Descriere referat

| Referate biologie | Recomanda unui prieten | Trimite prin YM

I.Evolutie istorica

“LASER” reprezinta acronimul pentru “Light Amplification by Stimulated Emision of Radiation”.
Conceptul de “emisie stimulata” a fost sugerat in 1917 de catre profesorul Albert Einstein, ceea ce a dus la descoperirea in 1960 a ruby-laserului de catre T. Maiman. La 6 luni dupa descoperirea acestuia, A.Javan a produs radiatie laser intr-o mixtura de gaze He-Ne, in timp ce la sfarsitul anului 1962 M. Nathan, R. Hall si T. Quist au produs emisie de radiatie laser prin semiconductori.
De atunci si pana acum s-au descoperit numeroase alte medii care pot sustine producerea laserilor, printre care enumeram: gazele ionice si moleculare(He-Ne, CO2, argon, excimeri) , cristale sintetice(rubin, Nd:YAG, Er:YAG, alexandrit), solutiile colorate.



II. Fizica laserului

1.Principiile laserului

Pentru a creea radiatia laser, sunt necesare patru conditii de baza:
i. mediul activ care sa poata emite radiatii in campul optic al unui spectru electromagnetic;
ii. inversia populationala produsa in mediul activ;
iii. mecanism de excitare care produce inversia populationala;
iv. rezonatorul optic care suporta frecventa de oscilatie, furnizand reactia pozitiva pentru amplificarea radiatiei de emisie spontana.


i. Mediul activ si nivelele energetice

Mediul activ poate fi o colectie de atomi, molecule sau ioni.
Consideram o diagrama de energie simplificata intr-un model de gaz ce reprezinta o colectie de atomi prin care examinam procesele clasice: absobtie stimulata si emisie spontana, precum si noul proces de emisie stimulata.
Atomii gazului sunt caracterizati de doua stari energetice:stare non- excitata E0 si starea excitataE1, cu E1>E0, separate de o distanta care corespunde unei energii E10=E1-E0 sau unei frecvente 10=E10/h, unde h este constanta lui Planck (fig. 1).Cand o unda electro-magnetica traverseaza prin sistem cu o frecventa 10, atomii din nivelul E0 absorbenergie si se urca intr-o stare superioara E1, proces numit absorbtie stimulata. In paralel cu procesul de absorbtie, are loc si un proces de emisie, prin care atomii din stadiul E1 trec in stadiul E0 printr-un proces rapid, repopuland nivelul E0. Procesul de reantoarcere al atomilor excitati din nivelul E1 in nivelul E0 poate avea loc in doua moduri; fie spontan, fie stimulat( in procesul de emisie stimulata, energia este adaugata in final undei stimulante), aceast implica ca fotonului care determina emisia stimulata I se adauga un al doilea foton care are aceeasi lungime de unda si aceeasi faza.
Astfel atomii care emit radiatii printr-un proces spontan emit dezordonat in timp, in timp ce atomii care emit radiatii dupa stimulare, emit in faza cu radiatia stimulanta.
Cele trei procese descrise se desfasoara simultan. Rata cu care atomii din nivelul E1 se misca spontan spre nivelul E0 este caracterizat de constanta A10, numita coeficientul Einstein de emisie spontana. Aceasta inseamna ca emisia spontana este N1A1( N1 reprezinta numarul de atomi din nivelul E1). Emisia stimulata si absorbtia au loc numai cand exista o radiatie externa. Einstein a aratat ca rata absobtiei stimulate este data de relatia N0B01(unde N0 reprezinta numarul de atomi din nivelul N0;  reprezinta densitatea spectrala a radiatieiin Js/m3 si B01 reprezinta coeficientul de emisie stimulata Einstein).
Se poate demonstra ca la echilibru coeficientulA10 este egal cu B10:
A10=8h10B10/c3-relatia Einstein, unde c este viteza luminii in vid.
Daca consideram un material cu coeficientul de absorbtie “a”, cu diferenta populationala(Ni-Nj) a doua nivele energetice aleatorii Ei si Ej, a unui model atomic mai complicat, cu EiNj avem:

A=Bij(Ni-Nj)hij/4c>0,
Ceea ce inseamna ca avem absorbtia radiatiei din mediu.





ii. Inversiunea populationala si mecanismul de excitare

Pentru Ni-Nj<0 (Nj>Ni), atunci a<0, daca un fascicul de lumina cu frecventa ij trece prin sistem, atunci acest fascicul este amplificat, in loc sa fie absorbit.
Din pacate conditia Ni-Nj<0 nu este niciodata satisfacuta la echilibru termic, deoarece dupa statistica lui Boltzman Nj poate fi foarte aproape de Ni, dar niciodata Nj>Ni.
Astfel ca singura posibilitate prin care putem obtine Nj>Ni este de a aduce atomii din mediul activ intr-o stare in care distributia echilibrului termic este invalid, prin ajutorul unei surse de energie externa.Procesul prin care atomii sunt stimulati sau pompati si impinsi spre o stare de distributie termica neechilibrata este numit proces de excitatie, in timp ce starea Nj>Ni este numita inversare populationala. Inversarea populationala are ca rezultat amplificarea luminii cu ajutorul procesului de emisie stimulata.







iii. Rezonatorul optic

La majoritatea laserilor, fasciculul se retrege de mai multe ori in mediul activ datorita unui cuplu de oglinzi care este plasta perpendicular pe axul optic al laserilor. Cu o astfel de cavitate optica, lungimea efectiva a amplificatorului creste de cateva ori. Acest sistem constand din doua oglinzi, un acu reflectivitate totala, iar cealalta cu reflectivitate partiala, ofera feed-back-ul optic cerut si in multe cazuri furnizeaza selectarea frecventei laserului.