LASER

Wymuszona emisja

promieniowania i jej

zastosowania

Wykład 8

2

Prof. J. Zieliński

 

Terminy zaliczeń poprawkowych w semestrze letnim
2010/11
o 28 marzec

o 18 kwiecień

o 16 maj

o 13 czerwiec

Przypominam, że

Przypominam, że

 na wszystkie kolejne terminy poprawkowe
obowiązują karty zie-lone.

 Do zaliczenia można podejść po zaliczeniu ćwiczeń
rachunko-wych

 zaliczona w terminie zerowym teoria a nie wpisana

zaliczona w terminie zerowym teoria a nie wpisana

do indeksu została skreślona

do indeksu została skreślona

Zaliczenia zaczynają się o
godz. 15
sala 2 bud 5

W tym semestrze

Zaliczenie przedmiotu jest w formie egzaminu

> Aby móc przystąpić do egzaminu trzeba mieć
zaliczone ćwicze-nia i laboratoria. Pozytywne oceny
muszą być wpisane do karty o-cen i do indeksu.

Egzamin składa się z dwóch części:

- Pisemnej student pisze odpowiedź na 3 pytania z
zestawu 4-ech

- Ustnej odpowiedzi uzupełniające na pytania z
zestawu pisemne-go + inne pytania.

Historia ważniejszych wydarzeń

:

1917 – A. Einstain sugeruje możliwość pobudzenia
atomów do emisji światła
1960 – Theodore Maiman testuje 15 maja pierwszy
udany laser i uzyskuje pierwszą wiązkę światła
laserowego
1968 – Laser argonowy został po raz pierwszy użyty do
usuwania katarakty z oczu (USA)
1969 – 1 sierpnia naukowcy użyli lasera do pomiaru
odległości Księżyca. Impuls odbił się od zwierciadła
umieszczonego na Księżycu przez astronautów
1972 – Dalmierze laserowe i wskaźniki celów zostały
użyte po raz pierwszy na polu walki w Wietnamie
1978 – Marynarka USA użyła lasera chemicznego o
mocy 400 kW do zestrzelenia przeciwpancernego
pocisku rakietowego

Spontaniczna i

wymuszona emisja

promieniowania

Wzbudzone pod wpływem różnych czynników

zewnę-trznych, atomy lub cząsteczki, takich jak
promieniowanie,

tempe-ratura

czy

pola

elektromagnetyczne, wracają samorzutnie w sposób
przypadkowy i bezładny do stanów podstawowych.
Rys. 15.1 pokazuje schematycznie emisyjne i
absorpcyjne przejścia kwantowe między dwoma
poziomami

energetycznymi.

Jeżeli

proces

przechodzenia do stanów podstawowych zachodzi z
emisją

kwantów

promieniowania

elektromagnetycznego, to nazywamy go emisją
spontaniczną. Promieniowanie to jest niespójne,
ponieważ poszczególne atomy emitują kwanty
niezależnie od siebie, w sposób nieuporządkowanym,
bez wzajemnej korelacji.

Promieniowanie wszystkich zwykłych źródeł światła

jest

rezulta-tem

emisji

spontanicznej.

Widmo

promieniowania zależy jedynie od układu poziomów
energetycznych i dozwolonych przejść między nimi.

a )

p rz e d e m is j ¹ p o e m is j i

E

2

h 

E

1

b )

p rz e d a b s o p rp c j ¹ p o a b s o rp c j i

E

2

h 

E

1

Przejścia kwantowe
pomiędzy dwoma
poziomami
energetycznymi:
a) przejście emisyjne;
b) przejście absorpcyjne

.

Przejście atomu, jonu lub cząsteczki z poziomu

wzbudzonego do niższego poziomu energetycznego
może również zachodzić w sposób wymuszony, pod
wpływem

działania

kwantu

promieniowania

elektromagnetycznego o częstotliwości wynikającej z
zależności Bohra

hν=E

2

-E

1

(15.1)

 
dla przejścia kwantowego z wyższego poziomu
energetycznego E

2

na niższy poziom energetyczny E

1

.

Proces ten nazywamy wymuszoną, indukowaną lub
stymulowaną emisją promieniowania. Schemat wy-
muszonego przejścia emisyjnego pokazano na rys.
15.2.

przed emisj¹ po emisji

hh

h

Kwantowe przejście
emisyjne z wymuszoną
emisją kwantu
promieniowania

W

procesie

emisji

wymuszonej

kwant

promieniowania o od-powiedniej energii wyzwala przy
“zderzeniu” z atomem wzbudzonym nowy kwant, nie
tracąc przy tym na działanie wymuszające nic ze swej
energii. Zamiast jednego kwantu wchodzącego do
układu mamy więc na jego wyjściu dwa jednakowe
kwanty, co oznacza wzmocnie-nie promieniowania.

Częstotliwość promieniowania pochodzącego od

emisji wy-muszonej jest identyczna z częstotliwością
promieniowania wymu-szającego, a ich fazy są ze sobą
ściśle powiązane. Poza tym emisja wymuszona odbywa
się w tym samym kierunku, w którym porusza się kwant
wymuszający. Zgodność częstotliwości, fazy i kierunku
promieniowania

wymuszonego

z

promieniowanie

wymuszającym

determinuje

tzw.

spójność

lub

koherentność światła uzyskiwanego w taki sposób.

Proces emisji wymuszonej jest podstawą działania

wzmacniaczy i generatorów kwantowych tzw. laserów (w
odniesieniu do światła) i maserów (w zakresie
mikrofalowym).

Ponieważ podstawę efektu laserowego stanowią

procesy emisji wymuszonej, należy więc dążyć do
stworzenia

w

danym

układzie

kwan-towym

uprzywilejowanych warunków dla zaistnienia i przebiegu
tych

procesów.

Chodzi

przede

wszystkim

o

doprowadzenie układu do takie-go stanu, w którym
przeważać będą elementy (atomy, jony lub cząste-czki)
wzbudzone. Wynika to stąd, że przy oddziaływaniu
promieniowa-nia z układem kwantowym istnieje takie
samo prawdopodobieństwo wystąpienia aktów emisji
wymuszonej i aktów absorpcji. wszystko zależy więc od
liczbowego stosunku napotkanych na drodze kwantów
wymuszających

elementów

wzbudzonych

i

niewzbudzonych

Jeśli te ostatnie są w większości, to układ w

końcowym bilansie pochłania promieniowanie, przy
równym obsadzeniu poziomów układ jest neutralny,
(akty emisji i absorpcji równoważą się); dopiero w wa-
runkach przewagi elementów wzbudzonych układ
kwantowy emituje promieniowanie (przeważają akty
emisji) - jest zdolny do wzmacniania doprowadzonej na
jego wejście fali elektromagnetycznej.

Inwersja obsadzeń

energetycznych

Doprowadzenie do wzbudzenia układu oznacza

zakłócenie

normalnego

rozkładu

energetycznego

elementów, istniejącego w każdym ośrodku w warunkach
równowagi cieplnej.

W warunkach równowagi termicznej, obsadzenie

poszczególnych

poziomów

energetycznych

opisuje

statystyczne

prawo

Boltzmanna

wyrażające

się

równaniem

N

C

E

kT

i

i











exp

gdzie N

i

- liczba elementów obsadzających poziom

energetyczny E

i

; C - stała charakterystyczna dla

danego układu; k - stała Boltzmanna (k=1.38044 . 10

-

23

J/stop ).

Rozkład

taki

ilustrują

dwa

wykresy

boltzmannowskiej (rys. 15.3) dla dwóch różnych
temperatur danego układu (T

1

< T

2

). Jak widać, ze

wzrostem temperatury obsadzenie wyższych poziomów
wzrasta, do-równując teoretycznie przy nieskończenie
wysokiej temperaturze, ob.-sadzeniu poziomów niższych,
lecz

nigdy

go

-

w

warunkach

równowagi

termodynamicznej - nie przewyższając.

N N

N

1

T

1

<T

2

T

1

N

1

N

2

N

2

T

2

N

3

N

3

N

4

N

4

E

1

E

2

E

3

E

4

E E

1

E

2

E

3

E

4

E

Boltzmannowski rozkład obsadzenia poziomów energetycznych
(linie ciągłe) z pokaza-niem możliwej inwersji obsadzeń
poziomów E

1

i E

3

(prostokąty) w stanie nierówno-wagowym

wywołanym poprzez pompowanie energii do układu.

Z zależności (15.1) i (15.2) wynika, że dla omawianego
dwupoziomo-wego układu kwantowego stosunek:

N

N

E

E

kT

h

kT

2

1

2

1























exp

exp



W równowadze termodynamicznej N

1

>N

2

> N

3

> N

4

(rys. 15.3) - co oczywiście uprzywilejowuje absorpcję
promieniowania wymuszają-cego. W celu rozwinięcia
akcji laserowej (wzmacniania światła) ko-nieczne jest
odwrócenie stanu obsadzeń, czyli inaczej dokonanie in-
wersji obsadzeń (np. tak jak to zaznaczono na rys.
15.3 dla pozio-mów E

1

i E

3

); wtedy otrzyma się

nadwyżkę aktów emisji wymuszonej nad aktami
absorpcji. Układ z inwersją obsadzeń poziomów
energetycznych nazywany jest również układem
antyboltzman-nowskim.

Zasada działania lasera

Słowo laser pochodzi od pierwszych liter określenia
angielskiego: Light Amplification by Stimulated
Emission of Radiation co oznacza: wzmocnienie
światła przez wymuszoną emisję promieniowania.

Główne elementy lasera to:

- ośrodek czynny, w którym zachodzą procesy emisji
wymuszonej,

- źródło wywoływania inwersji obsadzeń (pompowania
energii do układu), oraz

- rezonator optyczny w którym powstaje i powiększa się
lawina fotonów.

Ośrodkiem czynnym może być gaz, ciecz lub

ciało stałe posia-dające najbardziej odpowiednią
strukturę poziomów energetycznych.

Inwersji obsadzeń

dokonuje się poprzez

pompowanie optyczne za pomocą odpowiednich lamp
błyskowych, wyładowania jarzeniowe w gazach, reakcje
chemiczne w gazach i cieczach, lub odpowiednie prądy
elektryczne w ośrodkach półprzewodnikowych.

Rezonator optyczny stanowi interferometr

utworzony najczę-ściej z komory i dwóch zwierciadeł
ustawionych prostopadle do osi komory. Wewnątrz
komory znajduje się ośrodek czynny.

œwiat³o pompuj¹ce

Z

1

Z

2

wi¹zka

promieni

laserowych

œwiat³o pompuj¹ce

Schemat przebiegu
generacji światła
laserowego:
Z

1

- zwierciadło

całkowicie odbijające i
Z

2

- zwierciadło częściowo

przepuszczalne tworzą
rezonator optyczny.

Na rys. przedstawiono w sposób poglądowy przebieg
generacji świa-tła laserowego w ośrodku czynnym,
umieszczonym w rezonatorze op-tycznym. W środkowej
i górnej części komory z ośrodkiem czynnym pokazano
symbolicznie: narastanie promienia poosiowego i
wielokro-tne

odbicie

promienia

od

zwierciadeł

interferometru. W dolnej części rezonatora pokazano
kilka promieni nieosiowych, nie biorących udzia-łu w
wytwarzaniu wiązki promieniowania laserowego.

Mechanizm wzmocnienia kwantowego, czyli akcja

laserowa za-czyna się rozwijać jeszcze przed momentem
kiedy błysk pompujący zdoła przesunąć wszystkie
elektrony na poziomy wzbudzone. Wskutek tego akcja
laserowa rozmywa się na pewien nieduży okres czasu,
co obniża maksimum intensywności laserowego błysku
świetlnego. W celu przyśpieszenia narastania lawiny
fotonowej pomiędzy zwiercia-dłem odbijającym i komorą
z ośrodkiem czynnym umieszczamy zawór świetlny ( rys.
15.5), otwierający dostęp do zwierciadła jedynie na bar-
dzo krótki odstęp czasu tuż przed zakończeniem procesu
pompowania układu. To skrócenie czasu błysku lasera
pozwala na otrzymywanie im-pulsów o natężeniu
100000 razy przekraczającym natężenie zwykłego
impulsu laserowego. Należy podkreślić, że impuls ten nie
niesie więcej energii niż impuls zwykły, jest ona tylko
bardziej skupiona w czasie. Zawór świetlny spełnia rolę
elementu regulującego dobroć rezonatora.

Czas trwania impulsów z laserów z regulowaną

dobrocią rezo-natora wynosi od 10 do 50 ns. Przez
dodatkowe zabiegi można skrócić czas trwania impulsu
do 10

-10

, a nawet do 10

-12

s. Tak krótkie impulsy

laserowe nazywamy pikosekundowymi. Maksymalne
uzyskane przy tym moce sięgają 10

10

W.

zawór czynny oœ

rodek

œ

wietlny laserowy

zwierciad³o zwierciad³o

odbijaj¹ce pó³przepuszczalne

Schemat lasera do uzyskiwania krótkich impulsów

poprzez regulowanie dobroci rezonatora

BUDOWA LASERA

Lasery na ciele stałym

MATERIAŁY LASEROWE
Za akcję laserową odpowiadają atomy, jony, molekuły
rozmieszczone w sieci materiału. Praca lasera zależy od
domieszki, czyli jonu, kyóry jest aktywny - „czynny”.
Typowa zawartość domieszki to 0,01 – 10%
Rola osnowy –

Wpływa na szerokość i położenie poziomów
energetycznych

 Transmituje energię pompy i energię generowaną

materiał

Wzór

Temp

topn.

n

uwagi

szafir

Al

2

O

3

2040

1,76

Domieszka Cr, dobra przewodność

cieplna

Fluorki

C

2

F

2

1350

1,43

Duża higroskopijność i mała

wytrzymałość termiczna

wolframia

ny

CaWO

4

1570

1,9

Domieszki metale ziem …, Nd

Granaty

Y

2

Al

5

O

12

1970

1,8

Domieszki wszystkie metale, najlepiej

Nd. Dobre właściwości termiczne

Szkła

800-900 1,5-

1,6

Możliwość łatwego formowania.

Domieszka Nd

Wymagania:
 Szerokie pasmo pochłaniania

 Energia pasma pochłaniania nie może być zbyt
daleko od energii pasma generacji

 Małe straty na rozproszenia nie promieniste

 Powinny posiadać pasmo metastabilne

 Opróżnienie poziomów metastabilnych przez
luminescencję

 Wąska linia poziomu generacyjnego

LASER
RUBINOWY

PRĘTY LASEROWE

LAMPY I OŚWIETLACZE LASEROWE

REZONATORY OPTYCZNE

Materiały trzy- i cztero-poziomowe

Rubin

Kryształ Al

2

O

3

: Cr

3+

typowa domieszka 0,05%

Neodym:

Jest domieszką uniwersalną – może występować
zarówno w kryszta-łach jak i szkłach

Pozwala na uzyskanie generacji ciągłej.

Charakterystyczne cechy (w porównaniu do Cr)

Węższe linie pochłaniania (o rząd)

 Więcej pasm luminescencji (1,06µm; 1,3µm ; 0,8µm )

 Można stosować wyższe koncentracje (w szkłach do
10%, typowo 3%)

 Szerokość linii luminescencji zależy od osnowy (≈ cm

-

1

w kryszta-łach, ≈ 100 cm

-1

w szkłach)

 Czas życia na poziomie metastabilnym 100µs ÷ 1ms

Cechy szkieł domieszkowanych Nd

3+

Dodatnie: możliwość wytopu dużych bloków, duża
jednorodność

opty-czna,

możliwość

regulowania

współczynnika

załamania,

możliwość

stosowania

wysokiej koncentracji domieszki, prosta „konstrukcja”.

Ujemne:

niska

przewodność

ciepła,

wysoka

rozszerzalność

cieplna,

mała

twardość,

mała

przejrzystość w ultrafiolecie.

Lasery gazowe:

- atomowe

- jonowe

- molekularne

Ośrodki czynne

Gazy szlachetne

He, Ne, Ar, Xe

Pary metali i niemetali

Cs, Cd, Rb, Hg

Mieszaniny gazów
szlachetnych

He-Ne, He-Xe

Mieszaniny różnych
gazów lub par

Ne-O

2

, He-Cd, He-Se, He-

NO-NO

2

,

He- N

2

– CO

2

Lasery półprzewodnikowe

Widmo światła laserowego

Podstawowe cechy

promieniowania laserowego

Światło laserowe a zwykłe.

Zwykłe światło

powstaje dzięki spontanicznej

emisji promie-niowania, charakteryzującej się zupełną
przypadkowością poszczegól-nych aktów emisyjnych i
brakiem między nimi jakiegokolwiek powią-zania
fazowego.

Promieniowanie

to

stanowi

nieuporządkowany zbiór niezależnych od siebie fal
(drgań) elektromagnetycznych.

Światło laserowe

jest wytwarzane w sposób

zorganizowany, dzięki procesom wymuszonej emisji
promieniowania.

Foton

wymusza-jący

powoduje

wypromieniowanie nowego fotonu o identycznych
właściwościach, który z kolei może uczestniczyć w
następnych aktach emisji wymuszonej. Otrzymuje się w
rezultacie

zbiór

uporządko-wanych

ciągów

fal

elektromagnetycznych,

stanowiący

wypadkową

synchronicznych, zgodnych w fazie i jednokierunkowych
promieni emitowanych przez poszczególne elementy
ośrodka ciągłego.

Laser wytwarza światło spójne (koherentne),

jednobarwne

(monochromatyczne),

o

wiązce

równoległej (skolimowane). Należy jednak zaznaczyć, że
każda z tych cech nie występuje w postaci dosko-nałej.

Przez spójność światła rozumieć będziemy

przestrzenno-czaso-we uporządkowanie tworzących je
fal elektromagnetycznych przy czym korelację fazową
ciągów falowych emitowanych przez różne punkty
źródła

jednocześnie

wyróżniamy

jako

spójność

przestrzenną, a korelację ciągów falowych emitowanych
przez jeden punkt źródła w różnych momentach czasu
jako spójność czasową.

Spójność przestrzenna

.

Rysunek pokazuje doświadczenie sprawdzające

spójność przestrzenną światła. Dwie wiązki światła o
natężeniu I

1

i I

2

wycho-dzące ze szczelin A

1

i A

2

spotykają się na ekranie w punkcie B. Wypa-dkowe
natężenie światła w punkcie B obliczamy z zależności:

A

1

I

1

B

I

2

A

2

I

I I

I I

w

  

1

2

1 2

2

cos

gdzie d - różnica faz obu
wiązek.

Jeśli

brak

jest

jakiejkolwiek kore-lacji
faz pomiędzy wiązkami to
wyraz interferencyjny

2 1 2

I I cos

we wzorze (15.4), reprezentujący wzajemne oddziaływanie obu
wiązek zanika ponie-waż średnia wartość cosδ jest równa zeru ze
względu na jednakowe prawdopodo-bieństwo przyjmowania przez d
wszelkich możliwych wartości, zmieniających się w sposób zupełnie
przypadkowy i szybki

Pozostaje więc

I

w

=

I

1

+I

2

–

czyli algebraiczne
sumowanie obu wiązek.

Przy istnieniu ścisłej korelacji faz między wiązkami

obserwuje

się

zjawisko

interferencji

w

wyniku

wektorowego sumowania się obu ciągów falowych.
Wypadkowe natężenie światła w punkcie B może teraz
przyjmować różne wartości ( w zależności od d w
punkcie B) od

I I

I

I I

  

1

2

1 2

2

cos

I I

I

I I

  

1

2

1 2

2

cos

do

W rzeczywistości uzyskuje się jedynie określony stopień
spójności, za miarę którego przyjmujemy współczynnik
γ < 1 wprowadzony do wzoru

I I

I

I I

  

1

2

1 2

2



cos

W praktyce uważa się, że promieniowanie jest
spójne w znacznym stopniu gdy γ> 0.88.

Spójność czasowa.

Na

rysunku

przedstawiono

schemat

doświadczenia

z

zastoso-waniem

interferometru

Michelsona, którym można posłużyć się do sprawdzenia
spójności czasowej promieniowania świetlnego

Z

1

I

1

P I

2

S

I

1

I

2

Z

2

B

Schemat

doświadczenia

ilustrującego spój-ność czasową
światła

w

interferometrze

Michelsona.

Interferencja wiązek I

1

i

I

2

zwią-zana jest teraz z
różnicą przeby-tych przez
nie dróg optycznych Δl
powodujących powstanie
różnicy faz







2

l

gdzie λ oznacza
długość fali światła

Okazuje się, że w miarę zwiększania Δl stopień
spójności g maleje, aż do pełnego zaniku interferencji.
Wtedy na ekranie w punkcie B obserwuje się sumę
natężeń I

w

=I

1

+I

2

. Wartość krytyczna Δl

kr

przy której

następuje zanik interferencji nazywa się długością
sójności a odpowiadający jej czas

Δl

kr

/c czasem

spójności

. Dla lasera helowo-neonowego długość

spójności sięga 10 km.

 

Monochromatyczność.

Dla światła laserowego szerokość linii widmowej

jest bardzo mała w porównaniu ze światłem zwykłym. Na
przykład w laserze rubi-nowym (l = 694.3 nm) wynosi
ona 0.01-0.05 nm, a niekiedy osiąga na-wet wartość
0.002 nm ( co odpowiada 1200 MHz), podczas gdy nie-
spójne światło fluorescencyjne, pochodzące z tego
samego kryształu rubinu, ma szerokość widmową 0.54
nm.

Na rysunku 15.8 przedstawiono przykładowo

przebiegi zależno-ści natężenia promieniowania od
częstotliwości dla światła zwykłego (krzywa a) i światła
laserowego (linia pionowa b).

Wysoki

stopień

monochromatyczności

promieniowania

lasero-wego

jest

podstawą

zastosowania go w telekomunikacji, spektroskopii i
innych gałęziach nauki i techniki.

1.0

0.8

podczerwieñ nadfiolet

0.6` a

b

0.4 œ

wiat³o

widzialne

0.2

0

10 100 1000 10000

czêstotliwoœ

æ [THz]

Równoległość wiązki.

Dla wytworzenia wiązki równoległej światła

pochodzącego ze zwykłego źródła musimy dążyć do
tego aby było ono zbliżone do źró-dła punktowego.
Ogranicza to radykalnie natężenie wiązki skolimowa-nej.
Im mniej źródło jest zbliżone do punktowego tym mniej
równole-głą wiązkę możemy uzyskać. Laser jest
rozciągłym źródłem światła emi-tującym bezpośrednio
wiązkę skolimowaną. Dzieje się tak dzięki kie-runkowości
emisji wymuszonej i selektywnemu działaniu rezonatora
optycznego.

Równoległość

wiązki

laserowej

jest

ograniczona dyfrakcją. Kąt rozbieżności a można
wyznaczyć z wzoru:





122

.

D

D - oznacza średnicę apertury wyjściowej układu
optycznego. Dla przykładu: w laserze rubinowym, w
którym l=694.3 nm a D=1 cm,
α = 0.85

.

10

-4

rad, czyli 0.3’.

Intensywność promieniowania.

Duża intensywność promieniowania laserowego

wynika zarów-no z jego wyżej omówionych własności,
jak i z możliwości wytwarzania impulsu światła o
niezwykle krótkim czasie trwania - do pikosekund (10

-12

s)

i

ułamków

pikosekund

włącznie.

Gęstości

powierzchniowe energii światła laserowego są rzędu 10

7

J/cm

2

. Impulsowe działanie lasera powoduje bardzo duży

wzrost mocy wyjściowej w stosunku do lasera o pracy
ciągłej: tym większy im krótszy jest bardzo duży jest
emitowany błysk. Energia bowiem nagromadzona w
ośrodku czynnym na skutek pompowania wyładowuje
się w postaci wiązki promienio-wania w ciągu bardzo
krótkiego czasu, w związku z czym nawet przy bardzo
małej wartości tej energii uzyskuje się duże moce rzędu
10

10

W/cm

2

i większe.

Wynalazek lasera otworzył nowy łańcuch

osiągnięć nauko-wych i technicznych o dużym zasięgu
oddziaływania

na

różne

dzie-dziny

życia

współczesnego. Nauka i technika zyskały nowe źródło
światła, o nieosiągalnych dotąd właściwościach i
rozległych perspe-ktywach różnorodnych zastosowań.

Lasery znalazły powszechne zastosowania w

technice woj-skowej, telekomunikacji i nawigacji,
technologii, miernictwie i kon-troli, medycynie i
biologii, chemii i fizyce, technice fotografii ultra-
szybkiej, technice jądrowej, elektronicznej technice
obliczeniowej i innych gałęziach nauki i techniki.

 

ZASTOSOWANIA TECHNIKI
LASEROWEJ

Elementy systemy laserowego

DALMIERZ LASEROWY

SYSTEM DO
WYZNACZANIA OSI

ŁĄCZA LASEROWE

ŻYROSKOP LASEROWY

WSKAZYWANIE
CELÓW

FOTOGRAFIA PRZEZ CHMURY

CIĘCIE I SPAWANIE LASEROWE

SPAWANIE LASEROWE

Holografia

 

Holografia

jest jednym z bardzo ciekawych

zastosowań światła laserowego jest, dającym możliwość
stereoskopowego odtwarzania obiektów. Oglądany, przez
odpowiednio przygotowaną płytę fotografi-czną, zwaną
hologramem, obraz, stanowi plastyczną kopię, dającą peł-
nowartościową informację o fotografowanym obiekcie.

Uzyskiwanie informacji przez nas za pomocą zmysłu

wzroku i przyrządów rejestrujących obrazy świetne jest
możliwe tylko dlatego, że obserwowane obiekty zaburzają
padające na nie fale świetne, lub też same takie fale
emitują. Aby zarejestrowany obraz optyczny obserwowa-
nego obiektu był optycznie równoważny z obiektem
rzeczywistym, o-prócz rozkładu natężenia światła
(informacja niesiona przez amplitudy rejestrowanych fal
świetnych) i barwy (informacja zakodowana w często-
tliwości fal) powinien zawierać również informację o
fazach fal świetnych ukształtowanych przez przedmiot.
Takie obrazy możemy otrzymać za po-mocą metod
holograficznych (nazwa pochodzi od greckiego słowa
holo-grapheo oznaczającego pisanie w całości , bez
skracania).

Otrzymanie

ze

światła

zaburzonego

przez

przedmiot informacji o samym przedmiocie należy
rozkład amplitudy i fazy fal zaburzonych przez ten
przedmiot przetransformować na rozkład natężenia
światła możliwy do zarejestrowania przez detektor (taki
jak klisza fotograficzna czy detektor elektroniczny w
kamerze wizyjnej).

Proces ten sprowadza się fizycznie do dwóch

zagadnień :
analizy przedmiotu poprzez fale padające i
transformacji fal rozpro-szonych w rozkład
natężenia na powierzchni detektora.

Nierozdzielność rozkładu amplitudy i fazy w

klasycznej rejestra-cji obrazów ogranicza zakres
dostępnej informacji o przedmiocie. Do-stępne detektory
(łącznie z ludzkim okiem) wiernie rejestrują obrazy
przedmiotów płaskich, natomiast deformują obrazy
przedmiotów trójwymiarowych.

Holografia jest sposobem zapisu oraz odtwarzania

amplitudy

i

fazy

pola

dyfrakcyjnego

poprzez

wykorzystanie zjawiska interferencji fali o nieznanym
rozkładzie fazowym pochodzącej od przedmiotu z falą
wzorcową tzw falą odniesienia

fale oœ

wietlaj¹ce przedmiot

obraz pierwotny obraz wtórny

przedmiot

fale przedmiotowe

obserwator

fale odniesuienia p³ytka œ

wiat³oczu³a fale odtwarzaj¹ce hologram

a) b)

W wyniku oddziaływania obu tych fal powstaje

pole

interfe-rencyjne.

Na

każdej

płaszczyźnie

przecinającej

takie

pole

minima

i

ma-ksima

interferencyjne tworzą określoną strukturę. Przy
zastosowaniu światła monochromatycznego w cienkiej
płytce fotograficznej jest ona rejestrowana jako układ
ciemnych i jasnych prążków interferencyjnych a w
grubym ośrodku światłoczułym jako układ jasnych i
ciemnych po-wierzchni. Jeżeli taki zarejestrowany
hologram oświetli się falą identy-czną jak fala
odniesienia, to w wyniku ugięcia dyfrakcyjnego na tym
obrazie interferencyjnym powstanie fala będąca jak
gdyby dalszym ciągiem fali badanej

Dla wiernego odtworzenia zarejestrowanej fali od

obiektu

nazywanej

falą

przedmiotową,

fala

odtwarzająca musi wiernie odtwarzać falę odniesienia
użytą przy formowaniu hologramu tzn. Musi padać na
hologram z tej samej strony, z tego samego kierunku i
pod tym samym kątem, co, fala odniesienia w czasie
zapisu.

Ugięcie fali odtwarzającej następuje w dwóch

kierunkach i za hologramem oprócz wiązki nieugiętej
powstają dwie wiązki fal ugię-tych. Jedna z tych wiązek
jest jak gdyby przedłużeniem fali przedmio-towej i
obserwator ma wrażenie oglądania rzeczywistego
przedmiotu

przez

okienko

hologramu.

Dzieląc

hologram na mniejsze części nie ograniczamy
wielkości obrazu pozornego zwanego pierwotnym,
ale zmniejsza się możliwość zmian punktu
obserwacji, podobnie jak to ma miejsce wówczas
gdy maleją wymiary okienka przez które
prowadzimy obsrwację. Zmniejszanie wymiarów
hologramu dopóty nie wpływa na jakość obrazu dopóki
nie są one porównywalne z wymiarem źrenicy oka.
Dalsze zmniejszanie wymiarów hologramu pogorszenie
jakości obrazu, jego kontury ulegają rozmyciu.

Obraz

całkowicie znika przy wymiarach hologramu rzędu
długości fali światła użytego przy jego formowaniu.

Druga wiązka fal tworzy również wierny obraz

przedmiotu zwany obrazem wtórnym przy czym oba
obrazy są swoim zwierciadla-nym odbiciem. Dla
obserwatora oglądającego obraz wtórny – przed-miot
jest zawieszony w przestrzeni przed hologramem.

Źródłem światła tworzącym oba obrazy jest

hologram. Do oka obserwatora docierają promienie
rozchodzące się w nieskończonym ostrosłupie, którego
jeden z przekrojów stanowi hologram, a w wierz-chołku
znajduje się oko. Obserwator będzie widział ostro tylko
te fra-gmenty obrazów, które mieszczą się w tak
wyznaczonym ostrosłupie. Do obejrzenia innych
fragmentów obrazu należy zmienić punkt obser-wacji.

Jeżeli grubość hologramu jest dużo większa od

odstępu pomię-dzy prążkami na płaskim hologramie,
przestrzenny układ pola interferen-cyjnego zostaje
zapisany w postaci powierzchni interferencyjnych.

Przy oświetleniu falą nie monochromatyczną,

hologram taki sam wybiera z wiązki świetlnej
światło o właściwej barwie, dzięki czemu można
uzyskać dobrej jakości obrazy nawet w świetle
słonecznym, czy żarówki. Barwa i ostrość obrazu są
tym bliższe oryginalnym im grubszy ośrodek jest
stosowany do zapisu hologramu

.

Jeżeli

hologram

po

wykonaniu

nie

został

pomniejszony lub powiększony to obraz pierwotny jest
wierną kopią przedmiotu, natomiast obraz wtórny jest na
ogół zniekształcony.

Holografia znajduje swoje zastosowanie zarówno

w technice rejestracji obrazów dla celów artystycznych
jak również dla celów naukowych i technicznych przy
określaniu stanu odkształceń i naprężeń oraz
defektoskopii elementów konstrukcyjnych i części
maszyn, do analizy drgań mechanicznych, realizacji
systemów zapisu i odtwarzania informacji, optycznego
przetwarzania informacji wykorzystywanego m.in. do
identyfikacji obiektów w daktyloskopii, do
porównywania widm w spektroskopii, analizy zdjęć
lotniczych i in.