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 Planckav – 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 światłowodowe6.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 spójnościąRozróżniamy 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 2Ip – 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"
Marcin3.14