OPTOELEKTRONIKA-TEORIA

1.Jonizacja - powstanie jonu z obojętnego atomu lub cząsteczki.

Może się ona odbywać na kilka sposobów:

-poprzez elektryczne oddziaływanie na obojętne cząsteczki, np. bombardowanie ich strumieniem elektronów - w ten sposób generuje się wolne aniony

-poprzez wybicie elektronu z powłok atomowych w wyniku absorpcji kwantu energii lub zderzenia z innym atomem, cząstką lub cząsteczką - w ten sposób generuje się wolne kationy

-poprzez rozpad wiązań chemicznych, w wyniku czego jedna część cząsteczki dostaje oba elektrony wcześniej uczestniczące w wiązaniu, taki rozpad nazywa się dysocjacją elektrolityczną - w ten sposób powstają luźne pary jonowe

-poprzez reakcję chemiczną, w której jedna cząsteczka (donor) dostarcza elektrony drugiej (akceptor) jednak nie ulegają przy tym rozbiciu żadne wiązania - nazywa się to jonizacją chemiczną - w ten sposób również powstają luźne pary jonowe

2. Deekscytacja -jest przejściem jądra atomowego od stanu wzbudzonego do stanu o niższej energii, którym może być zarówno stan podstawowy jak i wzbudzony. Podczas deekscytacji jądra liczby atomowa i masowa pozostają nie zmienione (
=
oraz
=
);

zmienia się tylko struktura jądra

3.Wzbudzenie atomu-polega na przeniesieniu jednego lub kilku elektronów na wyższy poziom energetyczny

4. Kwant - najmniejsza porcja, jaką może mieć lub o jaką może zmienić się dana wielkość fizyczna w pojedynczym zdarzeniu; np. kwant energii, kwant momentu pędu, kwant strumienia magnetycznego, kwant czasu.

5.Kwant energii - (w mechanice kwantowej) porcja energii jaką może pochłonąć lub jaką może przekazać układ w pojedynczym akcie oddziaływania z innym układem (np. atom z fotonem)

gdzie ν oznacza częstość promieniowania, h stałą Plancka.

6. Absorpcja promieniowania- pochłanianie energii fal (elektromagnetycznych, akustycznych, promieniowania korpuskularnego) w układach materialnych. Dla różnych rodzajów promieniowania mechanizm absorpcji jest odmienny. W wielu przypadkach absorpcja ma charakter rezonansowy.

7.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).

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

,

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

8.Emisja wymuszona (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 znaczenie odgrywa w laserach, będąc podstawą ich działania.

9. Równowaga termodynamiczna - pojęcie stosowane w termodynamice. Oznacza stan, w którym makroskopowe parametry układu, takie jak ciśnienie, objętość i wszystkie funkcje stanu, są stałe w czasie. Na równowagę termodynamiczną składają się: równowaga chemiczna (brak makroskopowego przepływu cząstek i reakcji chemicznych), mechaniczna (nie występują niezrównoważone siły) i termiczna (nie występuje przepływ energii).

10. Poziom energetyczny - wartość energii stanu dostępnego dla cząstki. Poziom fermionu może być zdegenerowany, jeśli dana wartość energii cechuje więcej niż jeden stan.

10.Rozkład Maxwella-Boltzmanna- podaje jaki ułamek molowy ogólnej liczby cząsteczek gazu doskonałego porusza się w danej temperaturze z określoną szybkością - zależność ta ma charakter gęstości prawdopodobieństwa. Założeniem jest równowaga termiczna gazu.

11.Rozkład Boltzmanna - bardzo ogólne, powszechnie stosowane w fizyce i chemii, równanie określające sposób obsadzania poziomów energetycznych przez atomy, cząsteczki lub inne indywidua cząsteczkowe (cząstki) w stanie równowagi termicznej.

Równanie Boltzmanna pozwala okreslić tzw. funkcję rozkładu energii dla układów zawierających tak duże liczby obiektów, że stosują się do tzw. prawa wielkich liczb i można stosować do nich metody termodynamiki statystycznej, np. do gazu doskonałego lub gazu rzeczywistego. Przy stosowaniu rozkładu Boltzmanna nie jest wymagana szczegółowa wiedza na temat charakteru poziomów energetycznych.

W najprostszej postaci przedstawia stosunek obsadzeń Ni/Nj przez obiekty mikroskopowe dla dwu stanów "i", "j" różniących się energią:

gdzie:

Ni, Nj - liczba obiektów w stanach "i", "j"

ΔEij = Ei − Ej - różnica energii dla stanów "i", "j"

k - stała Boltzmanna, k = R/NA (R - (uniwersalna) stała gazowa, NA - stała Avogadra)

T - temperatura

12.Energia kinetyczna to energia ciała, związana z jego ruchem. Dla ciała o masie m i prędkości v<c, gdzie c jest prędkością światła w próżni, energia kinetyczna wynosi:

13.Energia potencjalna jest to energia jaką posiada element umieszczony w polu potencjalnym. Energię potencjalną zawsze definiuje się względem jakiegoś poziomu zerowego. Podobnie jak pracę, energię potencjalną mierzy się w dżulach [J]. Energia potencjalna ciała zależy od jego położenia względem drugiego ciała, z którym oddziałuje.Gdy położenie to ulega zmianie, zmienia się również energia potencjalna ciała.W przypadku energii potencjalnej grawitacji, mówiąc o zmienie położenia mamy na myśli zmianę jego wysokości nad Ziemią. Przyrost energii potencjalnej grawitacji ciała jest równy pracy siły zewnętrznej, wykonanej przy jego podnoszeniu na wysokość h ruchem jednostajnym.Siła zewnętrzna równoważy wówczas siłę grawitacji. Energię potencjalną grawitacji ciała o masie m umieszczonego na wysokości h nad tak zwanym poziomem zerowym obliczamy za pomocą iloczynu m masy, g grawitacji i h wysokości.

14.Inwersja obsadzeń-w mechanice statystycznej pojęcie określajace stan układu w którym w stanie o energii większej (wzbudzonym) jest większa liczba cząstek niż w stanie o energii niższej (podstawowym).

Inwersja obsadzeń jest fundamentalnym pojęciem umożliwiajacym zrozumienie działania lasera.

Rozkład Boltzmanna

Jeżeli układ statystyczny (atomów) składa się z wielu prostych układów, z których każdy może przyjmować jeden z dwóch stanów

poziom podstawowy o energii E1, lub

poziom wzbudzony o energii E2, przy czym E2>E1.

Liczba atomów w stanie podstawowym jest określona przez N1, a w stanie wzbudzonym przez N2. Różnica energii między poziomami determinuje pochłonięcie lub emisję fotonu o częstości ν21 określonej wzorem

gdzie: h to stała Plancka

Układ ten, zgodnie z rozkładem Boltzmanna, w temperaturze T będzie miał rozkład obsadzeń

gdzie k to stała Boltzmanna

Wnioski z rozkładu Boltzmana:

W temperaturze zera bezwzględnego, wszystkie atomy znajdują się w stanie o niższej energii,

Wzrost temperatury powoduje wzrost liczby atomów w stanie o większej energii

W dowolnej temperaturze w stanie o niższej energii (E1) będzie więcej atomów niż w stanie o wyższej energii (E2).

W sztuczny sposób, porzez dostarczenie energii która przeniesie część atomów ze stanu o niższej energii do stanu o wyższej energii, można doprowadzić układ do stanu, w którym w stanie o energii większej będzi więcej atomów niż o energii mniejszej. Układ taki nie jest trwały i dąży do rozkładu zgodnego z rozkładem Boltzmana.

Stan inwersji obsadzeń jest warunkiem pracy lasera.

15.Laser - nazwa utworzona jako akronim od Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation - 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 wiązkę 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.

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.

16.Laser helowo-neonowy (He-Ne) - laser gazowy o działaniu ciągłym. Substancją roboczą wewnątrz rury próżniowej jest mieszanina neonu pod ciśnieniem 0,1 mm Hg i helu pod ciśnieniem 1 mm Hg (ciśnienia są identyczne, ponieważ oba gazy są wymieszane, ale ich stosunek wynosi ok. 1:10). Hel wzbudzany jest do wyższego stanu przez wyładowanie elektryczne za pomocą odpowiednich elektrod. W wyniku zderzeń z helem atomy neonu wzbudzane są na poziom typu 3, co umożliwia zainicjowanie akcji laserowej. Układ rezonujący tworzą dwa zwierciadła płaskie. Laser helowo-neonowy emituje użyteczną wiązkę światła o długości fali λ = 632,8 nm (część widma widzialnego odpowiadająca czerwieni.

Laser helowo-neonowy był pierwszym działającym typem lasera gazowego. W 1960 zespół z Laboratorium Bella uzyskał falę ciągłą emitowaną przez ten laser. Laser ten jest wykorzystywany w wibratorach.

17.Laser półprzewodnikowy-są to najbardziej perspektywiczne lasery z punktu widzenia ich zastosowań w fotonice ze względu na małe wymiary, dość wysokie moce, łatwość sterowania prądem o wysokiej częstotliwości rzędu nawet gigaherców i możliwość uzyskania promieniowania od pasma bliskiej podczerwieni (diody laserowe dla telekomunikacji światłowodowej) do skraju fioletowego pasma widzialnego.

Laser ten jest wielowarstwową strukturą półprzewodników typu n (nadmiar elektronów w paśmie przewodnictwa) i p (więcej dziur w paśmie walencyjnym). Przejście elektronu do pasma przewodzenia na skutek zasilania prądem (pompowanie) połączone jest z odwrotnym procesem spontanicznym, zwanym radiacyjnym procesem rekombinacji. Proces ten prowadzi do uwolnienia fotonu. Przy dostatecznie dużym prądzie może powstać inwersja obsadzeń, pozwalająca wywołać akcję laserową. Zewnętrzne ścianki falowodu tworzą rezonatry Fabry'ego-Perota.

Warstwa falowodowa ma grubość rzędu 2 μm, co ułatwia uzyskanie inwersji obsadzeń przy małym prądzie, a jej szerokość wynosi 10 μm. Rezultatem takiej budowy warstwy czynnej są duże kąty rozbieżności wiązki, różne w obydwu przekrojach (rzędu 30° odpowiadający grubości 2 μm i ponad 5° dla szerokości 10 μm). W celu zmniejszenia asymetrii wiązki stosuje się dodatkowe układy optyczne (pryzmatyczne lub cylindryczne) mające różne powiększenia w tych przekrojach. Do wad tych laserów należy zaliczyć szersze widmo promieniowania w porównaniu np. z laserem He-Ne i silny wpływ zmiany temperatury na moc długości fali generowanej wiązki.

W fotonice do budowy struktur informatycznych wykorzystuje się również macierze laserów umieszczonych na wspólnym podłożu. Średnice pojedynczych laserów mogą być rzędu kilku mikrometrów. Każdy z laserów może być niezależnie sterowany elektronicznie, stąd macierz laserów tworzy razem powierzchniową strukturę niemal punktowych źródeł promieniowania.

18.Lasery na ciele stałym-przykład

Laser rubinowy - laser na ciele stałym, którego obszarem czynnym jest rubin. Emitowana długość fali jest równa 694,3 nm. Laser ten pracuje w trybie impulsowym.

19.Właściwości promieniowania laserowego:

-monochromatyczność (mono - jeden, chroma - kolor)-określenie promieniowania elektromagnetycznego złożonego z dokładnie jednej częstotliwości (długości fali). W rzeczywistości tak dokładnego promieniowania uzyskać nie można (widmo nigdy nie będzie dokładnie jednym prążkiem).

Określenie zwykle odnosi się do promieniowania elektromagnetycznego w zakresie widzialnym i zbliżonym do widzialnego, jednak może opisywać każdą częstotliwość. Urządzeniem wytwarzającym promieniowanie monochromatyczne jest na przykład laser.

Potocznie promieniowanie w zakresie widzialnym, o charakterze zbliżonym do monochromatycznego nazywane jest barwą prostą.

-mała rozbieżność wiązki laserowej

-spójność

-duża jasność energetyczna

20.Interferencja fal-zjawisko wzajemnego nakładania się fal (elektromagnetycznych, mechanicznych, de Broglie itd.)

21.Propagacja- w fizyce jest to ruch zaburzenia w medium. Jeżeli źródło zaburzenia ma charakter cykliczny to mówi się o propagacji fali.

22.Gaussa rozkład-rozkład normalny, rozkład zmiennej losowej (rozkład prawdopodobieństwa) opisany funkcją (tzw. unormowana funkcja Gaussa) gęstości prawdopodobieństwa, w przypadku jednowymiarowym daną wzorem:

gdzie: m - wartość przeciętna rozkładu, σ - odchylenie standardowe rozkładu.

23.Rozpraszanie Rayleigha (od nazwiska Lorda Rayleigha)- to rozpraszanie światła na cząsteczkach o rozmiarach mniejszych od długości fali rozpraszanego światła. Występuje przy rozchodzeniu się światła w przejrzystych ciałach stałych i cieczach, ale najbardziej efektownie objawia się w gazach. Rozpraszanie Rayleigha na cząsteczkach atmosfery jest przyczyną błękitnego koloru nieba.

24.Dywergencja - operator różniczkowy, który danemu polu wektorowemu przypisuje pole skalarne.

W przypadku pola elektrycznego takimi "źródłami" pola są ładunki, dlatego dywergencja pola elektrycznego jest proporcjonalna do gęstości ładunku w danym punkcie przestrzeni (różniczkowe prawo Gaussa).

Pole wektorowe o zerowej dywergencji nazywamy bezźródłowym. Przykładem takiego pola jest pole magnetyczne (brak monopoli magnetycznych - w przyrodzie obserwuje się wyłącznie dipole).

25.Czoło fali - miejsce geometryczne punktów o tej samej fazie drgań w przestrzeni objętej zaburzeniem falowym. Jeżeli źródło fali jest punktowe, to czołem fali w przestrzeni trójwymiarowej izotropowej jest powierzchnia kuli, w przestrzeni dwuwymiarowej - okrąg.

26.Faza fali - faza drgań punktu ośrodka w którym rozchodzi się fala.

Faza określa w której części okresu fali znajduje się punkt fali.

27.Promieniem krzywizny krzywej w danym punkcie P nazywamy bezwzględną wartość odwrotności jej krzywizny w tym punkcie, obliczonym jednym ze wzorów podanych

poniżej:

28.Fala kulista - fala, której powierzchnie falowe mają kształt współśrodkowych powierzchni kulistych. Środek tych powierzchni nazywamy środkiem fali. Tego typu fale wzbudzane są w jednorodnym ośrodku izotropowym przez pojedyncze źródło punktowe.

29.Fala płaska - jest to fala, której powierzchnie falowe (powierzchnie o jednakowej fazie) tworzą równoległe do siebie linie proste, gdy fala rozchodzi się po powierzchni lub płaszczyzny, gdy rozchodzi się w przestrzeni.

30.Linia widmowa- względnie wąski obszar w widmie emisyjnym lub absorpcyjnym substancji, odpowiadający częstości fali (lub tożsamo: energii fotonów, dualistyczna natura promieniowania) emitowanej lub absorbowanej przez daną substancję.

Wielkością charakteryzującą linię widmową jest jej szerokość linii widmowej, tj. miara niedokładności określenia jej energii. Na obserwowaną szerokość linii widmowej składa się jej szerokość naturalna wynikająca z zasady nieokreśloności Heisenberga (związana z czasem trwania wzbudzenia kwantowego układu) oraz pewne niedoskonałości eksperymentalne, takie jak: poszerzenie doplerowskie wynikające z ruchu (m.in. cieplnego) atomów emitujących i absorbujących światło, poszerzenie aparaturowe itd.

31.Rezonator optyczny

O ile ośrodek czynny traktujemy jako generator fali elektromagnetycznej, to układ optyczny pełni rolę sprzężenia zwrotnego dla wybranych częstotliwości, dzięki czemu laser generuje spójne światło. 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. Pozostałe fotony zanikają w ośrodku czynnym lub układzie optycznym. Dzięki temu laser emituje niemalże równoległą wiązkę światła o dużej spójności.

32.Mod -jest charakterystycznym rozkładem pola elektromagnetycznego odpowiadającym danemu kątowi rozchodzenia się fal w falowodzie. Dla światłowodu mówi się o modach światłowodowych. Powstają one przez odbijanie się na granicy ośrodków płaskich fal elektromagnetycznych rozchodzących się zygzakowato i interferujących ze sobą, nasilając się i wygaszając periodycznie w rdzeniu. W światłowodzie równanie falowe z warunkami brzegowymi i z uwzględnieniem interferencji, ma tylko skończoną, skwantowaną liczbę rozwiązań. Każde rozwiązanie odpowiada jednemu kątowi (względem osi światłowodu) rozchodzenia się drgań elektromagnetycznych tworząc pojedynczy mod o określonych właściwościach. O tym ile modów przenosi dany światłowód decyduje jego apertura numeryczna. Ich rozkład zależy od geometrii elementu prowadzącego promieniowanie, własności optycznych materiału rdzenia i płaszcza oraz od długości rozważanej fali. W zakresie danego modu zachowane są stałość poprzecznego rozkładu pola elektromagnetycznego i jego polaryzacji wzdłuż osi falowodu.

Mody możemy podzielić na:

TE{ Ey, H2, Hx } (Transverse Electric) - mody dla których wielkość pola elektrycznego wzdłuż kierunku rozchodzenia jest zerowa.

TM{ Hy, E2, Ex } (Transverse Magnetic) - mody dla których wielkość pola magnetycznego wzdłuż kierunku rozchodzenia jest zerowa.

TEM (Transverse ElectroMagnetic) - mody dla których wielkość pól elektrycznego i magnetycznego wzdłuż kierunku rozchodzenia jest zerowa.

Hybrydowe - mody nie spełniające powyższych warunków.

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.

Populacja stanów energetycznych atomów:

a)w równowadze termodynamicznej

b) w warunkach inwersji populacji obsadzeń

a)

b)

E_n>E_m→ N_n>N_m → nie ma stanu równowagi

1. absorpcja hv→N_m←mała, słaba apsorpcja

2. emisja wymuszona → N_n, 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

Przekrój poprzeczny modów promieniowania:

TEM₀₀- transfer elektromagnetyczny

Proces kaskadowy

Sprzeżenie zwrotne:

Podział laserów:

- o pracy ciągłej

- impulsowej

Wzmocnienie

Wzmacniacz kwantów:

inwersja obsadzeń

a)enisja wymuszenia hv - duże bo N_n jest duże

b)pochłanianie (absorpscja) kwantów hv jes od liczby padających kwanrów I_in<I_out

Aby uzyskać generator kwantów:

1) inwersja obsadzeń

2) sprzężenie zwrotne

---