Laser

Laser

Obsadzenie stanów energetycznych atomów.

Laser

W stanie naturalnym większość atomów znajduje się w stanie podstawowym. Będą również atomy wzbudzone. Ich liczba zależeć będzie od temperatury gazu i energii wzbudzenia dla danego poziomu. Opisuje to równanie:

kToEnE

on eNN

Obsadzenie stanów energetycznych atomów.

Laser

W stanie naturalnym większość atomów znajduje się w stanie podstawowym. Będą również atomy wzbudzone. Ich liczba zależeć będzie od temperatury gazu i energii wzbudzenia dla danego poziomu. Opisuje to równanie:

kToEnE

on eNN

gdzie: No i N - liczby atomów w stanie podstawowym i wzbudzonym,

Eo i En - energie atomu w stanie podstawowym i wzbudzonym,

T - temperatura w skali Kelvina,

K

J1038,1k 23 - to stała Boltzmanna.

Obsadzenie stanów energetycznych atomów.

Laser

W stanie naturalnym większość atomów znajduje się w stanie podstawowym. Będą również atomy wzbudzone. Ich liczba zależeć będzie od temperatury gazu i energii wzbudzenia dla danego poziomu. Opisuje to równanie:

kToEnE

on eNN

gdzie: No i N - liczby atomów w stanie podstawowym i wzbudzonym,

Eo i En - energie atomu w stanie podstawowym i wzbudzonym,

T - temperatura w skali Kelvina,

K

J1038,1k 23 - to stała Boltzmanna.

Równanie to przedstawia rysunek obok. energia0

N

N1

No

N2

Eo E1 E2

Obsadzenie stanów energetycznych atomów.

Laser

W stanie naturalnym większość atomów znajduje się w stanie podstawowym. Będą również atomy wzbudzone. Ich liczba zależeć będzie od temperatury gazu i energii wzbudzenia dla danego poziomu. Opisuje to równanie:

kToEnE

on eNN

gdzie: No i N - liczby atomów w stanie podstawowym i wzbudzonym,

Eo i En - energie atomu w stanie podstawowym i wzbudzonym,

T - temperatura w skali Kelvina,

K

J1038,1k 23 - to stała Boltzmanna.

Równanie to przedstawia rysunek obok. energia0

N

N1

No

N2

Eo E1 E2

Taki rozkład obsadzeń stanów energetycznych nosi nazwę rozkładu naturalnego lub boltzmannowskiego.

Obsadzenie stanów energetycznych atomów.

Laser

W stanie naturalnym większość atomów znajduje się w stanie podstawowym. Będą również atomy wzbudzone. Ich liczba zależeć będzie od temperatury gazu i energii wzbudzenia dla danego poziomu. Opisuje to równanie:

kToEnE

on eNN

gdzie: No i N - liczby atomów w stanie podstawowym i wzbudzonym,

Eo i En - energie atomu w stanie podstawowym i wzbudzonym,

T - temperatura w skali Kelvina,

K

J1038,1k 23 - to stała Boltzmanna.

Równanie to przedstawia rysunek obok. energia0

N

N1

No

N2

Eo E1 E2

Taki rozkład obsadzeń stanów energetycznych nosi nazwę rozkładu naturalnego lub boltzmannowskiego.

W temperaturach pokojowych praktycznie wszystkie atomy znajdują się w stanie podstawowym.

Obsadzenie stanów energetycznych atomów.

LaserSpontaniczna emisja promieniowania przez atomy.

Laser

Wzbudzony atom prędzej, czy później przejdzie do stanu podstawowego. Może się to odbyć:

Spontaniczna emisja promieniowania przez atomy.

Laser

Wzbudzony atom prędzej, czy później przejdzie do stanu podstawowego. Może się to odbyć:

- bezpromieniście, wtedy energia jest przekazywana sąsiedniemu atomowi poprzez zderzenie, w wyniku czego zwiększa on swoją energię kinetyczną,

Spontaniczna emisja promieniowania przez atomy.

Laser

Wzbudzony atom prędzej, czy później przejdzie do stanu podstawowego. Może się to odbyć:

- bezpromieniście, wtedy energia jest przekazywana sąsiedniemu atomowi poprzez zderzenie, w wyniku czego zwiększa on swoją energię kinetyczną,

- promieniście, wtedy następuje emisja fotonu, która nie podlega żadnym czynnikom zewnętrznym.

Spontaniczna emisja promieniowania przez atomy.

Laser

Niech w chwili t w stanie wzbudzonym znajduje się N atomów. Prawdopodobieństwo przejścia (ubytku) tych

N

dNatomów do stanu podstawowego w bardzo krótkim czasie dt jest proporcjonalne do tego czasu:

Spontaniczna emisja promieniowania przez atomy.

Laser

Niech w chwili t w stanie wzbudzonym znajduje się N atomów. Prawdopodobieństwo przejścia (ubytku) tych

N

dNatomów do stanu podstawowego w bardzo krótkim czasie dt jest proporcjonalne do tego czasu:

AdtN

dN

gdzie: A - to prawdopodobieństwo przejścia atomu ze stanu wzbudzonego do podstawowego w jednostce czasu. Jest to stała charakterystyczna dla danej pary poziomów energetycznych.

Spontaniczna emisja promieniowania przez atomy.

Laser

Niech w chwili t w stanie wzbudzonym znajduje się N atomów. Prawdopodobieństwo przejścia (ubytku) tych

N

dNatomów do stanu podstawowego w bardzo krótkim czasie dt jest proporcjonalne do tego czasu:

AdtN

dN

gdzie: A - to prawdopodobieństwo przejścia atomu ze stanu wzbudzonego do podstawowego w jednostce czasu. Jest to stała charakterystyczna dla danej pary poziomów energetycznych.

Po scałkowaniu tego równania znajdujemy:

Spontaniczna emisja promieniowania przez atomy.

Laser

Niech w chwili t w stanie wzbudzonym znajduje się N atomów. Prawdopodobieństwo przejścia (ubytku) tych

N

dNatomów do stanu podstawowego w bardzo krótkim czasie dt jest proporcjonalne do tego czasu:

AdtN

dN

gdzie: A - to prawdopodobieństwo przejścia atomu ze stanu wzbudzonego do podstawowego w jednostce czasu. Jest to stała charakterystyczna dla danej pary poziomów energetycznych.

Po scałkowaniu tego równania AtNlnNln o AtN

Nln

o

znajdujemy: , czyli:

Spontaniczna emisja promieniowania przez atomy.

Laser

Niech w chwili t w stanie wzbudzonym znajduje się N atomów. Prawdopodobieństwo przejścia (ubytku) tych

N

dNatomów do stanu podstawowego w bardzo krótkim czasie dt jest proporcjonalne do tego czasu:

AdtN

dN

gdzie: A - to prawdopodobieństwo przejścia atomu ze stanu wzbudzonego do podstawowego w jednostce czasu. Jest to stała charakterystyczna dla danej pary poziomów energetycznych.

Po scałkowaniu tego równania AtNlnNln o AtN

Nln

o

At

oeNN

znajdujemy: , czyli:

Ostatecznie:

Spontaniczna emisja promieniowania przez atomy.

Laser

Niech w chwili t w stanie wzbudzonym znajduje się N atomów. Prawdopodobieństwo przejścia (ubytku) tych

N

dNatomów do stanu podstawowego w bardzo krótkim czasie dt jest proporcjonalne do tego czasu:

AdtN

dN

gdzie: A - to prawdopodobieństwo przejścia atomu ze stanu wzbudzonego do podstawowego w jednostce czasu. Jest to stała charakterystyczna dla danej pary poziomów energetycznych.

Po scałkowaniu tego równania AtNlnNln o AtN

Nln

o

At

oeNN

znajdujemy: , czyli:

Ostatecznie:

t0

N

No

Spontaniczna emisja promieniowania przez atomy.

Laser

Niech w chwili t w stanie wzbudzonym znajduje się N atomów. Prawdopodobieństwo przejścia (ubytku) tych

N

dNatomów do stanu podstawowego w bardzo krótkim czasie dt jest proporcjonalne do tego czasu:

AdtN

dN

gdzie: A - to prawdopodobieństwo przejścia atomu ze stanu wzbudzonego do podstawowego w jednostce czasu. Jest to stała charakterystyczna dla danej pary poziomów energetycznych.

Po scałkowaniu tego równania AtNlnNln o AtN

Nln

o

At

oeNN

znajdujemy: , czyli:

Ostatecznie:

t0

N

No

Istnieje związek między średnim czasem życia atomu n w stanie wzbudzonym i prawdopodobieństwem przejścia atomu do stanu podstawowego

A

1podstawowego w jednostce czasu A: . Zatem:

Spontaniczna emisja promieniowania przez atomy.

LaserSpontaniczna emisja promieniowania przez atomy.

Niech w chwili t w stanie wzbudzonym znajduje się N atomów. Prawdopodobieństwo przejścia (ubytku) tych

N

dNatomów do stanu podstawowego w bardzo krótkim czasie dt jest proporcjonalne do tego czasu:

AdtN

dN

gdzie: A - to prawdopodobieństwo przejścia atomu ze stanu wzbudzonego do podstawowego w jednostce czasu. Jest to stała charakterystyczna dla danej pary poziomów energetycznych.

Po scałkowaniu tego równania AtNlnNln o AtN

Nln

o

At

oeNN

znajdujemy: , czyli:

Ostatecznie:

t0

N

No

Istnieje związek między średnim czasem życia atomu n w stanie wzbudzonym i prawdopodobieństwem przejścia atomu do stanu podstawowego

A

1podstawowego w jednostce czasu A: . Zatem:

t

oeNN

LaserWymuszona emisja promieniowania przez atomy.

LaserWymuszona emisja promieniowania przez atomy.

Wymuszona emisja promieniowania ma miejsce wtedy, gdy wysłany w wyniku emisji spontanicznej foton napotyka na swojej drodze atom wzbudzony do energii jaką posiada foton. Wówczas atom zmuszony jest do powrotu do stanu podstawowego z emisją fotonu.

LaserWymuszona emisja promieniowania przez atomy.

Wymuszona emisja promieniowania ma miejsce wtedy, gdy wysłany w wyniku emisji spontanicznej foton napotyka na swojej drodze atom wzbudzony do energii jaką posiada foton. Wówczas atom zmuszony jest do powrotu do stanu podstawowego z emisją fotonu.

Oba fotony poruszają się w tym samym kierunku, mają tę samą częstotliwość, fazę, energię. O świetle, które posiada tylko takie fotony, mówimy, że jest spójne.

LaserWymuszona emisja promieniowania przez atomy.

Wymuszona emisja promieniowania ma miejsce wtedy, gdy wysłany w wyniku emisji spontanicznej foton napotyka na swojej drodze atom wzbudzony do energii jaką posiada foton. Wówczas atom zmuszony jest do powrotu do stanu podstawowego z emisją fotonu.

Oba fotony poruszają się w tym samym kierunku, mają tę samą częstotliwość, fazę, energię. O świetle, które posiada tylko takie fotony, mówimy, że jest spójne.

Światło z emisji spontanicznej, w którym fotony biegną w różnych kierunkach, mają różne częstotliwości, energie i fazy, mówimy, że jest niespójne.

LaserWymuszona emisja promieniowania przez atomy.

Wymuszona emisja promieniowania ma miejsce wtedy, gdy wysłany w wyniku emisji spontanicznej foton napotyka na swojej drodze atom wzbudzony do energii jaką posiada foton. Wówczas atom zmuszony jest do powrotu do stanu podstawowego z emisją fotonu.

Oba fotony poruszają się w tym samym kierunku, mają tę samą częstotliwość, fazę, energię. O świetle, które posiada tylko takie fotony, mówimy, że jest spójne.

Światło z emisji spontanicznej, w którym fotony biegną w różnych kierunkach, mają różne częstotliwości, energie i fazy, mówimy, że jest niespójne.

Emisja wymuszona jest zjawiskiem rezonansowym chociażby dlatego, że częstotliwość fotonu wymuszającego musi być taka sama jak wymuszanego (przypomnij sobie rezonans wahadeł).

LaserWymuszona emisja promieniowania przez atomy.

Wymuszona emisja promieniowania ma miejsce wtedy, gdy wysłany w wyniku emisji spontanicznej foton napotyka na swojej drodze atom wzbudzony do energii jaką posiada foton. Wówczas atom zmuszony jest do powrotu do stanu podstawowego z emisją fotonu.

Oba fotony poruszają się w tym samym kierunku, mają tę samą częstotliwość, fazę, energię. O świetle, które posiada tylko takie fotony, mówimy, że jest spójne.

Światło z emisji spontanicznej, w którym fotony biegną w różnych kierunkach, mają różne częstotliwości, energie i fazy, mówimy, że jest niespójne.

Emisja wymuszona jest zjawiskiem rezonansowym chociażby dlatego, że częstotliwość fotonu wymuszającego musi być taka sama jak wymuszanego (przypomnij sobie rezonans wahadeł).

E1

Eo

h h

h

przed emisją wymuszoną

po emisji wymuszonej

LaserWymuszona emisja promieniowania przez atomy.

LaserWymuszona emisja promieniowania przez atomy.

Aby otrzymać wiązkę światła spójnego trzeba najpierw doprowadzić gaz do stanu, w którym duża ilość atomów będzie wzbudzona do takich samych stanów energetycznych. Należy spowodować inwersję obsadzeń poziomów energetycznych przez elektrony, czyli spowodować, aby obsadzenie poziomów było antyboltzmannowskie (więcej atomów w stanach wzbudzonych niż podstawowych).

LaserWymuszona emisja promieniowania przez atomy.

Aby otrzymać wiązkę światła spójnego trzeba najpierw doprowadzić gaz do stanu, w którym duża ilość atomów będzie wzbudzona do takich samych stanów energetycznych. Należy spowodować inwersję obsadzeń poziomów energetycznych przez elektrony, czyli spowodować, aby obsadzenie poziomów było antyboltzmannowskie (więcej atomów w stanach wzbudzonych niż podstawowych).

Zauważono, że emisja spontaniczna odbywa się z różnymi prawdopodobieństwami, charakterystycznymi dla danych dwóch poziomów. U części pierwiastków znaleziono

poziomy metatrwałe, dla których prawdopodobieństwo emisji spontanicznej jest bardzo małe.

LaserWymuszona emisja promieniowania przez atomy.

Aby otrzymać wiązkę światła spójnego trzeba najpierw doprowadzić gaz do stanu, w którym duża ilość atomów będzie wzbudzona do takich samych stanów energetycznych. Należy spowodować inwersję obsadzeń poziomów energetycznych przez elektrony, czyli spowodować, aby obsadzenie poziomów było antyboltzmannowskie (więcej atomów w stanach wzbudzonych niż podstawowych).

Zauważono, że emisja spontaniczna odbywa się z różnymi prawdopodobieństwami, charakterystycznymi dla danych dwóch poziomów. U części pierwiastków znaleziono

poziomy metatrwałe, dla których prawdopodobieństwo emisji spontanicznej jest bardzo małe.

Z tego wynika, że

czas życia atomów w stanie wzbudzonym, gdy elektron przebywa na poziomie metatrwałym, jest odpowiednio długi.

LaserWymuszona emisja promieniowania przez atomy.

Aby otrzymać wiązkę światła spójnego trzeba najpierw doprowadzić gaz do stanu, w którym duża ilość atomów będzie wzbudzona do takich samych stanów energetycznych. Należy spowodować inwersję obsadzeń poziomów energetycznych przez elektrony, czyli spowodować, aby obsadzenie poziomów było antyboltzmannowskie (więcej atomów w stanach wzbudzonych niż podstawowych).

Zauważono, że emisja spontaniczna odbywa się z różnymi prawdopodobieństwami, charakterystycznymi dla danych dwóch poziomów. U części pierwiastków znaleziono

poziomy metatrwałe, dla których prawdopodobieństwo emisji spontanicznej jest bardzo małe.

Z tego wynika, że

czas życia atomów w stanie wzbudzonym, gdy elektron przebywa na poziomie metatrwałym, jest odpowiednio długi.

Jeśli wśród poziomów energetycznych atomu są takie trzy jak na rys. i jeśli poziom 2 jest metatrwały, to po pewnym czasie pod wpływem energii zewnętrznej znajdzie się na nim bardzo dużo elektronów (pompowanie optyczne).

1

2

3

h

pompowanie optyczne

LaserWymuszona emisja promieniowania przez atomy.

Aby otrzymać wiązkę światła spójnego trzeba najpierw doprowadzić gaz do stanu, w którym duża ilość atomów będzie wzbudzona do takich samych stanów energetycznych. Należy spowodować inwersję obsadzeń poziomów energetycznych przez elektrony, czyli spowodować, aby obsadzenie poziomów było antyboltzmannowskie (więcej atomów w stanach wzbudzonych niż podstawowych).

Zauważono, że emisja spontaniczna odbywa się z różnymi prawdopodobieństwami, charakterystycznymi dla danych dwóch poziomów. U części pierwiastków znaleziono

poziomy metatrwałe, dla których prawdopodobieństwo emisji spontanicznej jest bardzo małe.

Z tego wynika, że

czas życia atomów w stanie wzbudzonym, gdy elektron przebywa na poziomie metatrwałym, jest odpowiednio długi.

Jeśli wśród poziomów energetycznych atomu są takie trzy jak na rys. i jeśli poziom 2 jest metatrwały, to po pewnym czasie pod wpływem energii zewnętrznej znajdzie się na nim bardzo dużo elektronów (pompowanie optyczne).

Przypadkowy foton o energii h12 spowoduje emisję wymuszoną elektronów z poziomu 2 na 1 – otrzymamy wiązkę światła spójnego. akcja laserowa

1

2

3

h

pompowanie optyczne

h

h

LaserWymuszona emisja promieniowania przez atomy.

Aby otrzymać wiązkę światła spójnego trzeba najpierw doprowadzić gaz do stanu, w którym duża ilość atomów będzie wzbudzona do takich samych stanów energetycznych. Należy spowodować inwersję obsadzeń poziomów energetycznych przez elektrony, czyli spowodować, aby obsadzenie poziomów było antyboltzmannowskie (więcej atomów w stanach wzbudzonych niż podstawowych).

Zauważono, że emisja spontaniczna odbywa się z różnymi prawdopodobieństwami, charakterystycznymi dla danych dwóch poziomów. U części pierwiastków znaleziono

poziomy metatrwałe, dla których prawdopodobieństwo emisji spontanicznej jest bardzo małe.

Z tego wynika, że

czas życia atomów w stanie wzbudzonym, gdy elektron przebywa na poziomie metatrwałym, jest odpowiednio długi.

Aby zwiększyć prawdopodobieństwo zajścia emisji wymuszonej laserom gazowym nadaje się kształt rury z dwoma lustrami na jej końcach. Lustra zawracają foton wydłużając jego drogę w gazie, a tym samym prawdopodobieństwo spowodowania emisji wymuszonej Jedno z luster jest półprzepuszczalne.

akcja laserowa

1

2

3

h

pompowanie optyczne

h

h

Jeśli wśród poziomów energetycznych atomu są takie trzy jak na rys. i jeśli poziom 2 jest metatrwały, to po pewnym czasie pod wpływem energii zewnętrznej znajdzie się na nim bardzo dużo elektronów (pompowanie optyczne).

Przypadkowy foton o energii h12 spowoduje emisję wymuszoną elektronów z poziomu 2 na 1 – otrzymamy wiązkę światła spójnego.