Fysica van de laser. E.R.Eliel G.W. t Hooft. Literatuur

Transcriptie

1 Fysica van de laser E.R.Eliel G.W. t Hooft inleiding geschiedenis gestimuleerde emissie inversie conditie elementen van de laser coherentie en intensiteit laser types 1 Algemeen Literatuur Informatie over het college: Lasers Boek (hetzelfde als bij optica college): Hoofstuk 1 uit Introduction to optics, Frank L. Pedrotti & Leno S. Pedrotti Populaire literatuur: De laser Lichtversterking door gestimuleerde emissie van straling, G.C. Herman, Natuur en Techniek 48(6), p The birth of the laser, Joan Lisa Bromberg, Physics Today 41(10), 1988, p.6-. Hoogvermogen gaslasers, J.W. Gerritsen, R.J.M. Bonnie en M. Hartemink, Natuur en Techniek 57(6), 1989, Lasers (kijk op wetenschap), Jeff Hecht, Natuur en Techniek 59(10), 1991, SISO 59.1 Vcsels - De kleinste lasers, Rob Hendriks en Martin van Exter, Natuur en Techniek 66(7), 1998, p Fractale lasers, Gerwin Karman, Natuur en Techniek 67(8), 1999, p.16

2 4

3 5 Laser principe Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT Laser System Branch's Laser & LIDAR tutorial Rami Arieli: "The Laser Adventure All About Lasers Exploratorium Learning Studio: Lasers Laser and Fusion Education NIF Technologies RLI LaserNet: Laser Tutorials Laser tutorial 1 Geschiedenis Arthur L. Schawlow Laser History Laser History - Ruby Laser Stars - Laser History Veiligheid Lasers en Internet Laser Safety Training 6

4 Geschiedenis 1917: Bose - Einstein statistiek, fotonen "A splendid light has dawned on me... - Albert Einstein 1954: Microgolf laser Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation Means of Acquiring Support for Expensive Research Charles H. Townes Arthur L. Shawlow 1960: optische laser (robijn) T.H. Maiman 7 Bose Einstein statistiek 6! = 6 5!0!0!0!0!0!0!0!1! 6! = = 60!!0!0!0!0!0!1!0! 6! = = 180!!1!0!0!1!0!0!0! Op hoeveel manieren kan je 6 deeltjes over 9 toestanden verdelen met een gegeven totale energie? Er zijn 6 verschillende configuraties, en 00 verschillende manieren als de deeltjes onderscheidbaar zouden zijn 8

5 De eerste laser 9 De grootste laser Nova: W gedurende ns 10 5 J 10

6 De kleinste laser 10µm 1µm 11 Interactie van licht met materie Invallende straling hν atoom atoom E 0 uitgezonden straling Gestimuleerde absorptie Spontane emissie E 0 hν Invallende straling hν atoom uitgezonden straling hν Gestimuleerde emissie E 0 1

7 Zwarte straler Thermisch evenwicht van straling met atomen - =hν 1 Einstein A en B coëfficiënten Spontane emissie Gestimuleerde emissie absorptie N A1N B1N ρ( ν ) B1N1 ρ( ν ) N 1 Spontane emissie: dn dt sp = A N 1 1 N () t = N e A t 0 dn Gestimuleerde emissie: dt se = B1N ρ( ν ) dn Absorptie: dt abs = B1N1 ρ( ν ) 14

8 Wat zijn de relaties tussen A 1, B 1 en B 1? In navolging van Einstein nemen we het volgende aan: Voor een willekeurige temperatuur T is er thermodynamisch evenwicht tussen de atomen en het stralingsveld. De bezettingsdichtheden N 1 en N zijn constant in de tijd. Het stralingsveld ρ(ν) heeft de spectrale distributie karakteristiek voor een zwarte straler. De bezettingsdichtheden N 1 en N van de energieniveaux en worden beschreven door een Boltzmann verdeling dn dt = 0 = N A 1 NB 1ρ( ν ) + NB 1 1ρ( ν ) ρν ( ) = 8πhν 1 c h kt e ν 1 N N 1 ( 1) = = e e E E kt hν kt 15 Uit de vergelijking voor stationaire toestand volgt: Einstein relaties A A ρν ( ) = = h kt B N N B B e B 1 1 ν 1 ( 1 ) Boltzmann verdeling Vergelijk dit met de formule voor de zwarte straler: A1 8πν h 1 = hν kt hν kt 1 1 B e B c e 1 Neem de termen met e hν/kt bij elkaar: A1 8πhν B 1 hν kt A1 8πhν e 0 = B1 c B1 B1 c Deze relatie moet gelden voor elke temperatuur T, dit kan alleen als: A B 1 1 8πhν c = B 1 = B1 16

9 Populatie inversie De Einstein coëfficiënten A 1, B 1 en B 1 hebben een vaste onderlinge relatie. Als er één bekend is door berekening of experiment dan zijn ze alledrie bekend De coëfficiënt voor gestimuleerde emissie en die voor absorptie zijn aan elkaar gelijk. De snelheden voor gestimuleerde emissie en absorptie zijn meestal niet gelijk, immers: Gestimuleerde emissie: dn dt se Absorptie: dn dt abs = B1N ρ( ν ) =+ B1N1 ρ( ν ) N N < N 1 > N 1 meer absorptie dan emissie afname van stralingsveld ρ(n) populatie inversie meer emissie dan absorptie toename van ρ(ν) Alleen laser werking als er populatie inversie is! 17 Boltzmann statistiek Statistiek Thermisch evenwicht Populatie inversie N N 1 >N N N 1 <N N 1 N 1 N ( E1 E ) / kt N 1 = e dichtheid 18

10 Licht versterking De relaties tussen de Einstein coëfficiënten zijn afgeleid voor thermisch evenwicht. Zij zijn ook geldig buiten thermisch evenwicht zoals in een laser! A B 1 1 λ Hoe korter de golflengte, des te moeilijker is het om gestimuleerd emissie en dus laserwerking te krijgen. Een röntgen laser is een probleem. De twee belangrijkste ideeën voor de laser: gestimuleerde emissie, zodat licht versterking mogelijk is populatie inversie, zodat de licht versterking groter is dan de absorptie 19 De onderdelen van een laser Plasma buis 100% reflector + Spanningsbron gelijkstroom Uitgangspiegel De drie belangrijkste onderdelen van een laser: pomp om medium te exciteren medium met optische versterking optische trilholte 0

11 De Pomp Gas-lasers: Vaste stof: Halfgeleider: plasma excitatie (stroom door een lage druk buis) bij He-Ne laser slaat de elektrische stroom het He aan en het He draagt de energie over aan het Ne. (niet-elastische botsingen, resonante energie niveaus). optisch pompen, bijv. flitslampen of een andere laser stroom door pn-overgang p I eo n p I eo n ev µ I ho I ho 1 Het laserende medium Gas He - Ne Ar Kr CO Vaste stof Robijn (Cr + ) Nd: YAG Halfgeleider AlGaAs InGaAsP Vloeistof Rhodamine 6G 6.8 nm nm nm mm 694 nm 1064 nm nm nm nm Het medium bepaalt de golflengte van het licht

12 4 niveau systeem Hoog aangeslagen energie niveaus E - snel stralingloos verval N boven niveau van de laser 1 - pomp Pompenergie N 1 - licht versterking onder niveau van de laser 4 - snel verval naar de grondtoestand E 0 grondtoestand He - Ne Energie (ev) S S 1 - Pomp - Energie overdracht door botsingen µm lijn 0. µs 5 s s 1s He Ne laser lijn: 6.8 nm verval tijd: 0.7 ms spontaan verval naar de grondtoestand p p 4

13 Fabry-Perot vs Laser trilholte In mλ 0 R 1 =95% = L R =95% Uit λ 0 λ0 R 1 =100% R <100% L M 1 M Fabry-Perot trilholte λ 1 In λ 1 Versterker Uit l1 hc E E1 = λ 1 M 1 M L Laser oscillator mλ1 = L hc E E1 = λ 5 1 Samenvatting Populatie inversie tussen twee niveaus in het versterkende medium. Fotonen t.g.v. spontane emissie die het gestimuleerde emissie proces starten. Een optische trilholte waarin het licht opgesloten wordt. Een spiegel waaruit een klein beetje licht weglekt. Atomen in aangeslagen toestand Laser licht 100% spiegel versterkend medium gedeeltelijk reflekterende spiegel 6

14 Eigenschappen van laser licht Monochromatisch (smal spectrum) Coherent in de tijd (fase blijft behouden) Coherent in de ruimte (interferentie, spikkel patroon) Kleine divergentie (goed focuseerbaar) 7 Lijnbreedte ν 0 = E E h 1 Licht intensiteit fluorescentie Licht bron Golflengte λ (nm) ν (Hz) (nm) Gloeilamp x10 14 Na-lamp x10 10 He-Ne laser x10 λ laser λ Golflengte Spontane emissie c c λν = c ν = δν = δλ λ λ 8

15 Divergentie Spiegel Spiegel φ Focus; DØ Golffronten Laser trilholte 4λ φ = π D y z Intensiteitsprofiel: ( y D z ) 8 ( ) e He-Ne laser: l = 6.8 nm D = 0.5 mm φ = rad Ω 9 10 rad Zon, maan : 9 Focuseerbaarheid Ideale bundel: λ = 0 Fictief beeld punt f h s ' = h λ s 1 0 h 0 h 1 S S laser φ d Focus laser bundel d fφ 0

16 Laser types Type golflengte Vermogen, Bundel Divergentie rendement energie diameter CO (gas) 10.6 µm -100 W cw -4 mm 1- mrad 5-15% He-Ne 6.8 nm mw cw 0.5- mm <0.1% (gas) mrad Robijn 694. nm J gepulst mm mrad <0.5% N (gas) 7 nm mj gepulst x-6x0 1-x7 mrad <0.1% mm Nd:YAG µm W cw mm -18 mrad 0.1-% Nd-glas 1.06 µm J gepulst -5 mm -10mrad 1-5% Ar (gas) 488, 514 nm 5mW-0W cw 0.7- mm <0.1% mrad Kleurstof nm 0-800mW cw mm 1- mrad 10-0% ArF 19 nm 10 mj gepulst 6x mm -6 mrad <0.5% HF.6- µm -600 mj gepulst -40 mm 1-15 mrad 0.1-1% GaAs nm 1-40 mw cw 00x600 mrad 1-0% 1