Wykład

Temat: Podstawowe wiadomości o laserach.

A w nim: Przypomnienie zasad funkcjonowania laserów. Omówienie cech światła laserowego. Wykorzystanie laserów w geodezji.

Warunki uzyskania akcji laserowej:

1. Obecność stanów niestabilnych w materiałach.

Nie wszystkie materiały nadają się na lasery. Akcję laserową możemy uzyskać tylko w takich materiałach, w których istnieją poziomy niestabilne , tj. takie, w których czas życia jest co najmniej o rząd wielkości dłuższy, niż na innych poziomach energetycznych.

Rys.1 Emisja spontaniczna i wymuszona

2.Pompowanie atomów do stanów metastabilnych.

Ze względu na naturalną skłonność otaczających nas pierwiastków i struktur do przebywania w stanach energetycznych podstawowych, należy je wzbudzić do wyższych poziomów przez dostarczenie im energii. Czynność ta zwana jest pompowaniem.

Rys.2 Rezonator Fabry-Perota

Rys.3 Pompowanie w laserze półprzewodnikowym

 

3.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.

Rys.4 Inwersja obsadzeń

 

4.Emisja wymuszona.

Zjawisko emisji wymuszonej zostało opisane przez A.Einsteina i polega ono na emisji fotonów z danego układu spowodowanej przejściem przez układ fotonów wymuszających o określonej energii.

E=hv

gdzie:
h - stała Plancka
v - częstotliwość fotonu

Cechy emisji wymuszonej:

• promieniowanie ma tą samą częstotliwość co promieniowanie wymuszające

• promieniowanie ma ten sam kierunek co promieniowanie wymuszające

• promieniowanie ma tą samą fazę co promieniowanie wymuszające

5.Optyczne sprzężenie zwrotne.

Optyczne sprzężenie zwrotne zapewnia generowanie wiązki laserowej o dużych mocach, które mogą opuścić układ i być wykorzystane w celach użytkowych.

 

Klasyfikacja laserów

1.Lasery na ciele stałym (neodymowy, rubinowy)
2.Lasery gazowe

• atomowe (helowo-neonowe)

• cząsteczkowe

• jonowe

• ekscymerowe

3.Lasery barwnikowe (barwnik organiczny w ciekłym roztworze)
4.Lasery półprzewodnikowe (diody laserowe)
5.Lasery światłowodowe
6.Lasery na swobodnych elektronach (FEL)

Cechy światła laserowego

 

Z samego zjawiska emisji wymuszonej wynikają następujące, podstawowe cechy światła laserowego:

1.Monochromatyczność - ciąg falowy ma tę samą długość fali

2.Równoległość promieniowania

3.Uporządkowanie czasowo-przestrzenne emitowanej fali, które nazywamy koherencją lub spójnością
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. Jeśli interferują ciągi falowe emitowane z tego samego punktu lasera ale w różnym czasie, to mówimy o spójności czasowej. Eksperyment, którym możemy sprawdzić czy laser emituje promieniowanie spójne (spójność przestrzenna) jest doświadczenie z oświetleniem wiązką laserową dwóch szczelin.

Rys.5 Interferometr Michelsona

Natężenie światła w punkcie P:

 

gdzie:
I - natężenie w punkcie P pochodzące od wiązki 1 i 2
Ip - natężenie całkowite w punkcie P

- współczynnik koherencji prążków interferencyjnych

- różnica faz między promieniami r 1 i r 2

Spójność czasową można wykazać poprzez przeprowadzenie eksperymentu z interferometrem Michelsona.

Rys.6 Interferometr Michelsona

Klasyfikacja funkcji i zastosowania laserów w geodezji

Funkcje

1.Wizualizacja w przestrzeni linii, płaszczyzn i punktów pomiarowych

a) poziomych

• niwelatory laserowe

• niwelatory optyczne z laserami lub nasadkami laserowymi

b) pionowych

• pionowniki laserowe

• pionowniki optyczne z laserami

c) dowolnie nachylone

• teodolity laserowe

• teodolity optyczne z laserami

• rzutniki, projektory laserowe

• aliniometry laserowe

• inne

2. Źródła fali nośnej i pomiarowej w dalmierzach optoelektrycznych

• elektrooptyczne dalmierze laserowe

• interferometry laserowe

3.Sterowanie położeniem, kierunkiem i pracą maszyn

Literatura:

A.Płatek "Geodezyjne dalmierze elektromagnetyczne i tachimetry elektroniczne"

A.Płatek "Elektroniczne techniki pomiarowe w geodezji"

Holejko "Precyzyjne elektroniczne pomiary w geodezji"

---