LASERY Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
Interakce záření látkou Indukovaná (Stimulovaná) Absorpce Ej
j
Bij
hυij=Ei-Ej
i
Ei
Spontánní Emise
Ej Aji Ei
Indukovaná (Stimulovaná) Emise
j
hυij=Ej-Ei i
Ej hυij=Ei-Ej Ei
Bji
j
2hυij i
Einstein, 1917
Zesilovaní světla stimulovanou emisí záření – princip laseru polopropustné zrcadlo
zrcadlo
1
2x zesilovač
1
2
1 1
1 zrcadlo
zrcadlo
Koherentní záření - směr šíření - vlnová délka - fáze - polarizace
Koherentní optický svazek (laser) Rozbíhavost svazku 50 m na 380 000 km (vzdálenost zem – měsíc) Ohnisková stopa 1/106 mm2
Nekoherentní optický svazek (reflektor automobilu) Rozbíhavost svazku 50 m na 1 km Ohnisková stopa 10 mm2
Rozdělení laserů • Podle rozměru
9 mm www.thorlabs.com
VCSEL laser φ 2 µm http://www.sof-optoelectronics.de/vcsel/vcsel.htm 1000 x 510 x 630 mm
http://www.solarlaser.com/medical.htm http://www.llnl.gov/nif/construction/ proj_status.html
Rozdělení laserů • Podle výkonu 3 mW (žárovka v baterce 100 mW) 1 MW http://www.airbornelaser.com
6J/puls ~ 0,1 MW
43 kJ/puls ~ 8 TW s 4 lasery z plánovaných 192 (Jaderná Elektrárna Dukovany 1760 MW ~ 4000 x méně) http://www.llnl.gov/nif/construction/
Rozdělení laserů Podle oblasti využití
Laser
Podle ceny Diodové lasery – několik centů SDI - Strategic Defense Initiative - ???
Rozdělení laserů SDI - Strategic Defense Initiative Current SBL planning is based on a 20 satellite constellation, operating at a 40° inclination, intended to provide the optimum TMD threat negation capability. At this degree of deployment, kill times per missile will range from 1 to 10 seconds, depending on the range from the missile. Retargeting times are calculated at as low as 0.5 seconds for new targets requiring small angle changes. It is estimated that a constellation consisting of only 12 satellites can negate 94% of all missile threats in most theater threat scenarios. Thus a system consisting of 20 satellites is expected by BMDO to provide nearly full threat negation.
SBLRD Characteristics Weight: 17,500 kg Length: 20.12 m Diameter: 4.57 m Mirror Diameter: 4.0 m Hydrogen fluoride chemical energy powered laser. On board surveillance capabilities. Super reflective mirror coatings allowing for uncooled optics. http://fas.org/spp/starwars/program/sbl.htm
Lasery kolem nás CD-přehrávač CD čočka
detektor
čočka
dělič svazku CD disk Přehrávání CD : -Světlo laserové diody odražené z rotujícího disku je detekováno fotodiodou. -Intenzita detekovaného světla poklesne, když hrana jamek projde ohniskem. -Z délky jednotlivých jamek se dají odečíst a dekódovat digitální informace umístěné na disku.
laserová dioda
Lasery kolem nás Čtečka čárových kódů Snímací laserový svazek
-Pohyblivé zrcadlo vychyluje laserový svazek podél vodorovné čáry přes kód. -Detektor snímá časovou změnu intenzity odraženého laserového světla. -Počítač spojený s čtečkou pomocí signálu z detektoru pozná uspořádání čárového kódu a rozpozná příslušné zboží.
Lasery kolem nás
Laserový měřič rychlosti
-Laserová dioda vyzařuje krátké světelné impulsy. -Impuls odražený od auta je detekován fotodiodou, zároveň je změřeno zpoždění odraženého impulsu vzhledem k původnímu. -Poněvadž známe rychlost světla, můžeme určit vzdálenost auta, a časovou změnu vzdálenosti (rychlost).
Lasery kolem nás Laserová tiskárna rotující zrcadlo
-pomocí rotujícího zrcadla a laserové diody se vytvoří na povrchu válce elektrostatická kopie skutečného obrazu -jemná zrna toneru se přilepí na válec; na místa kde existuje elektrostatický náboj
laserová dioda
-válec vytiskne a zapeče vytvořený válec se světelně citlivou obraz na papír vrstvou
Lasery kolem nás GPS – Global Positioning System - 24 satelitů ve vzdálenosti 20 tis. km od zemského povrchu, dráha satelitů a jejich přesná poloha je zaznamenána - 4 satelity můžeme spatřit z každého bodu planety - satelity jsou vybaveny atomovými hodinami (nepřesnost 0,1 ns/den tj. 1 s za 20 milionů let) - hodiny vysílají radiovými vlnami informace o času na daném satelitu http://www.colorado.edu/geography/gcraft/notes/gps/gif/orbits.gif
Lasery kolem nás GPS – Global Positioning System - GPS navigátor se skládá z radiového přijímače a z přesných hodinek -porovnává se vnitřní čas navigátora s údaji z jednotlivých satelitů -známe rychlost šíření radiových vln (3000 km/s); z časových údajů z jednotlivých satelitů se vypočítají patřičné vzdálenosti -pomocí pravidel prostorové geometrie se určí pozice GPS navigátora (přijímače) -4 satelity se používají kvůli nižším nárokům na přesnost hodinek umístěných v GPS navigátoru http://www.colorado.edu/geography/gcraft/notes/gps/gif/gpsnav2.gif
Lasery kolem nás Atomové hodiny
SI definice 1 s: „The duration of 9,192,631,770* periods of the radiation corresponding to the transition between two hyperfine levels of the ground state of the cesium-133 atom.“ -K přesnému měření periody musíme Cs chladit. -V atomových hodinách NIST F1 chladí Cs pomocí 6-i infračervených laserů (“optická pinzeta“, stláčí atomy cesia do malé kuličky -> pokles kinetické energie).
http://boulder.nist.gov/timefreq/ general/enc-c.htm
-Teplota je kolem absolutní nuly. -Pomocí změn parametrů dvou svislých laserů vychylují atomový plyn cesia směrem nahoru. -Po vypnutí svislého svazku atomy „spadnou“ zpátky. - Při pohybu atomy absorbují energii z prostředí mikrovlnného rezonátoru. -Když se dostanou do prostoru testovacího laseru, část absorbované energie vyzařují. -Intenzita záření je detekován. Maximální intenzita závisí na frekvenci mikrovlnného pole. -Při max. intenzitě se zaznamenává * násobek odpovídající periody.
Atomové hodiny
Lasery kolem nás
http://boulder.nist.gov/timefreq/general/enc-c.htm
Optické vlákna Elektronický signál
Lasery kolem nás Optický signál
Elektronický signál
Laserová dioda
Foto-detektor
Obal Jádro
Další aplikace laserů Fotografování s fs rozlišením
Fotografie s 1µs rozlišením
-Pomocí fs laserů možnost fotografování s rozlišením ~10 fs, tj. 100 000 000 x kratší děje. -Zkoumání chemických reakcí, tvorbu molekul atd.
Další aplikace laserů LIDAR (LIght Detection And Ranging ) Laserový puls
Znečistění ve vzduchu
Odražené světlo Signál
Čas
Intenzita: množství znečišťujících látek ve vzduchu Čas: vzdálenost, prostorové rozložení Vlnová délka: charakter znečistění
Další aplikace laserů Permanentí depilace Klasický přístup
Laser
- laser s vhodnou vlnovou délkou, energii a dobou trvání impulsu
Další aplikace laserů Odstranění tetování
-laser s vhodnou vlnovou délkou, energii a dobou trvání impulsu -barvy tetování absorbují záření z rubínového nebo Nd:YAG laserů -aplikováním laserových pulsů se barva chemicky rozloží a vstřebává se
Další aplikace laserů Laserový hromosvod
http://www.origo.hu/mindentudasegyeteme
Další aplikace laserů Laserový hromosvod
http://www.origo.hu/mindentudasegyeteme
-pomocí vysokovýkonných ultrafialových laserů vytvoří svislý kanál ionizovaného (vodivého) vzduchu, který funguje jako hromosvod
Další aplikace laserů Prostorová fotografie / holografie
http://www.3dimagery.com/mart.html
Laser transmission hologram, "Portrait of Dr. Dennis Gabor", McDonnell Douglas Electronics Research Corporation and R. Rhinehaart, 1971 http://web.mit.edu/museum/collections/ holography.html Moire fotografie objektu složitého tvaru
Další aplikace laserů Oční operace
Zdravé oko – Obraz objektu se vytváří na sítnici
Další aplikace laserů Oční operace Obraz objektu se vytváří před sítnici, rohovka je příliš zaoblená.
Obraz objektu se vytváří za sítnici, rohovka není dostatečně zaoblená.
Další aplikace laserů Oční operace – odstranění aberace pomocí metody LASIK 1. Vytvoření 0,15 mm tlusté krycí vrstvy rohovky (mechanický nebo pomocí laserů) 2. Vytvoření korekční čočky uvnitř rohovky pomocí laseru Excimer
Korekční čočka
http://www.origo.hu/mindentudasegyeteme
Další aplikace laserů Oční operace – odstranění aberace pomocí metody LASIK 0,15 mm
Laserový svazek (Excimer)
MIKROKERATOM
Vytvořená korekční čočka http://www.origo.hu/mindentudasegyeteme
Další aplikace laserů Oční operace – odstranění aberace pomocí metody LASIK Otevření oka (vytvoření 0,15 mm krycí vrstvy) pomocí laseru
Laser 0,6 ps 3 µJ
Bublina d=10 µm
500 000 dotýkajících se bublin vytváří rovinu řezu http://www.origo.hu/mindentudasegyeteme
Další aplikace laserů Oční operace – odstranění aberace pomocí metody LASIK Otevření oka (vytvoření 0,15 mm krycí vrstvy) pomocí laseru
Laser 0,6 ps 3 µJ
Bublina d=10 µm
500 000 dotýkajících se bublin vytváří rovinu řezu http://www.origo.hu/mindentudasegyeteme
Další aplikace laserů Oční operace
Postup při operaci oka Laserem – metoda INTRALASIK
http://www.origo.hu/mindentudasegyeteme
