Лекционный курс «Экспериментальные методы физических исследований» Раздел ПРИБОРЫ И МЕТОДЫ НАНОТЕХНОЛОГИЙ Тема ИСТОЧНИКИ КОГЕРЕНТНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ (ЛАЗЕРЫ) ЛАЗЕР (LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) Монохроматичность Когерентность Малая расходимость пучка Высокая интенсивность Когерентное и некогерентное излучение КОГЕРЕНТНОСТЬ Все волны колеблются в одинаковых фазах Волна A Волна B Сумма волн A и B ЭЛЕКТРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР Резонансная система Устройство обратной связи Источник энергии для возбуждения системы СВЕТОВОЙ ГЕНЕРАТОР ( ЛАЗЕР ) РЕЗОНАНСНАЯ СИСТЕМА -- оптический резонатор ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ - процессы вынужденного излучения ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ - инверсная заселенность, созданная в результате «накачки» атомов (молекул) Поглощение и спонтанное излучение фотонов Вынужденное излучение фотонов ВОЗБУЖДЕНИЕ Для того чтобы излучение произошло, атомы (молекулы) необходимо сначала возбудить Возбуждение атомов (молекул) в состояния с более высокой энергией происходит в результате различных процессов НАКАЧКИ ИНВЕРСНАЯ ЗАСЕЛЕННОСТЬ Инверсная заселенность: концентрация атомов с высокой энергий больше, чем концентрация атомов с низкой энергией Благодаря «накачке» в возбужденные состояния : N2 > N1 Для достижения генерации надо превысить степень инверсной заселенности: N2 - N1 > 108 1/м3 ИНВЕРСНАЯ ЗАСЕЛЕННОСТЬ И ОТРИЦАТЕЛЬНЫЕ ТЕМПЕРАТУРЫ Распределение Больцмана: Температура: n/no = exp( - U / kT ) T = - U / [ k ln( n/no ) ] СПОНТАННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ Электроны в атомах переходят с уровней с высокой энергией на уровни с меньшей энергией Длина волны излучения зависит от разности энергий уровней ЭНЕРГИЯ E2 ИЗЛУЧЕНИЕ E1 ИЗЛУЧЕНИЯ hc ( E2 E1 ) ВЫНУЖДЕННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ Если атом испускает фотон с энергией (E2 - E1), то этот фотон «вынуждает» другой атом с энергией E2 также испустить фотон Новый фотон имеет ту же энергию [резонанс] При инверсной заселенности (N2> N1) один испущенный фотон может стимулировать эмиссиию множества новых фотонов с той же частотой (E2 - E1) (монохроматичность) “Лавинное” испускание фотонов КОЭФФИЦИЕНТЫ ЭЙНШТЕЙНА По Эйнштейну, скорость убывания числа атомов N2 в возбужденном состоянии 2 : dN2/dt = N2A(2,1) - N2B(2,1)(12) + N1B(1,2) (12) А(2,1) - вероятность спонтанного испускания при переходе с уровня 2 на уровень 1. В(2,1) - вероятность вынужденного испускания (переход 21) за счет поля излучения с плотностью энергии (12) и частотой 12 , соответствующей частоте перехода. В(1,2) = В(2,1) вероятность поглощения излучения и возбуждения атомов с уровня 1 на уровень 2. Принцип работы лазера УСТРОЙСТВО ЛАЗЕРА Рабочая среда ЗЕРКАЛО с коэф-том пропускания 0% РАБОЧАЯ СРЕДА (газ) (кристалл) ЗЕРКАЛО с коэф-том пропускания 1% ОПТИЧЕСКИЕ РЕЗОНАТОРЫ ПЛОСКОПАРАЛЛЕЛЬНЫЙ РЕЗОНАТОР (Фабри-Перо) Простейшее условие возникновения стоячих волн в резонаторе: 2d/ = q ( q - целое число ). Для видимого света в резонаторе длиной 10 см, q> 400 000 ПОПЕРЕЧНЫЕ МОДЫ Распределение амплитуды стоячей волны по поверхности зеркала Enm ~ Rnm(r) exp( - j n ) Для данного резонатора набор чисел n, m, q определяет тип (моду) стоячей поперечной электромагнитной ( Transverse Electro Magnetic) волны ТЕМnmq СТРУКТУРА ПОПЕРЕЧНЫХ МОД Вверху показаны возможные распределения интенсивности луча по экрану. Для нормальной работы большинства приборов и устройств необходимо получение простейшей моды. TEM00 (Гауссово распределение) ОБЕСПЕЧЕНИЕ РЕЗОНАНСА Для данной моды: НА РИСУНКЕ- сравнение структуры мод типичного резонатора с контуром атомной линии излучения Различие частот соседних групп мод не превышает десятков мегагерц. 2d/ = q Различные типы лазеров Твердотельные лазеры - Рубиновый лазер Газовые лазеры – Аргоновый лазер – СО2 лазер – Гелий-неоновый лазер Полупроводниковые лазеры – Лазерный диод Рубиновый лазер Работа рубинового лазера ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ЛАЗЕРЫ Ruby laser РУБИНОВЫЙ ЛАЗЕР Al2O3:Cr3+ Ruby rod ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ЛАЗЕРЫ ЛАЗЕР НА КРИСТАЛЛЕ САПФИРА Al2O3:Ti3+ (перестраиваемый) ГАЗОВЫЕ ЛАЗЕРЫ ЛАЗЕР НА ИОНАХ Ar+ 458nm (синий) 488nm (синий) 514nm (сине – зеленый) УРОВНИ ЭНЕРГИИ В ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ЛАЗЕРАХ Рабочие уровни в твердотельном лазере на CaF2 с ураном ( 2,613 мкм) эффективное возбуждение оптической накачкой со сплошным спектром УРОВНИ ЭНЕРГИИ В ГАЗОВЫХ ЛАЗЕРАХ Рабочие уровни в газовом лазере на парах цезия(3,2и7,1 мкм) Оптическая накачка только излучением с определенной длиной волны (388,8 нм) СПОСОБЫ НАКАЧКИ ЛАЗЕРОВ Твердотельные лазеры Оптическая накачка (Xe лампа) Полупроводниковые лазеры Электрический ток Газовые лазеры Электрический разряд, химические реакции, радиоактивные излучения …. МЕХАНИЗМЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ В ГАЗОВЫХ ЛАЗЕРАХ СТОЛКНОВЕНИЯ ПЕРВОГО РОДА: (неупругие соударения электронов с атомами в газовом разряде) e + X X* + e СТОЛКНОВЕНИЯ ВТОРОГО РОДА: (в смесях газов - соударения атомов в основном состоянии с возбужденными метастабильными атомами другого сорта) X + Y* Y + X* ФОТОДИССОЦИАЦИЯ: CF3J + h CF3 + J(2P1/2) ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ В ГАЗАХ . H + Cl2 HCl* + Cl Лазеры на смеси газов Четырехуровневая схема E3 E2 Накачка Лазерный переход E1 Инверсная заселенность N2 > N1 E0 Молекулы А возбуждают накачкой на уровень E3 Возбуждение передается на метастабильный уровень E2 молекул В Лазерный переход - с E2 на E1 в молекулах В Релаксация к E0 поддерживает N2 > N1) ГАЗОВЫЕ ЛАЗЕРЫ He - Ne ЛАЗЕР He-Ne ЛАЗЕР Обычный источник красного света He* Ne He + E3 Ne* Инверсная заселенность атомов Ne E2 Накачка He Лазерный переход 632.8 нм E1 E0 СО2 ЛАЗЕР(уровни энергии) Колебательные уровни N2 и СО2 практически совпадают и сечение передачи энергии очень велико. Линия генерации 10,6 мкм соответствует окну прозрачности атмосферы СО2 (+N2) ЛАЗЕР(устройство) 1 - инфракрасное выходное окно, 2 - пружина, 3 вогнутое зеркало, 4 - сильфон, 5 - юстировочные винты, 6 - откачка, 7 - электроды. ГАЗОВЫЕ ЛАЗЕРЫ CO2 ЛАЗЕР 10.6 m Области применения – Обработка материалов – Хирургия – Дистанционное зондирование – …………… МЕДИЦИНА CO2 ЛАЗЕР CO2 ЛАЗЕР ОБРАБОТКА ЗАПИСЬ НА ОПТИЧЕСКИЕ НОСИТЕЛИ ИНФОРМАЦИИ CD、DVD、BD MD、MO