Dane INFORMACYJNE

2. Dane INFORMACYJNE • Zespół Szkół Gastronomicznych w Poznaniu • 97/91_mf_g1 • Magdalena Majchrzak • Kompetencja: • Matematyczno - fizyczna • Temat projektowy: • Laser, atomowe źródło światła – pól wieku od odkrycia. • Semestr/rok szkolny: • Letni 2010/2011.

3. Spis treści: • Budowa atomu. • Emisja wymuszona. • Emisja spontaniczna. • Interferencja i jej zastosowanie.. • Dyfrakcja. • Laser rubinowy. • Budowa i działanie lasera. • Rodzaje laserów. • Zastosowanie lasera w różnych dziedzinach nauki.

4. Budowa atomu • Atom – jest to podstawowy składnik materii. Składa się z małego dodatnio naładowanego jądra o dużej gęstości i otaczającej go chmury elektronowej o ujemnym ładunku elektrycznym. • Słowo atom pochodzi z języka greckiego ἄτομος − átomos , oznaczającego coś, czego nie da się przeciąć ani podzielić. Idea istnienia niepodzielnych składników materii pojawiła się już w pismach starożytnych filozofów indyjskich i greckich. • W XVII i XVIII wieku chemicy potwierdzili te przypuszczenia, identyfikując pierwiastki chemiczne pokazując, że reagują one ze sobą w ściśle określonych proporcjach.

5. W XIX wieku odkryto ruchy Browna, będące pośrednim dowodem ziarnistości materii. Na początku XX wieku fizycy odkryli wewnętrzną strukturę atomów, pokazując tym samym, że są one podzielne. Teorie mechaniki kwantowej pozwoliły stworzyć matematyczne modele wnętrza atomu. • Atomy mają rozmiary rzędu 10−10m i masę rzędu 10−26 kg. Można je obserwować jedynie przy użyciu specjalnych urządzeń, takich jak skaningowy mikroskop tunelowy. • Ponad 99,9% masy atomu jest zawarte w jego jądrze. Jądro atomowe zbudowane jest z nukleonów: protonów o dodatnim ładunku elektrycznym i elektrycznie obojętnych neutronów. Chmurę elektronową tworzą elektrony związane z jądrem przez oddziaływanie elektromagnetyczne . To samo oddziaływanie pozwala atomom łączyć się w cząsteczki. Atom jest elektrycznie obojętny, gdy liczba elektronów jest równa liczbie protonów. W przeciwnym przypadku ma ładunek i nazywany jest jonem.

6. Emisja wymuszona • W optyce emisja wymuszona (stymulowana, indukowana) – to proces emisji fotonów przez materię w wyniku oddziaływania z fotonem inicjującym. Warunkiem do tego, aby emisja wymuszona nastąpiła, jest równość energii fotonu z energią wzbudzenia atomu. • Foton inicjujący emisję nie jest pochłaniany przez materię – pełni tylko rolę wyzwalającą proces. Foton emitowany przez atom ma częstotliwość (a więc również energię), fazę i polaryzację taką samą jak foton wywołujący emisję. Kierunek ruchu obu fotonów również jest ten sam.

7. Światło złożone z takich identycznych fotonów nazywa się światłem spójnym. Zjawisko to jest podstawą działania laserów. • Emisja wymuszona została przewidziana przez Alberta Einsteina, który zauważył, że bez występowania tego zjawiska nie mogłoby dojść do równowagi między pochłanianiem i emisją promieniowania.

8. Emisja spontaniczna • Emisja spontaniczna zachodzi wtedy, gdy elektrony znajdujące się na poziomach wzbudzonych w sposób spontaniczny wracają na niższe poziomy energetyczne, emitując przy tym fotony. • Zjawisko występuje powszechnie i odpowiada za niemal każde świecenie ciał, np. gazów rozgrzanych, wzbudzonych atomów, ciał ciekłych i stałych, a także urządzeń elektronicznych takich jak diody elektroluminescencyjne (LED).

9. A – atom w stanie wzbudzonym (elektron na poziomie o energii E2)B – emisja fotonu (hν)C – atom w niskim stanie energii (elektron na poziomie E1<E2)

10. Interferencja • Interferencja • z łac. inter – między + ferre – nieść • zjawisko powstawania nowego, przestrzennego układu fali w wyniku nakładania się ,superpozycji, dwóch lub więcej fal. Interferencja zazwyczaj odnosi się do interakcji fal, które są skorelowane lub spójne ze sobą, dlatego że pochodzą z tego samego źródła lub dlatego, że mają takie same lub prawie takie same częstotliwości. Interferencja fal spójnych daje stały przestrzennie rozkład amplitudy fali.

11. Praktyczne zastosowania interferencji • Interferencja pozwala na bardzo precyzyjny pomiar długości drogi od źródła do detektora fali. • Światło lasera można podzielić kostką światło dzielącą na dwie wiązki. Jedną z nich umieszcza się na mierzonym odcinku, a drugą wprowadza do detektora jako wiązkę odniesienia. W efekcie rejestrowane natężenie światła będzie rosnąć i maleć cyklicznie w miarę zwiększania długości odcinka. • Długość fali może stać się wzorcem odległości, np. metra, co wykorzystuje interferometr laserowy.

12. Najnowsze prace nad telefonią komórkową trzeciej generacji(UMTS) doprowadziły do powstania idei nowej anteny opierającej swoją zasadę działania na interferencji fal. Jeżeli zamiast jednego nadajnika, umieścimy kilka w pewnej odległości od siebie, to fale zaczynają się nakładać. W efekcie stara komórka sieci komunikacyjnej dzieli się na kilka obszarów, w których niezależnie można przekazywać sygnały. Antena tego typu określana jest jako antena adaptacyjna.

13. Dyfrakcja • Dyfrakcja -ugięcie fali • to zjawisko fizyczne zmiany kierunku rozchodzenia się fali na krawędziach przeszkód oraz w ich pobliżu. Zjawisko zachodzi dla wszystkich wielkości przeszkód, ale wyraźnie jest obserwowane dla przeszkód o rozmiarach porównywalnych z długością fali. • Dyfrakcja używana jest do badania fal oraz obiektów o niewielkich rozmiarach, w tym i kryształów, ogranicza jednak zdolność rozdzielczą układów optycznych.

14. Jeżeli wiązka fal przechodzi przez szczelinę lub omija obiekt, to zachodzi zjawisko ugięcia. Zgodnie z zasadą Huygensa fala rozchodzi się w ten sposób, że każdy punkt fali staje się nowym źródłem fali kulistej. Za przeszkodą fale nakładają się na siebie zgodnie z zasadą superpozycji. Przy spełnieniu pewnych warunków za przeszkodą pojawiają się obszary wzmocnienia i osłabienia rozchodzących się fal (interferencja). • Zjawisko dyfrakcji występuje dla wszystkich rodzajów fal np. fal elektromagnetycznych, fal dźwiękowych oraz fal materii. • Jeden z najprostszych przykładów zjawiska dyfrakcji zachodzi, gdy równoległa wiązka światła np. z lasera przechodzi przez wąską pojedynczą szczelinę zwaną szczeliną dyfrakcyjną. Zgodnie z zasadą Huygensa każdy punkt szczeliny o szerokości d, jest nowym źródłem fali. Między źródłami zachodzi interferencja, co powoduje wzmacnianie i osłabianie światła rozchodzącego się w różnych kierunkach.

15. Laser rubinowy • Laser to generator promieniowania, wykorzystujący zjawisko emisji wymuszonej. Nazwa jest akronimem od Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation — wzmocnienie światła poprzez wymuszoną emisję promieniowania. Promieniowanie lasera ma charakterystyczne właściwości, trudne lub wręcz niemożliwe do osiągnięcia w innych typach źródeł promieniowania. Jest spójne w czasie i przestrzeni, zazwyczaj spolaryzowane i ma postać wiązki o bardzo małej rozbieżności. W laserze łatwo jest otrzymać promieniowanie o bardzo małej szerokości linii emisyjnej, co jest równoważne bardzo dużej mocy w wybranym, wąskim obszarze widma.

16. W laserach impulsowych można uzyskać bardzo dużą moc w impulsie i bardzo krótki czas trwania impulsu. • Słowo laser bez dodatkowych określeń odnosi się najczęściej do laserów emitujących światło widzialne. W przypadku innych długości fali stosowane są dodatkowe określenia precyzujące zakres pracy.

17. Zasada działania lasera. • Właściwości światła laserowego: • rozbieżność wiązki; • spójność; • moc promieniowania i gęstość energii; • propagacja promieniowania laserowego w środowisku.

18. Zasada działania • Zasadniczymi częściami lasera są: ośrodek czynny, rezonator optyczny, układ pompujący. Układ pompujący dostarcza energię do ośrodka czynnego, w ośrodku czynnym w odpowiednich warunkach zachodzi akcja laserowa, czyli kwantowe wzmacnianie (powielanie) fotonów, a układ optyczny umożliwia wybranie odpowiednich fotonów. • Ośrodek czynny • Oddziaływanie promieniowania z materią można wyjaśnić za pomocą trzech zjawisk: pochłaniania fotonów (absorpcji), emisji spontanicznej oraz emisji wymuszonej fotonu. Foton wyemitowany w wyniku emisji wymuszonej ma taką samą częstotliwość i polaryzację jak foton wywołujący emisję.

19. Atomy w stanie podstawowym pochłaniają takie fotony. Gdy w ośrodku jest więcej atomów w stanie wzbudzonym niż w stanie podstawowym zachodzi inwersja obsadzeń poziomów energetycznych. Stan wzbudzony jest stanem metastabilnym co zapewnia magazynowanie energii do czasu wyemitowania jako wiązki laserowej i jest warunkiem funkcjonowania urządzenia. • Układ pompujący. • Zadaniem układu jest przeniesienie jak największej liczby elektronów w substancji czynnej do stanu wzbudzonego. Układ musi być wydajny by zapewnić inwersję obsadzeń. Pompowanie lasera odbywa się poprzez błysk lampy błyskowej (flesza), błysk innego lasera, przepływ prądu (wyładowanie) w gazie, reakcję chemiczną, zderzenia atomów, wstrzelenie wiązki elektronów do substancji.

20. Rezonator optyczny • Wzbudzony ośrodek czynny stanowi wprawdzie potencjalne źródło światła laserowego, jednak do powstania uporządkowanej akcji laserowej potrzebny jest jeszcze odpowiedni układ optyczny, zwany rezonatorem. Układ ten pełni rolę dodatniego sprzężenia zwrotnego dla światła o wybranym kierunku i określonej długości fali. Spośród wszystkich możliwych kierunków świecenia i wszystkich dostępnych dla ośrodka długości fal, jedynie światło o parametrach ustalonych przez rezonator będzie wzmacniane na tyle mocno, by doprowadzić do akcji laserowej. Sprzężenie zwrotne polega na możliwości wielokrotnego przepływu fotonów przez ośrodek, połączonego z ich kaskadowym powielaniem wskutek emisji wymuszonej, dzięki czemu laser generuje spójne światło. Układ optyczny rezonatora składa się zazwyczaj z dwóch dokładnie wykonanych i odpowiednio ustawionych zwierciadeł.

21. Rodzaje laserów • Podział laserów w zależności od mocy: • Lasery dużej mocy, • Lasery małej mocy • Lasery o średniej mocy • Podział laserów w zależności od sposobu pracy: • Lasery pracy ciągłej, emitujące promieniowanie o stałym natężeniu • Lasery impulsowe, emitujące impulsy światła • szczególnym rodzajem lasera impulsowego jest laser femtosekundowy

22. Podział laserów w zależności od widma promieniowania, w których laser pracuje: • Lasery w podczerwieni • Lasery w części widzialnej • Lasery w nadfiolecie • Podział laserów w zależności od ośrodka czynnego: • Ośrodek czynny decyduje o najważniejszych parametrach lasera, określa długość emitowanej fali, jej moc, sposób pompowania, możliwe zastosowania lasera. • Lasery gazowe: laser kryptonowy He-Ne laser helowo-neonowy laser na dwutlenku węgla laser na tlenku węgla Ar laser argonowy laser tlenowo-jodowy laser azotowy

23. Lasery na ciele stałym :Lasery na cieczy: laser rubinowy lasery barwnikowe laser neodymowy na szkle lasery chylatowe laser neodymowy na YAG-u lasery neodymowe laser erbowy na YAG-u Lasery półprzewodnikowe: laser tulowy na YAG-u złączowe (diody laserowe) laser holmowy na YAG-u laser na materiale objętościowym laser tytanowy na szafirze laser na studniach kwantowych laser na centrach barwnych laser na kropkach kwantowych bezzłączowe kwantowy laser kaskadowy Lasery na wolnych elektronach : laser promieniowania X

24. Podział laserów w zależności od zastosowań: • Specjalne lasery gazowe wytwarzające ultrafiolet o możliwie jak najmniejszej długości fali używane do produkcji półprzewodnikowych układów scalonych: • F_2 (157 nm) • ArF (193 nm) • KrCl (222 nm) • XeCl (308 nm) • XeF (351 nm) • Lasery używane w stomatologii i dermatologii, w tym do usuwania tatuaży, znamion oraz włosów: laser rubinowy (694 nm) Ho:YAG (2090 nm) Aleksandrytowy (755 nm) Er:YAG (2940 nm) pulsacyjna matryca diodowa (810 nm) Nd:YAG (1064 nm)

25. Półprzewodnikowe diody laserowe: • małej mocy - używane we wskaźnikach laserowych, drukarkach laserowych, CD/DVD • dużej mocy - używane w przemyśle do cięcia i spawania, występują o mocach do 10 Kw. ZASTOSOWANIE LASERA W RÓŻNYCH DZIEDZINACH NAUKI. Laser w przemyśle: • w poligrafii, • do znakowania produktów, • laserowe cięcie metali, • laserowe spawanie metali,

26. laserowe drążenie, • laserowa obróbka cieplna metali. • Technologia wojskowa: • dalmierze laserowe, stosowane do oceny odległości od celu, • laserowy wskaźnik celu, • łącza telefoniczne stosowane na niewielkich odległościach, • mierniki głównie w lotnictwie takie jak: • wysokości (altimetry); • składowych szybkości gazu (aneometry); • przyspieszenia; • szybkości lotu.

27. Medycyna: • Lasery są wykorzystywane w medycynie do takich celów jak: • diagnostyka (lasery diagnostyczne); • terapia schorzeń (lasery stymulacyjne i chirurgiczne); • oświetlanie pola operacji. • Lasera używa się w medycynie przede wszystkim dla "twardej" obróbki tkanek: • cięcia, • koagulacji, • odparowania (fotoablacji oraz ablacji stymulowanej plazmą), • obróbki mechanicznej (rozrywania, fragmentacji czy kawitacji). • Lasery w okulistyce wykorzystywane są m.in. do przyklejenia siatkówki do dna oka.

28. W dermatologii laserów używa się do usuwania niektórych nowotworów i naczyniaków . • Skalpel laserowy pomocny jest przy leczeniu oparzeń. Przy jego pomocy można zdejmować naskórek lub warstwę spalonej skóry i odsłonić zdrową aby mogła się zagoić. Laser pomocny jest też przy usuwaniu tatuaży i włosów, rozjaśnianiu skóry, przywracaniu jej gładkości i sprężystości. Lasery stosowane w medycynie estetycznej. • W diagnostyce wykorzystuje się metodę laserowo indukowanej fluorescencji. Promienie lasera naświetlają tkanki powodując ich fluorescencję.

29. Telekomunikacja: • Nadajniki laserowe przy transmisji światłowodowej, • Odczyt i zapis informacji na płytach kompaktowych. • Efekty wizualne: • zegar ścienny wykonany techniką cięcia laserowego metalu, • lasery są wykorzystywane do tworzenia efektów wizualnych np. w spektaklach teatralnych, reklamach, koncertach i dyskotekach, • tanie lasery diodowe są wykorzystywane jako wskaźniki podczas prezentacji dydaktycznych, konferencyjnych, reklamowych itp. • Geodezja, budownictwo: • Prostoliniowy bieg wiązki lasera wykorzystywany jest w pomiarach geodezyjnych (dalmierze), a także w budownictwie (poziomnice laserowe, generatory linii).

30. Spis treści • Zasoby Internetu • Wikipedia wolna encyklopedia.