזר

Nd:YAG3הלייזר

4לייזרים נוספים במשפחה


מושגי יסוד בפיסיקה של מצב מוצק

פס הערכיות•פס ההולכה•• Eg

מבודדים • מוליכים• מוליכים למחצה•רמות פנימיות של יונים•קריסטלוגרפיה בסיסית •


האטום

Inner Shells

רמה מלאה חלקית

רמה ריקה ראשונה

+Z

גרעין עם Z

פרוטונים

מקום בעל ההסתברות הגבוהרמות באטום בגזביותר למצוא את האלקטרון

)Ze- (באטום נאוטרלי


רמות האטום ביון

Inner Shells

רמה מלאה חלקית

רמה ריקה ראשונה

+Z

גרעין

)Z-n(e- ביון

+n

הרמות: "מלאה חלקית" ו"ריקה ראשונה"

יוצרות את הגבישים והמולקולות


מרכיבים ותפקידים של מבודדים מזוהמים: מבודד – תחמוצתמארח•Lanthanides: יון של "מתכות מעבר" או מזהם•

( 3+)בדרך כלל יון במצב

תפקידי המארח:יצרת "שדה גביש" אשר

מבטל ניוון רמות של יון המזהם.•משנה את סיכוי המעבר לרמות אסורות.•


Crystal Fieldתורת ה-

מודל סמי-קלסי המסביר את הספקטרא של יונים •מתכתיים בתוך מוצק או נוזל.

. ligandsמניחה שהיונים מוקפים ב-•

מוצגים כמטענים נקודתיים שליליים ligandsה-•המסתדרים באופן סימטרי מסביב ליון המתכתי.

הם אלקרוסטטייםLigandהכוחות בין היון המתכתי וה-•

http://www.unine.ch/chim/chw/Chapter%204.html


קונפיגורציה של היוןCr+3 ?

קונפיגורציה של אטום Cr0

3d5 4s1

Cr+3יש ליון

אלקטרוניםdברמה

דוגמה:

מארמזהםח

לייזר

Cr+3Al2O3Ruby

Cr+3 ~ 0.5% b/w

laser = 0.6943 m

laser = 0.6927 m

http://www.rpi.edu/dept/chem-eng/WWW/faculty/cale/classes/SMP/lecture1/sld011.htm

3d3


מבנה קריסטלוגרפ

ישל

אלומינה עם זיהום

Al2O3

http://cst-www.nrl.navy.mil/lattice/struk.picts/d5_1.s.png

המבנה הגבישי נלקח מתוך

Al+3

O-2

5%. 0מזוהם ב- לפי משקל

Cr+3ביוני

Cr+3

יון הכרום מחליף את

יון האלומיניום

רדיוס היונים:

r(Al+3) = 0.54 Å

r(Cr+3) = 0.62 Å

Pinchas Schechner


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

dיש רמות Cr+3ליון מאוכלסות

שאינן משתתפות ברמת ההולכה או הערכיות של הבגיש



= p l אורביטלות 3פונקציות הגל הזוויתיות עבור 1

d l = 2 אורביטלות 5פונקציות הגל הזוויתיות עבור

Alonso Finnp.124

על הציריםבין הצירים

הסתברות מרביתלמצוא

אלקטרון באורביטלות


dאורביטלות octa-hedralבשדה

שלושת הרמות עם סיכוי x, y, zגדול בצירים

מושפעות יותר מהשדהמאשר השתיים שיש להם סיכוי

להיות בין הצירים


בגלל שדה dפיצול רמותהגביש

מנווונותdרמות בשדה ספרי

(בגז) מתפצלותdרמות octahedralבשדה

סך כל האנרגיהשל הרמות נשמר

3x (2/5) = 2x(3/5)


ספקטרום בליעה של Ruby

קוו הלזירה

cm-1

cm-1

cm-1

פסי בליעה לשאיבה

Optical Electronics, Amnon Yariv: ספקטרום מתוך Sauders College Publishing 1991, Fourth Edition, p. 228

[Cr+3] = 1.88x1019 ions/cm3


רמותRuby 3לייזר

eV

E2

E1

E0

time

Metastable

ms

Pumping

ns

Fast

decay

ms/ns

LaserEmission

דיאגרמת רמות

רמת היסוד


Ruby LASER energy levels

0

1

3en

ergy

(eV

)

2

ground state

694.3nm

692.7nm

rapid decay (~50ns)

“0”

“1”

“2”blue

green

4F1

4F2

2E


Ruby LASER energy levels

0

1

3

ener

gy (

eV)

2

ground state

694.3nm692.7nm

rapid decay to metastable level

(~50ns)

blue

green

www.ph.surrey.ac.uk/~phs3ja/3mol/lecture17.ppt

pumping

Meta-stable levels

laser

time


מארחDopandמזהם Host

#שם

Cr+3Al2O3Ruby1

Nd+3Y3Al5O12Nd:YAG2

Nd+3Y3Al5O12Nd:YAG Diode

pumped3

Cr+3SiO2Nd:Glass4

Nd+3SiO2Fiber Optic5

Nd+3BeAl2O4Alexandrite6

Er+3Y3Al5O12Er:YAG7

Nd+3SiO2 Nd:Glass8

מכנה משותףתחמוצותמעבר ולנטנידים

לייזרים של מבודדים מזוהמים


תכונות אופטיות של המארח והזיהום

laserpumpתפקיד

ביטול ניוון

אנרגתי בזיהום

TransparentTransparent

Eg > 4 eV

מארח

הספקת קווי השאיבה והלזירה

TransparentHigh Absorption

Transition and Lanthanides

זיהום


Capacitor bank

Nd:YAGלייזר

Ellipsoidal Reflector

Ballast ResistorPower Supply

Ballast

Laser Rod

Flashtube

Power supply

Optical Resonator

22 נובמנר


תכונות של לייזר Nd:YAG

0.7 – 0.9 m

1.06 m

1.5

Nd+3

Y3Al5O12

Nd:YAG

תחום שאיבה

אורך גל לזירה

% משקל מזהם

מזהם

מארח

שם הלייזר = שם התווך לוזרשם

תחמוצת

Y+3, מחליף את ה- 3יון לנטניד במצב +

Yttrium aluminium garnet

r(Nd+3) = 0.995 Å

r(Y+3) ~ 0.98 Å


Nd:YAG LASER

0

1

3

ener

gy (

eV) 2

ground state

fast non-radiative

decay

IRgreen

pumping bands

fast n.r.

decay

דיאגרמת אנרגיה

1064nmLaser

Variable time

Metastable levels


רמות אנרגיהInitial Level – Ground State0.0 eV

Final Laser Level - Terminal0.25 eV

Metastable – Upper Laser Level1.3 eV

Pumping Levels1.4-1.8 eV

שלביםpumpingN0 + h(0.8-0.9 m) N3( 1.4-1.8 eV)1

RelaxationN1 N0 (0.25 eV) +h” 4

Fast decay to

Meta-stableN3 N2 (1.3 eV) + h’ 2

LaserN2+ h(1.06 m) N1 (0.25 eV) + 2h(1.06m) 3


רפלקטור אליפטי

Laser Rod

Flashtube

קרינה הנפלטת ממנורת

ההתפרקות מוחזרת

למוט של הלייזר


חזרה על מנורות

התפרקות

מעטפת זכוכיתקתודה תרמיונית

עם גוף חימום חימום

JRD = a AT2e-w/kT [A/cm2]A = 120 A cm-2 0K-2

נוסחת Richardson-

Dushman

Xe+ + V Xe+* Ion Acceleration

e-metal e

- + metal+ Thermionic Emission

e-* + Xe Xe+ + 2e- Ionization

e-* + Xe Xe* + e- Excitation

e-* + Xe+ Xe* Recombination

Xe* Xe + hPhoton Emission

e- + V e-* Electron Acceleration

Vflash = Vin – IR

הנטל

אנודה

גז


ניצולת

Quantum Loss 1

שם ההפסד

0.8

ערך סימןסביר

Electrical Loss 2elec0.2

Reflection 3Hincident0.9

Effective band 40.1

Transmission Loss 50.8

Stimulation Loss 6B100.95

Total i~ 0.01


ניצולת

Total i~ 0.01

Quantum Loss 1

שם ההפסד

0.8

ערך סימןסביר

Electrical Loss 2elec0.2

Reflection 3Hincident0.9

Effective band 40.1

Transmission Loss 50.8

Stimulation Loss 6B100.95


שם# ההפסד

ערך סבירסימן הסבר כמה נשאר

1Quantum

Loss

laser>pump0.8

2Electrical Loss

P = IVelec0.2

6Stimulation Loss

B10פוטונים שלא מדרבנים0.95

3ReflectionRR0.9

4Effective band

מהקרינהחלקרקהשאיבהבתחוםהיא

0.1

5Transmission Loss

חלק מהקרינה עוברת0.9

Total i~ 0.01


תרגיל : חישוב מספר פוטונים בפולס

הנחות

2הספק הפולס מרובע עם הזמן

pump =pump

פס השאיבה הוא קוו ספקטרלי

3

d = 1 cm לצינור הלוזר קוטר (הדרך האופטית) וזאת הדרך האופטית של כל הפוטונים של השאיבה

4

מקדם האקספוננציאלי של הבליעה לא משתנה בזמן השאיבה או הלזירה:

(t) = constantהמקובל לקוו לזירה, גודל

הנשאר קבוע עם הזמן בתרגיל שלנו

נתעלם שבזמן השאיבה יש ירידה בפרודות הבולעות

1

pump(t)c L)[N0] - [N1]( = constant

d


השטח המואר ליחידת נפח

Aillu/ V = 2rh/r2h = 2/rV = r2h

2r

h

Aillu = 2rhA = 2r h

2 r

h

r = 0.5 cmבהנחת התרגיל הרדיוס הוא 1cm3 יחידת נפח =

A/V = 2/r =2/0.5 = 4cm2/cm3

Aillu/cc = 4cm2/cm3

כל סמ"ק של המוט סמ"ר4מואר ע"י


תנאי התחלה

d 1 cm

pump0.9 m

I02 W/cm2

0.1 cm-1

Aillu/cc4 cm2/cm3

tflash5 ms


שבר הקרינה העוברת

exp(-d)exp(0.1x 1) = 0.9

שבר הקרינה הנבלעת

1 - exp(-d) = 0.1

הספק נבלע ליחידת שטח

Iabs = I0[1 - exp)-d(]

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

eVאנרגית ב- נבלעת ליח'

שטח

JeV = J x (6.242 x

1018 eV/J ) 6.2 x 1015 eV/cm2


אנרגיה של פוטון שאיבה

Eph = hc/ 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

E3לרמה

ליחידת נפח

]N2 = [nph,V =

1.8 x 1016

Ions/cm3


היסטוריה של פולס

t, ms

זמן טעינת קבלים

תחילת התפרקות

הקבל spikesתופעת ה-

חוסר הדירות עם הזמן

I

w/cm2

תחילת הלזירה: מושג הפוך אוכלוסיה

קרינת הלייזרזמן הלזירה

קרינת ממנורת התפרקותזמן ההתפרקות

נפסק היפוך אוכלוסיה


3,5,6,8,18,19שיעורי בית +20

, רק עבור לייזר אחד18: שאילה שיעור בית חובה המצויינים בשאילה. הסקר בזוגות.8 מתוך ה-

.8 ו- 7 , 6 , 5 , 4, 3לבחירה הלייזרים העדר שמות המחברים, תאריך הסיכום, הנדון או

וסימוכין (במקומות המתאימים) מקנה למגיש ציון אפס,

ללא אפשרות לתיקון עם אפשרות להגדלה,3%

אם העבודתות רציניות

Documents

ד"ר פנחס שכנר (C)לייזר 3 - מבודדים מזוהמים1 לייזרים ושימושיהם 3 – לייזרים של מבודדים מזוהמים 1מושגי יסוד