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



Vergelijkbare documenten
In de figuur hieronder zie je een Elektromagnetische golf: een golf die bestaat uit elektrische en magnetische trillingen.(zie figuur).

Lasers. Laserlicht. l.a.s.e.r. Een laser is een lichtbron waar heel speciaal licht uit komt.

Exact Periode 5 Niveau 3. Dictaat Licht

Exact Periode 5. Dictaat Licht

2.1 Wat is licht? 2.2 Fotonen


Hoofdstuk 3: Licht. Natuurkunde VWO 2011/

Begeleide zelfstudie Golven en Optica voor N (3B440)

Interstellair Medium. Wat en Waar? - Gas (neutraal en geioniseerd) - Stof - Magneetvelden - Kosmische stralingsdeeltjes

Inleiding stralingsfysica

Frequentie = aantal golven per seconde op gegeven plek = v/λ = ν. Golflengte x frequentie = golfsnelheid

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN. Tentamen Stralingsfysica (3D100) d.d. 21 januari 2005 van 14:00 17:00 uur

Lasers van technische fiche tot toepassing. ir. Gert Van Gyseghem

Laser: optische straling. Kris Schoonjans 15 november 2018

Copyright. B.L.W. Visser bv. Infrarood temperatuurmeten: Special: 2 Kleuren of Ratio Pyrometer. Straling, convectie en geleiding:

114 Samenvatting zal het atoom hierdoor afremmen. Een atoom zal alleen een interactie kunnen ondergaan met een foton, wanneer deze exact de juiste ene

Exact Periode 5.2. Licht

Unificatie. Zwakke Kracht. electro-zwakke kracht. Electriciteit. Maxwell theorie. Magnetisme. Optica. Sterke Kracht. Speciale Relativiteitstheorie

Hertentamen Optica. 20 maart Zet je naam, studentennummer en studierichting bovenaan elk vel dat je gebruikt. Lees de 6 opgaven eerst eens door.

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN. Tentamen Stralingsfysica (3D100) d.d. 16 november 2004 van 14:00 17:00 uur

Uitdijing van het heelal

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN. Tentamen Stralingsfysica (3D100) d.d. 16 januari 2006 van 14:00 17:00 uur

Infrarood temperatuurmeten:

laser zijn intrede gedaan bij materiaalbewerkingen oppervlakte behandelingen. Bil het markeren van Produkten, bepalenvan toleranties,

- KLAS 5. c) Bereken de snelheid waarmee een elektron vrijkomt als het groene licht op de Rbkathode

Thermodynamica rol in de moderne fysica Jo van den Brand HOVO: 4 december 2014

1 Welk van onderstaande schakelingen is geschikt om de remspanning te meten?

Opgave Zonnestelsel 2005/2006: 7. 7 Het viriaal theorema en de Jeans Massa: Stervorming. 7.1 Het viriaal theorema

Fysica 2 Practicum. Er bestaan drie types van spectra voor lichtbronnen: lijnen-, banden- en continue spectra.

7. Hoofdstuk 7 : De Elektronenstructuur van Atomen

(Permitiviteit van vacuüm)

Na(3s) Na(3p) He(1s 2 )+hν(58 nm) + Na +

Fysica 2 Practicum. Laser

Periodic and Aperiodic Plasmon Lattice Lasers A.H. Schokker

v gem v rms f(v) v (m/s) v α v β f(v) v (m/s)

MINISTERIE VAN ONDERWIJS, WETENSCHAP EN CULTUUR UNIFORM EXAMEN VWO 2015

EXACT PERIODE 9.2 ENERGIESCHEMA POLARIMETER LASERS LICHTFILTERS HET BETROUWBAARHEIDSINDERVAL VAN DE MONSTERCONCENTRATIE BIJ SPECTRO

Detectie TMS MR & VRS-d Stijn Laarakkers

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN. Tentamen Stralingsfysica (3D100) d.d. 9 januari 2008 van 9:00 12:00 uur

Nederlandse Samenvatting

NATUURKUNDE. a) Bereken voor alle drie kleuren licht de energie van een foton in ev.

Eindronde Natuurkunde Olympiade 2015 theorietoets deel 1

Inleiding Optica (146012).

1 Een lichtbron zendt licht uit met een golflengte van 589 nm in vacuüm.

Eindtoets 3BTX1: Thermische Fysica. Datum: 3 juli 2014 Tijd: uur Locatie: paviljoen study hub 2 vak c & d

Stevin vwo deel 2 Uitwerkingen hoofdstuk 10 Atomen ( ) Pagina 1 van 10

Zonnestraling. Samenvatting. Elektromagnetisme

Prof.dr. A. Achterberg, IMAPP

QUANTUMFYSICA FOTOSYNTHESE. Naam: Klas: Datum:

TEMPERATUURSTRALING Leg uit waarom je alleen metingen kunt doen aan temperatuurstraling als je meetinstrument kouder is dan het te meten voorwerp.

Quantumvloeistoffen voor electronen en koude atomen

Achter het correctievoorschrift is een aanvulling op het correctievoorschrift opgenomen.

TENTAMEN. x 2 x 3. x x2. cos( x y) cos ( x) cos( y) + sin( x) sin( y) d dx arcsin( x)

ANTWOORDEN EN UITWERKINGEN TENTAMEN QUANTUMMECHANICA 2 VAN 8 JUNI e +" 1 = 1. e (" )=(k BT )

Hoofdstuk 9: Radioactiviteit

σ = 1 λ 3,00 μm is: 3,00 x 10-4 cm σ = 1 cm / 3,00 x 10-4 cm= 3, cm -1

TENTAMEN. Van Quantum tot Materie

Bart Buelens, 22 november Emergente Gravitatie volgens Erik Verlinde

Tentamen Optica. 20 februari Zet je naam, studentennummer en studierichting bovenaan elk vel dat je gebruikt. Lees de 6 opgaven eerst eens door.

In deze eindtoets willen we met jullie samenvatten waar we het in het afgelopen kwartiel over gehad hebben:

Verticaal gekoppelde microringresonatoren gefabriceerd met waferbonding

natuurkunde vwo 2017-II

6 Het atoommodel van Bohr. banner. CC Naamsvermelding-GelijkDelen 3.0 Nederland licentie.

The Color of X-rays. Spectral Computed Tomography Using Energy Sensitive Pixel Detectors E.J. Schioppa

Uitwerkingen Hertentamen Optica

Cover Page. The handle holds various files of this Leiden University dissertation

Fysische constanten. Elementaire lading (e) = C De lading van 1 elektron.

Röntgen in de ruimte en een bron op aarde. Willem-Jan Vreeling

XXX INTERNATIONALE NATUURKUNDE OLYMPIADE PADUA, ITALIË THEORIE-TOETS

Optische communicatie

1 f T De eenheid van trillingstijd is (s). De eenheid van frequentie is (Hz).

(Permitiviteit van vacuüm)

10 Materie en warmte. Onderwerpen. 3.2 Temperatuur en warmte.

De Broglie. N.G. Schultheiss

Eindexamen natuurkunde 1-2 vwo 2002-II

Kleinse Fles. Introductie String Zoologie Brane Worlds Zwarte Gaten

NATUURKUNDE - 5 VWO. e) Leg duidelijk uit waarom bij grote spanning de stroom constant wordt (RS in figuur 4.3)

3 Het Foto Elektrisch Effect. CC Naamsvermelding-GelijkDelen 3.0 Nederland licentie.

Tentamen Optica. 19 februari 2008, 14:00 uur tot 17:00 uur

7 Emissie en Absorptiespectra. CC Naamsvermelding-GelijkDelen 3.0 Nederland licentie.

Eindexamen natuurkunde 1 vwo 2001-I

1. 1 Wat is een trilling?

, met ω de hoekfrequentie en

De Stanford Vrije Elektronen Laser Faciliteit

Tentamen. Kwantumchemie & Fysica (4051QCHFY-1314FWN) Datum: 10 April Tijd/tijdsduur: 3 uur

Eindexamen natuurkunde 1-2 vwo 2004-II

Fysica 2 Practicum. De monochromator

De correcte bewering aankruisen: WAAR FOUT

Een gezonde mond, zeker!... Een. 7 februari 2014 W.H. Rodenburg, mondhygiënist

Examen VWO. natuurkunde 1,2. tijdvak 2 woensdag 24 juni uur. Bij dit examen hoort een uitwerkbijlage.

Coaxial Plasmonic Metamaterials for Visible Light M.A. van de Haar

Technische Universiteit Eindhoven Tentamen Thermische Fysica II 3NB januari 2013, uur

Antwoorden Tentamen Fysica van de Vaste Stof woensdag 2 maart 2011, uur

Fysische modellen De Aarde zonder en met atmosfeer

Showlaser veiligheidsvoorschriften

Atoomfysica uitwerkingen opgaven

Technische Universiteit Eindhoven Tentamen Thermische Fysica II 3NB65. 6 juli 2012, uur

WELKOM. Netwerkkabels vervangen door lucht. Papiermolen Herisem 8 oktober 2010

Lees dit eerst! 1. Voor het experiment is 5 uur beschikbaar. 2. Beschrijf uitsluitend de voorkant van het papier.

Prof.dr. A. Achterberg, IMAPP

Transcriptie:

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: http://molphys.leidenuniv.nl/~eliel/teaching/fmt/fmt.html 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. 448-46. 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, 44-445 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. 0-9. Fractale lasers, Gerwin Karman, Natuur en Techniek 67(8), 1999, p.16

4

5 Laser principe Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT http://www.ilt.fhg.de/index.html Laser System Branch's Laser & LIDAR tutorial http://aesd.larc.nasa.gov/gl/tutorial/tut_menu.htm Rami Arieli: "The Laser Adventure http://www.phys.ksu.edu/perg/vqm/laserweb/preface/toc.htm All About Lasers http://lasers.llnl.gov/lasers/about.html Exploratorium Learning Studio: Lasers http://www.exploratorium.edu/ls/pathfinders/lasers.html Laser and Fusion Education http://lasers.llnl.gov/lasers/education/ed.html NIF Technologies http://www.llnl.gov/str/powell.html RLI LaserNet: Laser Tutorials http://www.rli.com/tutor1.html Laser tutorial 1 http://members.aol.com/wsrnet/tut/t1.htm Geschiedenis Arthur L. Schawlow http://www.bell-labs.com/history/laser/invention/schawlow-bio.html Laser History http://inventors.about.com/science/inventors/library/inventors/bllaser.htm Laser History - Ruby http://www.achilles.net/~jtalbot/history/ruby.html Laser Stars - Laser History http://www.achilles.net:80/~jtalbot/history/index.html Veiligheid Lasers en Internet Laser Safety Training http://phantom.ehs.uiuc.edu/~rad/laser/tutorial/ppframe.htm 6

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! 6 5 4 = = 60!!0!0!0!0!0!1!0! 6! 6 5 4 = = 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

De eerste laser 9 De grootste laser Nova: 10 14 W gedurende ns 10 5 J 10

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

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

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 ) 1 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

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

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

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 514.5 nm +. 647 nm +. 10.6 mm 694 nm 1064 nm 780-870 nm 100-1600 nm 580-60 nm Het medium bepaalt de golflengte van het licht

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) 1.1 19.8 18.6 17.4 1 S S 1 - Pomp - Energie overdracht door botsingen 5 5 1.15 µm lijn 0. µs 5 s s 1s 1 4 10 - He Ne laser lijn: 6.8 nm verval tijd: 0.7 ms 1 4 10 4 - spontaan verval naar de grondtoestand p p 4

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

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 1100 80 x10 14 Na-lamp 589.6 0.1 9x10 10 He-Ne laser 6.8 10-8 7.5x10 λ laser λ Golflengte Spontane emissie c c λν = c ν = δν = δλ λ λ 8

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 = 1.6 10 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

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 0.1-50 mw cw 0.5- mm 0.5-1.7 <0.1% (gas) mrad Robijn 694. nm 0.0-100 J gepulst 1.5-5 mm 0.-10 mrad <0.5% N (gas) 7 nm 0.1-0 mj gepulst x-6x0 1-x7 mrad <0.1% mm Nd:YAG 1.064 µm 0.04-600W cw 0.75-6 mm -18 mrad 0.1-% Nd-glas 1.06 µm 0.15-100 J gepulst -5 mm -10mrad 1-5% Ar (gas) 488, 514 nm 5mW-0W cw 0.7- mm 0.4-1.5 <0.1% mrad Kleurstof 400-900 nm 0-800mW cw 0.4-0.6 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 780-900 nm 1-40 mw cw 00x600 mrad 1-0% 1