Populacja stanów energetycznych atomów: a)w równowadze termodynamicznej b) w warunkach inwersji populacji obsadzeń a) b) En>Em→ Nn>Nm → nie ma stanu równowagi 1. absorpcja hv→Nm←mała, słaba apsorpcja 2. emisja wymuszona → Nn, pojawia się dużo nowych hv Zasada działania lasera- Zasadniczymi częściami lasera są: ośrodek czynny, rezonator optyczny, układ pompujący. Układ pompujący dostarcza energii do ośrodka czynnego, w ośrodku czynnym w odpowiednich warunkach zachodzi akcja laserowa, czyli kwantowe wzmacnianie (powielanie) fotonów, a układ optyczny umożliwia wybranie odpowiednich fotonów. Właściwości promieniowania laserowego - Mała szerokość lini widmowej (monochromatyczność). Generacja jednocząstkowości. - Mała rozbieżność wiazki laserowej (zmniejszenie rozbieżności teleskopu) - Spójność (interferencja czyli nakładanie się dwóch fal) - Duża jasność energetyczna Spójność- Rozróżniamy spójność przestrzenną i czasową. Światło spójne jest skłonne do interferencji tzn. ,że dwa ciągi falowe wyodrębnione z wiązki takiego światła interferują ze sobą. Jeśli interferują dwa ciągi falowe emitowane z różnych punktów lasera to mówimy o spójności przestrzennej. Parametry wiązki Gaussowskiej -Promień wiązki gausowskiej W(z) z=const - Promień wiązki gaussowskiej - Moc wiązki gaussowskiej - TEM00 wiązki gausowskiej Promień wiązki laserowej zależy od z Budowa Lasera 1- pompa 2- zwierciadło nieprzepuszczające 3- Zwierciadło przepuszczalne 4- Laser Podział laserów: - o pracy ciągłej - impulsowej

Laser- wzmocnienie światła poprzez wymuszoną emisję promieniowania. Jest to generator światła, wykorzystujący zjawisko emisji wymuszonej. Otrzymywane światło ma charakterystyczne właściwości, trudne lub wręcz niemożliwe do osiągnięcia w innych typach źródeł światła, mianowicie: bardzo małą szerokość linii emisyjnej, co jest równoważne bardzo dużej mocy w wybranym obszarze widma. W laserach łatwo uzyskać wiazkę spolaryzowaną, spójną w czasie i przestrzeni oraz o bardzo małej rozbieżności. W laserach impulsowych można uzyskać bardzo dużą moc w impulsie oraz szybkie narastanie impulsu.

Ośrodek czynny- Oddziaływanie światła z materią można wyjaśnić za pomocą trzech zjawisk: pochłanianie fotonów (absorpcja), emisji spontanicznej oraz emisji wymuszonej fotonu.

Układ pompujący- Zadaniem układu jest przeniesienie jak największej liczby elektronów w substancji czynnej do stanu wzbudzonego. Układ musi być wydajny tak by doszło do inwersji 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.

Układ optyczny- O ile ośrodek czynny traktujemy jako generator fali elektromagnetycznej, to układ optyczny pełni rolę sprzężenia zwrotnego dla wybranych częstotliwości, dzięki czemu laser generuje światło tylko o jednej częstotliwości ( z niewielkimi odchyleniami). Układ optyczny, składający się zazwyczaj z dwóch dokładnie wykonanych i odpowiednio ustawionych zwierciadeł (z czego przynajmniej jedno jest częściowo przepuszczalne) stanowi rezonator dla wybranej częstotliwości i określonego kierunku ruchu fali i tylko te fotony, dla których układ optyczny jest rezonatorem, wielokrotnie przebiegają przez ośrodek czynny wywołując emisję kolejnych fotonów spójnych z nimi.

Inwersja obsadzeń- Przez inwersję obsadzeń rozumie się przeniesienie elektronów z poziomów wyższych na poziom metatrwały, w taki sposób aby zyskać na nim ilościową przewagę elektronów nad poziomem o wyższej energii.

Absorpcja (osłabienie promieniowania)- proces pochłaniania energii fali przez ciało. W procesie absorpcji (także emisji) światło zachowuje się jak cząstka elementarna i może być pochłaniane tylko w porcjach zależnych od częstotliwości światła.

Zjawisko to opisuje poprawnie mechanika kwantowa. Kwant energii fali przenoszony jest przez foton, który zderza się z cząstka, np. elektronem, czy jądrem atomowym. Cząstka pochłania zawsze całą energię fotonu i tylko wtedy, gdy pozwalają jej na to jej dopuszczalne stany kwantowe.

W wyniku absorpcji światła przechodzącego przez substancje (np. gaz) z widma światła zostają usunięte pochłaniane częstotliwości, na tej podstawie można stwierdzić przez jakie substancje przechodziło światło. Zjawisko to służy do badania składu chemicznego mieszanin związków chemicznych, gazów otaczających gwiazdy, obłoków gazowych we wszechświecie, jest to spektroskopia absorpcyjna.

Ilościową miarą wielkości absorpcji są transmitancja i absorbancja promieniowania. Wielkość absorpcji światła można obliczyć na podstawie prawa Lamberta-Beera.

Transmitancja- Czasami nazywana transmisją, z reguły wyrażana w %:

I_o - natężenie światła przed absorpcją

I - natężenie światła po przejściu przez absorbujący ośrodek

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 diodę elektroluminescencyjną (LED).

h- 6,62·10-34 J·s →stała Planca

v-(ni) →częstotliwość promieniowania

Liczba emisji spontanicznych ciała, w którym w stanie wzbudzonym jest N atomów określona jest wzorem:

,

gdzie A₂₁ jest stałym dla danego przejścia w danym atomie współczynnikiem emisji (stała wprowadzona przez Einsteina).

Przy braku nowych wzbudzeń prowadzi to do równania określajacego liczbę atomów pozostających w stanei wzbudzenia:

,

gdzie: N(0) początkowa liczba wzbudzonych atomów , τ₂₁ jest czasem życia i wiąże się ze współczynnikiem A, τ₂₁ = (A₂₁)^-1.

Emisja wymuszona (wzmocnienie promieniowania) (stymulowana, indukowana)-proces emisji fotonów przez materię w wyniku oddziaływania z innym fotonem. Foton inicjujący emisję nie jest pochłaniany przez materię, wytwarzany foton ma fazę i częstotliwość taką samą jak foton oryginalny. Zjawisko to odgrywa ważną rolę w emisji fotonów przez ciała a szczególne znaczenia odgrywa w laserach, będąc podstawą ich działania.Zjawisko to zostało przewidziane przez Alberta Einsteina, który zauważył, że bez tego zjawiska nie mogłoby dojść do równowagi między pochłanianiem i emisją ciała oświetlonego przez inne ciało.

Emisja wymuszona jest zjawiskiem odwrotnym do pochłaniania fotonów przez atomy (cząsteczki). Prawdopodobieństwo pochłonięcia fotonu przez atom w stanie o mniejszej energii jest takie samo jak prawdopodobieństwo emisji wymuszonej atomu wzbudzonego, dlatego o wielkości emisji/pochłaniania ośrodka decyduje różnica liczby atomów w stanie wzbudzonym i podstawowym.

---