Најважније из лекције
Стимулисана емисија је основа рада ласера - упадни фотон стимулише прелаз побуђеног електрона на нижи ниво, при чему се емитује идентичан фотон (исте фреквенције, фазе, смера и поларизације).
Инверзна насељеност и пумпање: Спољашњом енергијом (пумпањем) већина атома се доводи у метастабилно стање како би стимулисана емисија надјачала апсорпцију.
Ласерски системи: Код ласера са 3 нивоа прелаз је на основни ниво (рубински ласер), док је код ласера са 4 нивоа прелаз између два побуђена нивоа (Nd-YAG), што омогућава знатно већу ефикасност и лакшу инверзију.
Резонатор: Огледала (100% рефлектујуће и полупропусно) омогућавају вишеструки пролазак фотона дуж цилиндричне активне средине, стварајући усмерен, кохерентан и снажан ласерски сноп.
Инверзна насељеност и пумпање: Спољашњом енергијом (пумпањем) већина атома се доводи у метастабилно стање како би стимулисана емисија надјачала апсорпцију.
Ласерски системи: Код ласера са 3 нивоа прелаз је на основни ниво (рубински ласер), док је код ласера са 4 нивоа прелаз између два побуђена нивоа (Nd-YAG), што омогућава знатно већу ефикасност и лакшу инверзију.
Резонатор: Огледала (100% рефлектујуће и полупропусно) омогућавају вишеструки пролазак фотона дуж цилиндричне активне средине, стварајући усмерен, кохерентан и снажан ласерски сноп.
Када зрачење пролази кроз супстанцу, истовремено се одвијају два супротстављена процеса: апсорпција (смањује интензитет) и стимулисана емисија (повећава интензитет). Када преовлада стимулисана емисија, настаје ласерско зрачење.
Особине ласерског зрачења: сви емитовани фотони имају исту фреквенцију, фазу, поларизацију, правац и смер кретања као и упадни фотон. Зрачење се одликује изузетном монохроматичношћу, кохеренцијом, усмереношћу и великом концентрацијом снаге на малој површини.
Да би се стимулисана емисија непрекидно одвијала, неопходно је створити инверзну насељеност - стање у којем је већи број атома у побуђеном (метастабилном) стању него у основном. Ово се постиже процесом ласерског пумпања помоћу спољашњег извора зрачења.
Који услов мора бити испуњен у активној средини да би дошло до појачања светлости (ласерског ефекта) уместо њеног слабљења?
Неопходно је да процес стимулисане емисије надмаши процес апсорпције, што се постиже стварањем инверзне насељености енергијских нивоа путем ласерског пумпања.
Код ласера са три нивоа користе се три енергијска нивоа за постизање ласерског зрачења:
Електрони се из основног стања (Ниво 1) побуђују на највиши ниво (Ниво 3) дејством спољашњег извора енергије.
Са Нивоа 3 електрони веома брзо прелазе на Ниво 2 без зрачења (уз ослобађање топлоте). Пошто је Ниво 2 метастабилан, електрони се на њему дуго задржавају и ту се ствара инверзна насељеност.
Са метастабилног Нивоа 2 електрони прелазе назад на основни Ниво 1, при чему се стимулисаном емисијом ослобађају ласерски фотони.
Типичан пример ласера са три нивоа је рубински ласер, који представља први конструисани тип ласера.
Код ласера са четири нивоа, ласерски прелаз се не врши директно у основно стање, већ између два побуђена међунивоа:
Побуђивање електрона из основног стања \(E_1\) на највиши ниво \(E_4\).
Брз прелаз без зрачења са нивоа \(E_4\) на метастабилни ниво \(E_3\) (горњи ласерски ниво).
Спора стимулисана емисија ласерског зрачења између метастабилног нивоа \(E_3\) и нижег ласерског нивоа \(E_2\).
Брз прелаз без зрачења са нивоа \(E_2\) на основни ниво \(E_1\), чиме се ниво \(E_2\) одржава готово празним.
Инверзија насељености се постиже знатно лакше и брже јер се нижи ласерски ниво (\(E_2\)) непрекидно и брзо празни. Ови ласери имају знатно већи степен појачања од ласера са три нивоа. Пример је Nd-YAG ласер.
Сваки ласерски систем се састоји од четири основна дела:
- Активна средина: материјал (чврст, течан или гасовит) у коме се врши инверзија насељености и стимулисана емисија. Најчешће има облик цилиндра, јер фотони који се крећу дуж осе имају најдужи пут и највећу вероватноћу да изазову даљу стимулисану емисију.
- Извор зрачења за побуђивање (пумпа): омогућава довођење енергије у активну средину (оптичко, електрично итд.) ради постизања инверзне насељености.
- Оптички резонатор (систем огледала): састоји се од два паралелна огледала на крајевима цилиндра:
- 100% рефлектујуће огледало – враћа све фотоне назад кроз активну средину.
- Полупропусно огледало (нпр. 95% рефлексије) – део фотона враћа назад ради даљег појачања, а део (око 5%) пропушта ван у виду корисног ласерског снопа.
- Систем за хлађење: одводи топлоту насталу услед прелаза без зрачења и омогућава стабилан рад.
Задаци за вежбање
Лак задатак: Која четири основна конструктивна дела чине сваки ласерски уређај?
Основни делови ласера су:
- Активна средина
- Извор зрачења за побуђивање (систем за пумпање)
- Оптички резонатор (систем огледала за појачање)
- Систем за хлађење
Средњи задатак: Зашто активна средина ласера углавном има облик цилиндра и зашто се на њеним крајевима постављају једно потпуно и једно полупропусно огледало?
Цилиндрични облик обезбеђује да фотони који се крећу дуж уздужне осе прелазе најдужи пут кроз активну средину, чиме имају највећу вероватноћу да изазову стимулисану емисију.
Огледала враћају фотоне назад кроз средину чиме се ласерски сноп вишеструко појачава, док полупропусно огледало омогућава да део појачаног снопа напусти резонатор као користан ласерски сноп.
Огледала враћају фотоне назад кроз средину чиме се ласерски сноп вишеструко појачава, док полупропусно огледало омогућава да део појачаног снопа напусти резонатор као користан ласерски сноп.
Тежак задатак: Упоредите ласер са три нивоа и ласер са четири нивоа. Због чега је ласер са четири нивоа ефикаснији у одржавању инверзне насељености?
Код ласера са три нивоа, ласерски прелаз се завршава на основном енергетском нивоу (\(E_1\)). Пошто је основни ниво природно веома насељен, потребно је пребацити више од половине укупног броја атома у метастабилно стање да би се добила инверзна насељеност.
Код ласера са четири нивоа, ласерски прелаз се одвија између два побуђена нивоа (\(E_3 \rightarrow E_2\)). Нижи ласерски ниво (\(E_2\)) се изузетно брзо празни деексцитацијом на основни ниво (\(E_1\)), па је ниво \(E_2\) практично празан. Због тога је за постизање инверзне насељености (\(N_3 > N_2\)) потребна знатно мања енергија пумпања, а степен појачања је знатно већи.
Код ласера са четири нивоа, ласерски прелаз се одвија између два побуђена нивоа (\(E_3 \rightarrow E_2\)). Нижи ласерски ниво (\(E_2\)) се изузетно брзо празни деексцитацијом на основни ниво (\(E_1\)), па је ниво \(E_2\) практично празан. Због тога је за постизање инверзне насељености (\(N_3 > N_2\)) потребна знатно мања енергија пумпања, а степен појачања је знатно већи.
