LASERY

V

A

k ES

Hge

5 1510

i

U[V]

Wzbudzony stan energetyczny atomu

Z III postulatu Bohra h

EE jk

kj

Emisja spontaniczna

Atom absorbuje tylko określone kwanty energii przechodząc ze stanu

podstawowego do wzbudzonego. Zaabsorbowana energia kwantów jest

dokładnie równa różnicy pomiędzy energiami stanów wzbudzonych.

Doświadczenie Francka-Hertza

4.9 eV9.8 ev

Nagroda Nobla 1925

eUm

2

2

1.Elektrony zderzają z atomami Hg

2. Zderzenia są sprężyste (zach. pędu i zach. energii kinetycznej) przed

osiągnięciem napięcia równego U=4.9 V

3. Elektron nie traci energii kinetycznej bo eHg mm

4. Gdy energia kinetyczna elektronu przekroczy 4.9 eV prąd spada, gdyż

część elektronów straciła energie kinetyczną na zderzenia niesprężyste E1=4,9eV

E0=0

E1=4,9eV

E0=0

atom przed zderzeniem

z elektronematom po zderzeniu

z elektronem

atom przed

emisją fotonu

atom po

emisji fotonu

ultrafiolet

Dyskretne widmo atomu – jeśli wzbudzony atom powraca do stanu podstawowego

na różne sposoby:

• bez emisji fotonu (elektron przy zderzeniu z atomem odbiera wzbudzenia –

zderzenia niesprężyste II rodzaju),

•promieniowanie rezonansowe – gdy wzbudzony atom ze stanu n-tego

przechodzi z emisją fotonu do stanu podstawowego, cz. emitowane jest

promieniowanie o długości fali promieniowania padającego.

nm

Wzbudzanie za pomocą fotonów

E2

E1

E2

E1

przed

absorpcją

po

absorpcji

fotonu

h

Rozkład Boltzmana-Maxwella

Zbiór atomów wysyła fotony w przypadkowych kierunkach i w przypadkowych

chwilach, więc akty emisji są od siebie niezależne i podlegają prawom

statycznym. W chwili t na wzbudzonym poziomie energetycznym znajduje się N

atomów. Prawdopodobieństwo przejścia (-dN) atomów ze stanu wzbudzonego

do stanu podstawowego w czasie dt.

AdtN

dN

t

t

AdtN

dN

0

Wykładnicze prawo zaniku atomów wstanie wzbudzenia

AteNN 0

Różne czasy życia dla różnych stanów wzbudzonych ( ) ][1010 78 s

N(t)

t

N0

Średni czas życia poziomu energetycznego 0

1

0

N

tN

i

i

N(t)= N0exp(-t/)

Dla Hg 4.9 eV =9.8 10-8 [s]

Wzbudzenie termiczne

Liczba atomów w n-tym stanie wzbudzonym w danej temperaturze

N

E

N0

E0 E1 E2

N1

N2

T=const

N(E)=N0exp[-(En-E0)/kT]

Emisja wymuszona

Foton wyemitowany spontanicznie przez jeden z atomów wzbudzonych

spotykając drugi atom wzbudzony powoduje przejście tego atomu do stanu

podstawowego z emisją drugiego identycznego fotonu. Emisja wymuszona jest

przejściem rezonansowym. Wiązka promieniowania powstała w wyniku

kolejnych aktów emisji wymuszonej będzie monochromatyczna, zbieżna i

spójna.

Laser – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

Aby w układzie przeważała emisja wymuszona to w wyższym stanie

energetycznym powinno znajdować się więcej atomów niż w stanie niższym,

otrzymujemy wtedy rozkład antyboltzmanowski.

N

EE0 E1 E2

Rozkład

antyboltzmannowski

Taki rozkład można otrzymać za pomocą zderzeń z innymi atomami lub za

pomocą pompowania optycznego cz. Wzbudzania atomów na wyższe poziomy

przez ich oświetlenie.

E1

E0

E2

pompowanie

2 poziom

krótkozyjący

1 poziom

metatrwały

0 poziom

podstawowy

Promieniowanie

laserowe

Bombardując elektronami lub oświetlając fotonami wzbudzamy

atomy do poziomu . Wzbudzone atomy przechodzą do stanu podstawowego

lub na długożyjący (metatrwały) poziom . Poziom zapełnia się (prowadząc

do inwersji obsadzeń ), że jest w nim więcej atomów niż w . Jeżeli do

układu wpadnie foton o częstości rezonansowej to spowoduje on

emisję wymuszoną ze względu na wyższe prawdopodobieństwo emisji niż

absorpcji. Lawinowy rozwój emisji wymuszonej zachodzi jeśli foton pozostanie w

układzie pomiędzy zwierciadłami lasera w odległości .

h

EE 022

2E 0E

1E1E

01 NN

h

EE 01

1

0E

2

>>

Laser He – Ne

21s

23s

He

Ne

21

20

18

17

16

19

pompow.

3s

2s

2p

1s

=633nm

=600nm

poziom podst.

spójne laserowe

promieniowanie

niespójne

promieniowanie

EeV

Atomy He wzbudzane są energią kinetyczną elektronów (wyładowanie w gazie) do

poziomów 21s i 23s metatrwałych. W wyniku zderzeń atomów He z atomami Ne

atomy Ne są wzbudzone do stanu 3s i 2s, atomy He powracają do stanu

podstawowego. Stany 3s i 2s Ne są metatrwałe (N1>N0), występuje inwersja tych

stanów względem stanu p.

>

Laser rubinowy – pręt z kryształu Al2O3 z czynnymi jonami w postaci domieszki Cr.

E2

E1

E0

poziom krótkożyjący

emisja spontaniczna

poziom metatrwały

promieniowanie laserowe

550nm

h

h=E1-E0

w wyniku absorpcji fotonów 550 nm przez atomy Cr wzrasta obsadzenie poziomu E2

emisja spontaniczna zwiększa obsadzenie stanu E1 zachodzi inwersja

obsadzeń

w wyniku pochłonięcia energii rezonansowej fotonu dochodzi do

wymuszonej emisji lawinowej.

01 EEh

01 NN

>>

>

^

^

^

zwierciadło

Zwierciadło

półprzepuszczalne

+ -

Fotony uciekające z boku

Pręt Al2O3

Lampa błyskowa

generująca pompowanie

optyczne

Statystyki fotonów

Porównując rozkład B-E z rozkładem Poissona widać, że światło termiczne ma znacznie szerszy rozkład niż światło spójne

Przypadkowe (niespójne) źródła, gwiazdy, żarówki, emitują fotony o przypadkowych czasach rejestracji i rozkładzie Bosego-Einsteina.

Lasery (spójne) źródła, posiadają bardziej jednorodny rozkład statystyczny: Poissona.