fiz01_podrecznik_dla_nauczyciela.doc

Podręcznik dla nauczyciela

OD ŁUCZYWA DO LASERA

dr inż. Irena Gronowska

Opis wykładu

Celem wykładu było pokazanie historii odkryć źródeł światła, pokazanie własności światła emitowanego przez kolejnie odkrywane źródła i pokazanie możliwości  i skutków ich stosowania. Niezbędne jest też wyjaśnienie zjawisk fizycznych, wykorzystanych przy konstrukcji źródeł światła. Wiąże się z tym wprowadzenie nowych terminów,  stosowanych przy opisie własności światła i występujących zjawisk.

W prehistorii najwcześniej człowiek poznał światło, którego źródłem było Słońce.  Światło słoneczne umożliwiało wegetację roślin, które dostarczały pożywienia ludziom i zwierzętom, a jednocześnie światło służyło człowiekowi do poznania świata. Umiejętność rozpalenia ogniska, zapalenia łuczywa, czy lampki oliwnej odkryło dalsze możliwości poznawcze. Człowiek zaczął się uniezależniać od warunków przyrodniczych takich jak pory dnia, roku i pogody. Dzięki możliwości oświetlenia powstały pierwsze rysunki naskalne. Pierwsze obrazy zapoczątkowały rozwój sztuki od prymitywnej do bardzo skomplikowanej. Proste rysunki przekształciły się też z czasem w znaki, które służyły do przekazywania informacji i przyczyniły się do rozwoju pisma. Równolegle rozwijały się umiejętności rysowania do celów technicznych – od rysunków przedmiotów życia codziennego do współczesnego rysunku technicznego i współczesnej rejestracji obrazów. W  wieku XIX pojawiły się nowe źródła  światła – lampy naftowe, lampy gazowe i żarówka, które wprowadziły gwałtowny rozwój techniki  i poprawiły komfort życia codziennego w wyniku stosowania sztucznego oświetlenia.

Wszystkie wymienione wyżej źródła światła miały wspólne cechy – emitowały światło we wszystkich kierunkach oraz światło emitowane, tak zwane „białe”, było mieszaniną różnych barw, a używając języka fizyki, było mieszaniną fal elektromagnetycznych o różnych długościach, zmieniających się w sposób ciągły. Szkło było znane już w starożytności, podstawowe przyrządy optyczne, takie jak pryzmat czy soczewka znane są od wieków. Ludzie obserwowali barwne efekty przy przechodzeniu światła przez granice materiałów.  Do czasów Newtona przypisywano je własnościom tych materiałów. Isaac Newton zauważył, że widmo światła białego jest własnością światła. W wieku XVII Wiliam Hyde Wollaston i niezależnie od niego Joseph Fraunhofer (1787 – 1826) odkryli  ciemne prążki w widmie słonecznym. Odkryto widmo prążkowe, którego naturę wyjaśniono później. W wieku XIX Robert Bunsen i Gustav Kirchhoff odkryli, że każdemu pierwiastkowi można przypisać zestaw linii widmowych. Pod koniec XIX i na początku XX wieku powstały konstrukcje lamp wyładowczych, w których wykorzystano świecenie gazów lub par metali podczas wyładowań elektrycznych. Najpopularniejszymi z tych lamp są stosowane do chwili obecnej -  lampy neonowe i rtęciowe. Widmo emisyjne tych lamp składa się z pojedynczych długości fali.

Początek XX wieku, to gwałtowny rozwój fizyki teoretycznej. Niels Bohr sformułował postulaty odnoszące się do budowy wodoru. Model przewidywał stany stacjonarne atomu i emisję lub absorpcja promieniowania w postaci kwantów (porcji) energii w wyniku przejścia elektronu pomiędzy stanami stacjonarnymi.

gdzie hn - energia kwantu promieniowania,

h – stała Plancka,

n – częstość fali,

E1, E2 – energie całkowite atomu w stanie początkowym i końcowym.

Na podstawie modelu Bohra można wyznaczyć częstości emitowanego promieniowania, które są zgodne z wynikami doświadczalnymi.

Widmo emitowane przez pojedynczy atom nazywamy liniowym. Model Bohra dobrze opisuje atom wodoru i atomy wodoropodobne, dla atomów o bardziej skomplikowanej budowie nie jest odpowiedni. Stanowił jednak przełomową nowoczesną teorię uwzględniającą kwantowanie pędu i energii oraz pewien punkt wyjścia do rozwiązywania problemów budowy atomu.

Do celów badawczych i dydaktycznych jako źródła o widmie liniowym w laboratoriach stosowane są lampy neonowe, wodorowe, sodowe, … . Lampy te są nazywane również lampami spektralnymi.

Spektrometry optyczne pozwalają badać substancje emitujące tak zwane widma pasmowe – promieniowanie emitowane w pewnym przedziale długości fal. Źródłem widm pasmowych są substancje zbudowane z cząsteczek. Charakter emitowanego widma zależy od struktury elektronowej substancji.  W związku z tym zależy od stanu skupienia ciała, jak niżej pokazuje to tabela. Jeżeli jednak w jakiś sposób możemy wpłynąć na elektronową  strukturę energetyczną, to również możemy zmienić charakter widma.

Opisane wyżej widma  powstawały w wyniku emisji spontanicznej.

Na początku XX wieku powstała idea emisji wymuszonej. Przewidziała ją praca Alberta Einsteina z roku 1917 na temat spontanicznej i wymuszonej emisji oraz absorpcji promieniowania elektromagnetycznego. Dyskusję na temat emisji wymuszonej podjęli inni fizycy teoretycy, a następnie eksperymentatorzy. Pierwszy udany eksperyment otrzymania emisji wymuszonej został zrealizowany w zakresie mikrofal w roku 1954. Urządzenie to nazwano maserem.

Pierwszy laser zbudowany został w Hughes Research Aicraft Laboratory w Kalifornii przez T. H. Maimana. Materiałem, w którym zachodziła emisja wymuszona był rubin. Następnie powstały lasery gazowe – atomowe, jonowe i molekularne.  Obecnie istnieje wiele różnych rozwiązań konstrukcji laserów – barwnikowe (cieczowe), lasery rentgenowskie, lasery na ciele stałym,  stałym, w tym lasery półprzewodnikowe. Lista konstrukcji nie jest zamknięta. Lasery półprzewodnikowe są obecnie bardzo dynamicznie rozwijającą grupą laserów.

Podstawowymi elementami każdego lasera są: ośrodek aktywny, układ pompowania optycznego i rezonator optyczny.

• Ośrodek aktywny ma realizować wzmocnienie fali świetlnej, stanowi go zbiór atomów, cząsteczek, jonów, materiał półprzewodnikowy.
• Układ pompujący – zadaniem tego układu jest doprowadzenie atomów ośrodka aktywnego do takiego stanu, aby liczba atomów N2 w wyższym stanie energetycznym (E2) była większa od liczby atomów N1 w niższym stanie energetycznym (E1)

              N2 > N1  dla E2 > E1 – inwersja obsadzeń.

·         Rezonator optyczny ma za zadanie podtrzymanie drgań  o jednej częstotliwości.

Podstawowe własności promieniowania laserowego:

·      spójność  przestrzenna (koherencja przestrzenna) – oznacza, że poprzeczny  przekrój wiązki jest powierzchnią stałej fazy fali,

• monochromatyczność – długość fali odpowiada długości fali wzbudzonego promieniowania wymuszonego, do której dostrojony jest rezonator lasera.

Ze względu na swoje własności i szeroki zakres mocy promieniowania lasery znalazły zastosowania w bardzo wielu dziedzinach nauki, techniki, medycyny i życia codziennego. Oto niektóre z nich: badania powierzchni materiałów, precyzyjna obróbka materiałów, znakowanie narzędzi, wykorzystywanie wiązki laserowej jako nośnika informacji w telekomunikacji, skalpel laserowy w chirurgii, dalmierze geodezyjne, wskaźniki laserowy, element drukarki laserowej, broń laserowa…

Istnieją lasery emitujące podczerwień, promieniowanie widzialne, ultrafiolet, a nawet promieniowanie rentgenowskie.  Moc promieniowania wynosi od miliwatów do megawatów.

Lasery półprzewodnikowe

Generację fotonów uzyskuje się w wyniku przejścia nadmiarowych elektronów z pasma przewodnictwa do pasma podstawowego. Jest to proces rekombinacji promienistej par elektron - dziura, zachodzący w półprzewodnikach o tak zwanej prostej przerwie wzbronionej. Inwersja obsadzeń otrzymywana jest w wyniku przepływu znacznego prądu przez złącze p-n spolaryzowane w kierunku przewodzenia. Obszar aktywny ma większy współczynnik załamania niż obszary sąsiednie, powstaje w ten sposób falowód optyczny, co podnosi wydajność procesów emisji wymuszonej.

Słowik kluczowych pojęć

Barwa – termin niefizyczny opisujący naszą ocenę wzrokową wyglądu ciała, terminem fizycznym jest długość fali, ponieważ można ją zmierzyć.

Dioda elektroluminescencyjna – dioda półprzewodnikowa, emitująca promieniowanie optyczne. Spolaryzowana jest w kierunku przewodzenia. Przy znacznym prądzie diody zachodzi zjawisko rekombinacji promienistej i dioda staje się źródłem światła.

Emisja spontaniczna – zjawisko emitowania promieniowania elektromagnetycznego przez atomy lub cząsteczki, które przechodzą bez żadnej przyczyny wewnętrznej ze stanu energetycznie wyższego do stanu niższego

Emisja wymuszona, emisja stymulowana - zjawisko emitowania promieniowania elektromagnetycznego przez atomy lub cząsteczki, które pod wpływem oddziaływania z padającym na nią promieniowaniem elektromagnetycznym o odpowiedniej częstości przechodzą  ze stanu energetycznie wyższego do stanu niższego. Ważną cechą emitowanego promieniowania jest spójność, odróżniającego je od promieniowania powstałego w wyniku emisji spontanicznej

Kwanty świetlne – porcje energii w trakcie aktów emisji lub absorpcji promieniowania optycznego, opisane wzorem:

gdzie h – stała Plancka h = 6.626 • 10-34 J · s

n – częstość fali

c – prędkość światła

l – długość fali

Laser - (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)  jest generatorem promieniowania elektromagnetycznego, charakteryzującego się monochroma-tycznością i kierunkowością, dużą gęstością mocy spektralnej oraz wysokim stopniem spójności czasowej i przestrzennej.

Neonówka – lampa wyładowcza zawierająca neon

Promieniowanie optyczne – promieniowanie elektromagnetyczne obejmujące pasmo podczerwieni, widzialne, ultrafioletu.

Półprzewodniki – najczęściej są to ciała stałe o budowie krystalicznej, przewodność ich silnie zależy od temperatury i od oświetlenia, własności zmieniają się z zawartością zanieczyszczeń, lub domieszek. Własności półprzewodników wyjaśniane są za pomocą modelu pasmowego energii elektronów. Odpowiedzialne za przewodzenie prądu są dwa pasma – przewodnictwa i walencyjne. Istnieją dwa rodzaje nośników prądu: elektrony w paśmie przewodnictwa i dziury (brak elektronu) w paśmie walencyjnym. Stopień zapełnienia pasm zależy od temperatury. Między tymi pasmami jest energetyczna przerwa wzbroniona, aby ją pokonać elektron musi otrzymać porcję energii. Przy powrocie  z powrotem do pasma walencyjnego elektron oddaje energię, dla pewnej grupy półprzewodników jest to energia promienista. Czyste półprzewodniki mają taką samą ilość elektronów i dziur, domieszkowanie pozwala otrzymać nadmiarowe elektrony lub dziury. Mówimy wtedy o obszarach o przewodności elektronowej lub dziurowej. Jeżeli w pewnym krysztale wytworzone zostaną obszary o różnym typie przewodności, to na granicy powstanie warstwa zubożona w nośniki. Kryształ taki wykazuje własności prostujące (złącze p-n) i staje się diodą półprzewodnikową.

Siatka dyfrakcyjna – przyrząd optyczny używany w spektrometrii do otrzymywania widm optycznych lub pomiaru długości fali, działający na zasadzie dyfrakcji i interferencji. Najprostszą siatką dyfrakcyjną jest płytka z równoległymi rysami (nacięciami). Odległość rys od siebie nazywana jest stałą siatki. Wyraźny obraz dyfrakcyjny otrzymuje się wówczas, gdy stała siatki jest porównywalna z długością fali.

Spektrometr promieniowania optycznego -  urządzenie pozwalające na badanie widma optycznego, w spektrometrze wykorzystuje się rozczepienie światła przez pryzmat, lub ugięcie przez siatkę dyfrakcyjną

Światłowód – element służący do prowadzenia promieni świetlnych. Najpopularniejszy, stosowany w telekomunikacji,  jest światłowód cylindryczny, prowadzący promienie w wyniku kolejnych odbić wewnątrz cylindrycznego rdzenia. Istnieją też inne konstrukcje, na przykład w postaci pasków – światłowody paskowe.

Widmo promieniowania optycznego – przestrzenne rozdzielenie światła niemonochromatycznego na wiązki monochromatyczne lub obraz. We współczesnych spektrometrach widmo może być również rejestrowane w postaci zależności natężenia światła od długości fali.

Opis ujęcia holistycznego

Tradycyjne źródła światła przyczyniły się do rozwoju aktywności człowieka we wszystkich dziedzinach. Przedstawione jest to w Opisie wykładu.  Natomiast współczesne źródła – laser i diody półprzewodnikowe stosowane są we wszystkich dziedzinach działalności człowieka związanej z eksperymentem naukowym, techniką, bądź każdym innym praktycznym zakresem działalności człowieka. Wystarczy zauważyć, że półprzewodnikowe diody elektroluminescencyjne wchodzą w skład każdego komputera, a lasery – prawie każdego oraz stosowane są w drukarkach.

Przykłady zastosowań

Zalety współczesnych diod LED i laserów półprzewodnikowych: trwałość, niski pobór mocy, odporność na zakłócenia.

Projekt współfinansowany z Europejskiego Funduszu Społecznego w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki

6