Bazele spectroscopiei si laserilor - physics.uvt.rostef/spectroscopie/curs06.pdf · ial foarte...

11
Dr. Marius S , tef Spectroscopie si Laseri - Notite de Curs 8 | Februarie | 2015 Cursul 6 Inversia de populat , ie. Condit , ia de prag As , a cum s-a ar˘ atat deja, pentru obt , inerea emisiei stimulate este necesar˘ a realizarea ˆ ın prealabil a pompajului optic pentru excitarea sistemelor atomice pe nivele superioare de energie. As , a cum se va ar˘ ata mai tˆ arziu, exist˘ a multe moduri de a realiza acest pompaj. Pentru a se produce efectul laser nu este suficient˘ a doar efectuarea pompajului optic, ci trebuie s˘ a fie ˆ ındeplinit˘ a condit , ia de inversie de populat , ie. S˘ a consider˘ am un mediu activ laser care are o diagram˘ a de nivele energetice ca cea prezentat˘ ın figura (1 a) format˘ a din patru nivele de energie E i avˆ and fiecare denistatea de populat , ie N i (i =0,..., 3). S˘ a admitem acum c˘ a efectul laser poate fi obt , inut ˆ ın urma procesului de emisie stimulat˘ a asociat tranzit , iei E 2 E 1 . Atunci cˆ and fasciculul monocromatic de frecvent , ˘ a ν = (E 2 - E 1 )/h traverseaz˘ a mediul ˆ ın direct , ia Oz , intensitatea fasciculului la o distant , ˘ a z ˆ ın interiorului cristalului este dat˘ a de relat , ia: I (ν, z )= I 0 e σ(N 2 -N 1 )z (1) unde I 0 este intensitatea fasciculului incident, iar σ este sect , iunea eficace a tranzit , iei. Semnul expo- nentului din relat , ia (1), dat de diferent , ıntre populat , iile celor dou˘ a nivele implicate ˆ ın procesul de emisie ne indic˘ a dac˘ a mediul poate amplifica sau nu radiat , ia incident˘ a. Dac˘ a N 2 >N 1 , fasciculul incident poate fi amplificat de c˘ atre mediul activ, iar ˆ ın caz contrar fasciculul va fi atenuat. Condit , ia ΔN = N 2 - N 1 > 0 se mai numes , te condit , ia de inversie a populat , iei s , i este opus˘ a condit , iei de echili- bru termic. ˆ In cazul distribut , iei Boltzmann, populat , ia nivelelor E 2 s , i E 1 la echilibru termic satisface condit , ia N 2 <N 1 . Prin urmare, as , a cum se va ar˘ ata ˆ ın cele ce urmeaz˘ a, pentru a realiza inversia de populat , ie este necesar s˘ a fie ˆ ındeplinit˘ a condit , ia de prag. Figura 1: Diagrama nivelelor energetice pentru: (a) un laser cu patru nivele, respectiv (b) un laser cu trei nivele. Relat , ia (1) permite definirea cˆas , tigului optic. Dac˘ a mediul activ este plasat ˆ ıntre dou˘ a oglinzi (figura (2)), unda va fi reflectat˘ a succesiv traversˆ and astfel mediul activ de mai multe ori crescˆ and ˆ ın acest mod amplificarea fasciculului incident. Considerˆ and un sistem f˘ ar˘ a pierderi, pentru o lungime L a mediului activ, cˆ as , tigul optic al cavit˘ at , ii, G(ν ), se defines , te cu ajutorul relat , iei: I (ν, 2L) I (ν, 0) = e G(ν) (2) Prin urmare, t , inˆ and cont s , i de ecuat , ia (1) obt , inem: G(ν )=2σ(N 2 - N 1 )L (3) Facultatea de Fizic˘ a, UVT Modificat: 19 septembrie 2016 1

Transcript of Bazele spectroscopiei si laserilor - physics.uvt.rostef/spectroscopie/curs06.pdf · ial foarte...

Page 1: Bazele spectroscopiei si laserilor - physics.uvt.rostef/spectroscopie/curs06.pdf · ial foarte mari, curentul electric direct care traverseaz a jonct, iunea unui laser cu semiconductor,

Dr. Marius S, tef Spectroscopie si Laseri - Notite de Curs 8 | Februarie | 2015

Cursul 6

Inversia de populat, ie. Condit, ia de prag

As,a cum s-a aratat deja, pentru obt, inerea emisiei stimulate este necesara realizarea ın prealabil apompajului optic pentru excitarea sistemelor atomice pe nivele superioare de energie. As,a cum seva arata mai tarziu, exista multe moduri de a realiza acest pompaj. Pentru a se produce efectullaser nu este suficienta doar efectuarea pompajului optic, ci trebuie sa fie ındeplinita condit, ia deinversie de populat,ie. Sa consideram un mediu activ laser care are o diagrama de nivele energeticeca cea prezentata ın figura (1 a) formata din patru nivele de energie Ei avand fiecare denistatea depopulat, ie Ni (i = 0, . . . , 3). Sa admitem acum ca efectul laser poate fi obt, inut ın urma procesului deemisie stimulata asociat tranzit, iei E2 → E1. Atunci cand fasciculul monocromatic de frecvent, a ν =(E2 −E1)/h traverseaza mediul ın direct, ia Oz, intensitatea fasciculului la o distant, a z ın interioruluicristalului este data de relat, ia:

I(ν, z) = I0eσ(N2−N1)z (1)

unde I0 este intensitatea fasciculului incident, iar σ este sect, iunea eficace a tranzit, iei. Semnul expo-nentului din relat, ia (1), dat de diferent,a ıntre populat, iile celor doua nivele implicate ın procesul deemisie ne indica daca mediul poate amplifica sau nu radiat, ia incidenta. Daca N2 > N1, fascicululincident poate fi amplificat de catre mediul activ, iar ın caz contrar fasciculul va fi atenuat. Condit, ia∆N = N2 −N1 > 0 se mai numes,te condit,ia de inversie a populat,iei s, i este opusa condit, iei de echili-bru termic. In cazul distribut, iei Boltzmann, populat, ia nivelelor E2 s, i E1 la echilibru termic satisfacecondit, ia N2 < N1. Prin urmare, as,a cum se va arata ın cele ce urmeaza, pentru a realiza inversia depopulat, ie este necesar sa fie ındeplinita condit,ia de prag.

Figura 1: Diagrama nivelelor energetice pentru: (a) un laser cu patru nivele, respectiv (b) un laser cutrei nivele.

Relat, ia (1) permite definirea cas, tigului optic. Daca mediul activ este plasat ıntre doua oglinzi (figura(2)), unda va fi reflectata succesiv traversand astfel mediul activ de mai multe ori crescand ın acestmod amplificarea fasciculului incident. Considerand un sistem fara pierderi, pentru o lungime L amediului activ, cas,tigul optic al cavitat, ii, G(ν), se defines,te cu ajutorul relat, iei:

I(ν, 2L)I(ν, 0)

= eG(ν) (2)

Prin urmare, t, inand cont s, i de ecuat, ia (1) obt, inem:

G(ν) = 2σ(N2 −N1)L (3)

Facultatea de Fizica, UVT Modificat: 19 septembrie 2016 1

Page 2: Bazele spectroscopiei si laserilor - physics.uvt.rostef/spectroscopie/curs06.pdf · ial foarte mari, curentul electric direct care traverseaz a jonct, iunea unui laser cu semiconductor,

Dr. Marius S, tef Spectroscopie si Laseri - Notite de Curs 8 | Februarie | 2015

Figura 2: Reprezentarea schematica a laserului.

Exista totus, i o serie de factori care conduc la aparit, ia as,a-numitelor pierderi ın sistem, cum ar ficele datorate reflectivitat, ii oglinzilor (R1 s, i R2),1 absorbt, ia unei fract, iuni din intensitatea radit, iei decatre ferestrele care cont, in mediul activ (ın special atunci cand acesta este ın stare gazoasa), difract, iaprodusa de catre fante sau ımpras,tierea pe particule sau pe suprafet,ele imperfecte. Toate acestepierderi sunt cuprinse ın factorul de pierdere per drum optic parcurs (drumul dus-ıntors parcurs deradiat, ie ıntre cele doua oglinzi) e−γ . Prin urmare, intensitatea radiat, iei ın urma parcurgerii unui drumoptic dus-ıntors prin rezonator este:

I(ν, 2d) = I(ν, 0)eG−γ (4)

Se poate observa us,or ca unda va fi amplificata daca pe un drum optic parcurs (dus-ıntors) cas,tiguloptic este mai mare decat pierderile:

G > γ sau N2 −N1 >γ

2σL(5)

De aici rezulta condit, ia de prag (G = γ) pentru realizarea inversiei de populat, ie, s, i anume:

∆Nprag = (N2 −N1)prag =γ

2σL(6)

Daca inversia de populat, ie, ∆N , este mai mare decat ∆Nprag, unda reflectata dupa parcurgerea unuisingur drum optic dus-ıntors ın rezonator va fi amplificata crescand astfel intensitatea ei ın ciudapierderilor existente ın sistem.

Intr-un sistem laser, radiat, ia este produsa init, ial prin emisia spontana a atomilor din mediul activaflat, i ın stari excitate, apoi aces,ti fotoni emis, i spontan traversand rezonatorul paralel cu axa lui desimetrie vor produce noi fotoni prin emisie stimulata. Atata timp cat este satisfacuta condit, ia de pragaces,tia vor produce o avalans, a tot mai mare de fotoni, proces care se va ment, ine cat timp repopulareaeste asigurata de pomajul optic.

Caracteristicile radiat, iei laser obt, inute sunt determinate de caracteristicile mediului activ. Din ecuat, ia(3) se observa ca cas,tigul optic G(ν) depinde de caracteristicile particulare ale mediului activ prinsect, iunea eficace de emisie σ:

σ =(λ

2

)2 g(∆ω)τ0

(7)

unde λ este lugimea de unda a fasciculului emis, g(∆ω) este conturul liniei spectrale, iar τ0 estetimpul de viat, a al emisiei spontane asociat nivelului energetic excitat de pe care are loc emisia laser.Aceste marimi sunt determinate de nivelele energetice implicate ın procesul de emisie s, i depind denatura mediului activ. Modul ın care se realizeaza pompajul optic este de asemenea determinat decaracteristicile mediului activ. In mod obis,nuit, pentru descrierea funct, ionarii laserului se folosescdoua tipuri de configurat, ii: laserul cu trei nivele s, i laserul cu patru nivele.

1Numai o fract, iune din radiat, ia incidenta pe oglinzi este reflectata de acestea.

Facultatea de Fizica, UVT Modificat: 19 septembrie 2016 2

Page 3: Bazele spectroscopiei si laserilor - physics.uvt.rostef/spectroscopie/curs06.pdf · ial foarte mari, curentul electric direct care traverseaz a jonct, iunea unui laser cu semiconductor,

Dr. Marius S, tef Spectroscopie si Laseri - Notite de Curs 8 | Februarie | 2015

Laserul cu patru nivele. Figura (1 a) prezinta schematic modul de operare al unui laser cu patrunivele (multe dintre sistemele laser reale funct, ioneaza ın acest mod). Prin diferite mecanisme depompaj atomii aflat, i int, ial pe nivelul fundamental E0 sunt excitat, i pe un anumit nivel superior E3,apoi ın urma unui proces de relaxare ajung pe un alt nivel superior E2 (< E3) de pe care se produceemisia stimulata E2 → E1. Condit, ia esent, iala pentru realizarea inversiei de populat, ie este ca atomiide pe nivelul E1 sa revina pe nivelul fundamental E0 mai repede decat vin atomii aflat, i pe nivelul E2

pe nivelul E1. In acest caz, pe langa rata de pompaj, inversia de populat, ie mai depinde de vitezele A1

s, i A2 asociate tranzit, iilor de pe nivelele E1 s, i E2, din acest motiv condit, ia esent, iala pentru realizareainversiei de populat, ie este data de:

A1 > A2 (8)

Pentru multe dintre laserele reale, nivelul laser E2 din figura (1 a) este un nivel metastabil, adica are untimp de viat, a mult mai mare decat cel al nivelului E1 (τ2 � τ1). Prin urmare, probabilitatea realizariiunei inversii de populat, ie este foarte mare daca se poate pompa eficient ın acest nivel metastabil (cutimp de viat, a mare) s, i daca exista un nivel inferior, E1, cu un timp de viat, a mic.

Laserul cu trei nivele. Figura (1 b) ilustreaza modul de operare al unui laser cu trei nivele. As,acum se observa din figura, acesta difera de laserul cu patru nivele prin aceea ca nivelul inferior E1 estechiar nivelul fundamental. Un astfel de laser prezinta dezavantaje mari deoarece mai mult de jumatatedin atomii aflat, i init, ial ın starea fundamentala trebuie excitat, i pe nivelul laser E2 prin intermediulnivelului E3 pentru a se realiza inversia de populat, ie. Prin urmare, laserul cu trei nivele nu este, deobiciei, la fel de eficient ca cel cu patru nivele.

Metode de pompaj

In funct, ie de tipul s, i caracteristicile mediului activ se utilizeaza ın practica diferite metode de pom-paj. Descarcarile electrice ın gaze fac parte dintre procedeele cele mai raspandite pentru realizareapompajului atunci cand mediul activ este ın stare gazoasa. Principalele mecanisme implicate ın acesttip de pompaj sunt ciocnirile directe ıntre electroni s, i atomii sau ionii mediului activ, dar s, i ciocnirileıntre diferit, i atomi.

Pompajul optic este de asemenea una dintre metodele cu o foarte larga raspandire. In acest caz, sursade lumina poate fi o lampa cu arc electric, o lampa cu pulsuri de lumina, un alt laser sau chiar luminasoarelui (focalizata cu ajutoul unor lentile).

Alte mecanisme de pompaj folosesc react, iile chimice ın gaze, fasciculul de electroni accelerat, i ın gazela diferent,e de potent, ial foarte mari, curentul electric direct care traverseaza jonct, iunea unui laser cusemiconductor, etc.

Rezonatorul optic

Atunci cand o sursa de radiat, ie este plasata ın interiorul unei cavitat, i ınchise, energia radiat, iei, laechilibru, este distribuita pe toate modurile de vibrat, ie ale cavitat, ii. Des, i numarul de moduri devibrat, ie ıntr-o astfel de cavitate ınchisa este foarte mare, numarul mediu de fotoni per mod de vibrat, ieın domeniul optic este foare mic (ın comparat, ie cu unitatea), acesta fiind motivul pentru care ındomeniul spectral al radiat, iei termice, emisia spontana per mod de vibrat, ie depas,es,te cu mult emisiastimulata (procesul de emisie stimulata necesita prezent,a fotonilor pentru a induce tranzit, ia, fat, ade cazul procesului de emisie spontana). Totus, i, exista posibilitatea de a concentra cea mai mareparte a radiat, iei pe cateva moduri de vibrat, ie astfel ıncat numarul de fotoni ın acele moduri de

Facultatea de Fizica, UVT Modificat: 19 septembrie 2016 3

Page 4: Bazele spectroscopiei si laserilor - physics.uvt.rostef/spectroscopie/curs06.pdf · ial foarte mari, curentul electric direct care traverseaz a jonct, iunea unui laser cu semiconductor,

Dr. Marius S, tef Spectroscopie si Laseri - Notite de Curs 8 | Februarie | 2015

vibrat, ie sa fie mare s, i sa devina astfel mai important procesul de emisie stimulata (des, i rata totalaa emisiei spontane pe toate modurile de vibrat, ie poate fi ın continuare mai mare decat rata emisieistimulate pe aceste cateva moduri). O astfel de selectare a catorva moduri de vibrat, ie se realizeazaın construirea sistemului laser prin folosirea unui rezonator corespunzator care sa prezinte un raspunsputernic pentru aceste moduri de vibrat, ie. Un astfel de rezonator va permite producerea unei radiat, iiintense, cu pierderi mici, pe aceste moduri de vibrat, ie.

Rezonatorul poate fi deschis, format din doua oglinzi plane sau concave, ca cel prezentat ın figura (2)(rezonator liniar), sau circular.

Figura 3: Diagrama schematica a cas,tigului optic G(ν) a unei tranzit, ii laser (linia continua) ımpreunacu modurile rezonatorului (linie punctata) ın care ∆ν este intervalul de frecvent, a ıntre doua moduri devibrat, ie succesive ın cazul (a) operarii multi-mode, respectiv (b) single-mode. Sunt marcate de asemneafrecvent,ele acelor moduri de vibrat, ie pentru care cas,tigul optic depas,es,te pierderile din sistemul laserconsiderat.

Figura (3) prezinta cas,tigul optic G(ν) al unui mediu activ ımpreuna cu modurile de vibrat, ie alerezonatorului s, i acele moduri pentru care cas,tigul optic depas,es,te pierderile din sistem. In cazulsistemelor laser reale, ın funct, ie de pragurile de oscilat, ie corespunzatoare diferitelor moduri de vibrat, ielaserul poate operara ın regim multi-mode sau single-mode. Daca nivelul de prag este ca cel prezentatın figura (3 a), atunci la fasciculul laser obt, inut vor contribui cateva moduri de vibrat, ie, daca ınsanivelul de prag este mai mare, ca cel prezentat ın figura (3 b), atunci laserul va opera ın regimsingle-mode furnizand un fascicul laser de frecvent, a ν0. Caracteristicile geometrice ale rezonatorului(lungimea, plasarea relativa a elementelor optice, etc.) vor determina distribut, ia modurilor de vibrat, ieale fasciculului laser obt, inut. O descriere ampla a diferitelor metode de obt, inere a laserilor ın regimsingle-mode se poate gasi ın lucrarea [?].

Laseri cu excimeri

Datorita unei largi varietati de materiale laser s, i metode de pompaj, este aproape imposibil sa indexamtoate dispozitivile laser existente pana azi, ınsa putem totus, i sa realizam o clasificare a sistemelor laserın funct, ie de mediul activ. In acest sens, se vor prezenta pe scurt, proprietat, ile de baza ale unor tipurispecifice de sisteme laser reprezentative pentru diferitele configurat, ii laser prezentate mai sus.

Mediul activ al acestui tip de laser consta dintr-un gaz inert (X) sau dintr-un amestec de gaz inert cuunul de halogen (X+Y). Denumirea de excimer provine de la dimer excitat, adica o molecula biatomicaformata din doi atomi de gaz inert (XX)∗ sau dintr-un atom de gaz inert s, i unul de halogen (XY)∗.

Caracteristica esent, iala care permite obt, inerea efectului laser de catre acest mediu activ consta ınfaptul ca atomii care formeaza dimerul sunt legat, i numai ın starea excitata. Figura (4) prezintadiagrama schematica a nivelelor energetice implicate ın efectul laser pentru o molecula de excimer.Tranzit, ia laser (inversia de populat, ie) are loc ıntre doua nivele electronice pentru care variat, ia energiei

Facultatea de Fizica, UVT Modificat: 19 septembrie 2016 4

Page 5: Bazele spectroscopiei si laserilor - physics.uvt.rostef/spectroscopie/curs06.pdf · ial foarte mari, curentul electric direct care traverseaz a jonct, iunea unui laser cu semiconductor,

Dr. Marius S, tef Spectroscopie si Laseri - Notite de Curs 8 | Februarie | 2015

potent, iale a starii fundamentale este una de tip repulsiv.

Figura 4: Diagrama de energie (potent, iala) a unei molecule de excimer.

React, iile chimice necesare pentru obt, inerea nivelului superior asociat tranzit, iei laser sunt put, in maicomplexe s, i implica, ın anumite cazuri, pana la 82 de react, ii chimice diferite, care includ proceselede ionizare, disociere s, i excitat, iile atomice s, i moleculare. Pomajul se realizeaza fie prin descarcareelectrica rapida, fie cu ajutorul unui fascicul de electroni. Energia fasciculului laser rezultata ın urmatranzit, iei este asociata cu procesul de diosciere al dimerului, s, i se gases,te ın domeniul UV al spectrului.Laserii cu excimeri opereaza, de obicei, ın pulsuri de aproximativ 20 ns s, i furnizeaza o putere laser de50÷200 mJ. Tabelul (1) prezinta lungimile de unda de emisie pentru cat, iva laseri cu excimeri.

Tabela 1: Laseri cu excimeri s, i lungimile de unda de emisie caracteristice.Excimerul λem. (nm)Ar2 126ArF 193ArCl 175Kr2 146KrF 248KrCl 222Xe2 170-175XeF 351, 353XeCl 308XeBr 282

Laserii cu excimeri prezinta o mare important, a ın spectroscopia UV s, i VUV2 s, i ın domeniul fotochimiei,avand un numar mare de aplicat, ii: ın aparatura medicala, chirurgia refractiva, ın industria micro-electronica (fotolitografierea), prelucrarea materialelor, ca surse de pompaj optic pentru alte tipuri delaseri, etc.

Laseri cu gaz

Laserii cu gaz pot fi ımpart, it, i ın doua categorii ın funct, ie de natura nivelelor energetice implicate ınefectul laser, s, i deci, ın funct, ie de tranzit, iile optice implicate.

a) Tranzit, ia laser are loc ıntre nivelele electronice ale atomilor neutri sau ionizat, i. De fapt, tranzit, ialaser are loc ıntre nivelele electronice ale electronilor de valent, a s, i din acest motiv multe dintre lungimile

2VUV: Vacuum UltraViolet.

Facultatea de Fizica, UVT Modificat: 19 septembrie 2016 5

Page 6: Bazele spectroscopiei si laserilor - physics.uvt.rostef/spectroscopie/curs06.pdf · ial foarte mari, curentul electric direct care traverseaz a jonct, iunea unui laser cu semiconductor,

Dr. Marius S, tef Spectroscopie si Laseri - Notite de Curs 8 | Februarie | 2015

Figura 5: Puterea relativa a fasciculului laser la diferite lungimi de unda pentru laserul cu Ar+ s, i Kr+.

de unda laser se gasesc ın domeniul vizibil al spectrului. Unul dintre cele mai familiare exemple delaseri cu gaz atomic este laserul cu He-Ne, iar ca exemple de laseri cu gaz ionic putem aminti laseriicu Ar+ s, i Kr+ [?]. Figura (5) prezinta puterea relativa a laserului la ies, irea din rezonator pentrulaserii cu Ar+ s, i Kr+ s, i, as,a cum se observa din figura, aces,tia pot furniza simultan mai multe lungimide unda laser. Daca se dores,te utilizarea unei singure lungimi de unda laser, atunci rezonatorulpoate fi prevazut cu oglinzi care sa aiba reflectivitatea maxima la lungimea de unda dorita. In cazulutilizarii unor oglinzi care au o putere de reflexie mare pentru mai multe lungimi de unda, des, i nu esteposibila acordarea laserului ın mod continuu, se pot totus, i selecta anumite lungimi de unda dintreliniile spectrului de emisie discret ale atomilor din mediul activ.

In cazul gazelor (atomice sau ionice) nivelele energetice electronice ale atomilor liberi sunt ıngustedeoarece distant,ele inter-atomice sunt mari s, i astfel perturbat, ia atomilor vecini este nesemnificativa.O caracteristica importana a laserilor cu gaz care rezulta din natura discreta a nivelelor energeticeelectronice este monocromaticitatea pronunt,ata a fasciculului laser ın comparat, ie cu laserii cu corpsolid. Gradul ınalt de coerent, a atins de laserii cu gaz este de asemenea o caracteristica importanacare rezulta din semilargimea foarte ıngusta a liniei spectrale.

De obicei, largirea Doppler este fenomenul principal care contribuie la conturul benzii spectrale asociatetranzit, iei laser. Datorita flexibilitat, ii ın configurarea laserilor cu gaz (de exemplu, folosirea unorrezonatori lungi), se pot obt, ine benzi laser mai ınguste decat largirea Doppler.

b) A doua categorie de laseri cu gaz, foloses,te ca mediu activ moleculele (gazul molecular). In acestcaz, tranzit, iile laser au loc ıntre nivelele de rotat, ie-vibrat, ie ale moleculelor, s, i astfel lungimile de undade emisie se vor gasi ın domeniul IR al spectrului. Un exemplu reprezentativ pentru aceasta categoriede laseri cu gaz este laserul cu CO2, pentru care tranzit, iile implicate ın efectul laser au loc ıntre douanivele de vibrat, ie s, i mai multe nivele de rotat, ie ale moleculelor gazului. Lungimea de unda lasercaracteristica acestui laser este ın jurul a 10600 nm, iar puterea fasciculului laser, care opereaza ınregim continuu, este de cat, iva kilowat, i cu o eficient, a laser de aproximativ 30%, ceea ce reprezinta ovaloare foarte buna a eficient,ei pentru un laser cu gaz.

Datorita benzilor de absorbt, ie ınguste ale gazelor, pomapjul optic se dovedes,te a fi ineficient s, i esteınlocuit cu cel electric, utilizandu-se astfel tuburile laser cu descarcare ın gaze. In principiu, acesteasunt la fel pentru tot, i laserii care au ca mediu activ gazele. Rezonatorul unui astfel de laser este

Facultatea de Fizica, UVT Modificat: 19 septembrie 2016 6

Page 7: Bazele spectroscopiei si laserilor - physics.uvt.rostef/spectroscopie/curs06.pdf · ial foarte mari, curentul electric direct care traverseaz a jonct, iunea unui laser cu semiconductor,

Dr. Marius S, tef Spectroscopie si Laseri - Notite de Curs 8 | Februarie | 2015

prevazut, de obicei, cu ferestre optice as,ezate sub un unghi Brewster s, i care, prin urmare, furnizeaza olumina laser polarizata. In cazul laserilor cu gaz atomic, cum este laserul cu He-Ne, puterea electricanecesara pentru pomaj este dordinul a 10 W, ın schimb ın cazul laserilor cu gaz ionic, este necesarao putere electrica mai mare (de ordinul catorva kilowat, i), deoarece pompajul electric se realizeaza ındoua etape: mai ıntai, ın urma ciocnirilor ıntre atomii (neutri) ai gazului s, i electronii rezultat, i dindescarcarea electrica se produce ionizarea atomilor, apoi ionii astfel obt, inut, i sunt excitat, i pe niveleenergetice superioare. Datorita folosirii unor densitat, i mari de curent, i, este necesara prezent,a unorsisteme de racire eficiente.

Laserii cu gaz opereaza ın special ın regim continuu, des, i gazele simplu ionizate pot opera s, i ın regimde pulsuri. Caracteristicile laserilor cu gaz atomic sau ionic (ın special, direct, ionalitatea, monocro-maticitatea s, i coerent,a) au condus pana ın prezent la o mare varitate de aplicat, ii s,tiint, ifice. Acesteaau servit ca standarde pentru lungimea de unda s, i frecvent, a, la alinierea sistemelor optice s, i au avutun rol foarte important ın experimentele de holografie.

Laseri cu colorant, i

Mediul activ al acestor tipuri de laseri este format din molecule de colorant dizolvate ıntr-un lichid (deexemplu, alcool etilic sau metilic), care prezinta o fluorescent, a intensa ın urma excitarii cu lumina dindomeniul vizibil sau UV. Figura (6 a) prezinta diagrama simplificata a nivelelor energetice pentru omolecula de colorant ıntr-o solut, ie lichida. De obicei, aceste molecule, au nivele electronice de singlet,respectiv triplet.3 Fiecare nivel energetic cont, ine cateva nivele de vibrat, ie s, i fiecare nivel de vibrat, iecont, ine, la randul sau, cateva nivele de rotat, ie. Atunci cand moleculele de colorant sunt excitate cufotoni de energie corespunzatoare, se populeaza nivelele de vibrat, ie superioare asociate primului saucelui de-al doilea singlet excitat (S1 sau S2) de pe nivelele electronice de rotat, ie-vibrat, ie ale stariifundamentale S0. Apoi, ın urma ciocnirilor cu moleculele de solvent, moleculele de colorant excitatesufera un proces de relaxare neradiativa s, i ajung pe un nivel vibronic inferior al starii S1. Pentruo intensitate suficient de mare a pompajului, se poate produce inversia de populat, ie ıntre nivelul v0corespunzator starii S1 s, i un nivel vk corespunator starii S0, s, i astfel cas,tigul optic se va obt, ine ın urmatranzit, iei v0(S1) → vk(S0).4 Schema de pompaj pentru aceste tipuri de laseri poate fi reprezentataprintr-o configurat, ie cu patru nivele. Figura (6 b) prezinta atat spectrul de absorbt, ie s, i emisie alunei molecule obis,nuite de colorant (Rodamina 6G), cat s, i configurat, ia unei astfel de molecule. Toatemoleculele de colorant cont, in structuri inelare de carbon; aceste structuri moleculare au ın component,alor electroni cu legaturi necompensate ce se pot deplasa ın planul structurii ın campul diferitelor nuclee.Aces,ti electroni determina structura diagramei nivelelor energetice ale moleculelor de colorant.

Caracteristica esent, iala a laserilor cu colorant, i o constituie largirea omogena a benzilor de emisie s, iare doua consecint,e importante:

• Lungimea de unda a unui laser cu colorant poate fi variata ın mod continuu pe toata largimeabenzii de emisie (de ordinul zecilor de nanometri). Prin urmare, folosind diferit, i laseri cu colorant, ise poate acoperi aproape ıntregul domeniu spectral cuprins ıntre 400 s, i 1100 nm, as,a cum seobserva din figura (7).

• Largirea omogena a benzii de emisie ne arata ca toate moleculele excitate contribuie la cas,tiguloptic pentru o frecvent, a data. De aici rezulta ca puterea laserului pentru operarea ın regim

3Nivelele de singlet, respectiv triplet se refera la acele stari pentru care numarul cuantic de spin este 0, respectiv1. Multiplicitatea sipnului calculata ca 2S + 1, unde S este momentul cinetic de spin, este egala cu 1 pentru starea desinglet s, i cu 3 pentru starea de triplet.

4O alta posibilitate ar fi ca moleculele de colorant sa sufere o tranzit, ie neradiativa de pe o stare excitata de singletpe una de triplet (tranzit, ie ıncrucis,ata), ınsa astfel de tranzit, ii reprezinta sursa unor mecanisme de pierdere ıntalnitauneori la laserii cu colorant, i.

Facultatea de Fizica, UVT Modificat: 19 septembrie 2016 7

Page 8: Bazele spectroscopiei si laserilor - physics.uvt.rostef/spectroscopie/curs06.pdf · ial foarte mari, curentul electric direct care traverseaz a jonct, iunea unui laser cu semiconductor,

Dr. Marius S, tef Spectroscopie si Laseri - Notite de Curs 8 | Februarie | 2015

Figura 6: (a) Prezentarea schematica a unei diagrame de nivele energetice pentru o molecula decolorant. (b) Spectrul de absorbt, ie s, i fluorescent, a al Rodaminei 6G ımpreuna cu configurat, ia moleculei.[?]

single-mode nu este mult mai mica decat cea corespunzatoare operarii ın regim multi-mode, cucondit, ia ca elementele din cavitatea rezonanta sa nu introduca pierderi suplimentare.

Pentru a optimiza performant,ele laserului cu colorant, i, au fost proiectate sisteme laser cu diferitesurse de pompaj s, i diferite geometrii, cu configurat, ii diferite ale rezonatorului, etc. In ceea ce prives,tesursele de pompaj, laserii cu colorant, i folosesc lampile cu pulsuri de lumina, laserii care opereaza ınregim continuu sau de pulsuri cu diferite geometrii. Deoarece benzile de absorbt, ie ale majoritat, iimoleculelor de colorant se gasesc ın domeniul UV apropiat, de cele mai multe ori se foloses,te pentrupompajul optic laserul cu N2 care furnizeaza o lumina laser la 337 nm. Uneori se mai foloses,te s, ilaserul YAG:Nd (ın regim de pulsuri) sau laserii cu Kr+ s, i Ar+ (ın regim continuu).

Figura 7: Domeniul de acordabilitate pentru diferit, i laseri cu colorant, i, ilustrand domeniul spectralacoperit de aces,ti laseri la operarea ın regim de pulsuri.

Laserii cu colorant, i reprezinta cea mai larg utilizata categorie de laseri acordabili. In regim de pulsuri,puterile tipice ale acestor laseri sunt ın domeniul 10÷106 W, iar ın regim continuu puterea laseruluieste de ordinul unitat, ilor de wat, i cu o semilargime de aproximativ 1 MHz. Datorita performant,elor s, ia flexibilitat, ii lor, laserii cu colorant, i sunt utilizat, i ıntr-o mare varietate de tehnologii spectroscopice,incluzand aici s, i spectroscopia de ınalta rezolut, ie.

Facultatea de Fizica, UVT Modificat: 19 septembrie 2016 8

Page 9: Bazele spectroscopiei si laserilor - physics.uvt.rostef/spectroscopie/curs06.pdf · ial foarte mari, curentul electric direct care traverseaz a jonct, iunea unui laser cu semiconductor,

Dr. Marius S, tef Spectroscopie si Laseri - Notite de Curs 8 | Februarie | 2015

Laseri cu semiconductor

Laserii cu semiconducor se regasesc ın prezent ın dispozive opto-electronice tot mai sofisticate. Scopulacestui paragraf nu ıl constituie prezentarea detaliata a diferit, lor laseri cu semiconductor, ci maidegraba prezentarea succinta a principalelor caracteristici ale acestui tip de laser.

Figura 8: Nivelele energetice a unei jonct, iuni p− n (a) nepolarizate; (b) parcurse de un curent direct.

Figurile (8 a s, i b) ilustreaza principiul de funct, ionare a unei diode laser. Efectul laser este produsde tranzit, iile electronice ıntre banda de conduct, ie s, i cea de valent, a la jonct, iuniea p − n a unei diodesemiconductoare. Atunci cand un curent electric strabate ın sens direct o dioda p − n, electroniis, i golurile se pot recombina ın regiunea jonct, iunii putand astfel emite energia produsa ca urmare arecombinarii lor sub forma de radiat, ie electromagnetica. Peste o anumita valoare a curentului direct,numita valoare de prag, radiat, ia produsa ın jonct, iune devine suficient de intensa astfel ıncat emisiastimulata sa depas,easca pe cea a emisiei spontane. Radiat, ia astfel produsa poate fi amplificata deun rezonator optic, care ın cel mai simplu caz poate fi ınsus, i semiconductorul realizat ıntr-o formacorespunzatoare, spre exemplu, prin taierea cristalului semiconductor astfel ıncat fet,ele de la celedoua capete sa fie plan-paralele s, i perpendiculare la fasciculul laser emis de jonct, iune (figura (9)). Inlaserii cu semiconductori, lungimea de unda de emisie este determinata de largimea benzii interzise amaterialului. In zilele noastre, prin alegerea corespunzatoare a sistemului de semiconductori se poateacoperi un domeniu spectral de emisie laser foarte larg (370÷ 5000 nm) as,a cum se poate observa s, iın figura (10).

Figura 9: Reprezentarea scheamtica a unei jonct, iuni p− n folosita pentru producerea efectului laser.

Caracteristica importanta a acestui tip de laser o reprezinta posibilitatea acordarii continue, ıntr-oanumita masura, a laserului pe ıntreaga banda de emisie (pot fi variat, i o serie de parametri care sainfluent,eze separarea energetica ıntre nivelul superior, respectiv inferior care produce efectul laser).De exemplu, variat, ia de temperatura produsa de un sistem de racire extern, sau variat, ia curentuluielectric sunt doar cateva din cele mai frecvent utilizate metode pentru producerea unei deplasari a

Facultatea de Fizica, UVT Modificat: 19 septembrie 2016 9

Page 10: Bazele spectroscopiei si laserilor - physics.uvt.rostef/spectroscopie/curs06.pdf · ial foarte mari, curentul electric direct care traverseaz a jonct, iunea unui laser cu semiconductor,

Dr. Marius S, tef Spectroscopie si Laseri - Notite de Curs 8 | Februarie | 2015

lungimii de unda de emisie. Acordabilitatea tipica ın domeniul IR apropiat s, i vizibil este de ordinulcatorva nanometri.

Laserii cu semiconductor pot opera atat ın regim continuu (cu o putere a laserului de la valori deordinul microwat, ilor pana la zeci de wat, i), cat s, i ın pulsuri (cu o putere de ordinul zecilor de wat, i).Figura (9) prezinta modelul simplu al unui laser cu semiconductor, care a stat la baza construirii unormodele mai complexe. La ınceputul anilor 1960, Kroemer [?] s, i Alferov au aratat ca concentrat, ia deelectroni, goluri s, i fotoni ar cres,te mult mai mult daca aces,tia ar fi confinat, i ıntr-un strat subt, ire desemiconductor plasat ıntre alte doua straturi semiconductoare (adica, plasınd un strat semiconductorcu o banda interzisa mica ıntre doua straturi semiconductoare cu banda interzisa mai mare).

Figura 10: Domeniile spectrale ale emisie laser pentru cateva materiale semiconductoare.

Se poate deduce us,or ca, datorita caracteristicilor mediului activ, cele mai compacte s, i mai minia-turizate dispozitive laser sunt cele cu semiconductor. Acest fapt corelat cu posibilitatea proiectariipersonalizate a acestor sisteme laser constituie un avantaj real al folosirii lor ın dispozitivele opto-electronice integrate. In spectroscopie, laserii cu semiconductor sunt folosit, i, ın mod obis,nuit, ca sursede pomaj optic pentru alt, i laseri cu corp solid, as,a cum se va vedea mai tarziu.

Laseri cu corp solid

In cazul laserilor cu corp solid, mediul activ consta dintr-un material izolator (dielectric) ın care segasesc centri optic activi. Trei tipuri de centri activi sunt folosit, i, de obicei, ca centri activi laser, s, ianume: ionii de pamant rar, ionii metalelor de tranzit, ie s, i centri de culoare.

Atunci cand se dores,te obt, inerea unui laser cu corp solid, este necesar sa se aleaga o combinat, ie matrice– centru activ potrivita. In primul rand, centrul activ ar trebui sa aiba tranzit, ii optice caracteristiceın domeniul de transparent, a al solidului, ceea ce implica folosirea unor materiale gazda cu bandainterzisa mare. In plus, tranzit, iile implicate ın emisia laser va trebui sa aiba o sect, iune eficace marepentru a obt, ine un sistem laser cat mai eficient. Acest aspect, legat de probabilitatea de tranzit, ie ıntenivelele energetice ale centrilor activi ın materialele gaza, va fi tratat mai ın detaliu ıntr-un capitolseparat.

Unul dintre laserii cei mai cunoscut, i s, i folosit, i din aceasta categorie este laserul cu rubin (Al2O3:Cr3+),care a fost, de fapt, primul laser obt, inut vreodata. Acesta a fost construit ın anul 1960 de catre T.H.Maiman [?]. Nivelele energetice implicate ın emisia laser sunt asociate ionului de Cr3+ care substituieionul de Al3+ ın ret,eaua cristalina a Al2O3. Prin folosirea unei bare de rubin plasata ın interiorul uneilampi cu pulsuri ın forma de spirala care cont, ine xenon la presiune mare, este posibil pompajul optical ionilor Cr3+ de pe nivelul fundamental 4A2g pe nivelele excitate 4T2 s, i 4T1 (care dau nas,tere unor

Facultatea de Fizica, UVT Modificat: 19 septembrie 2016 10

Page 11: Bazele spectroscopiei si laserilor - physics.uvt.rostef/spectroscopie/curs06.pdf · ial foarte mari, curentul electric direct care traverseaz a jonct, iunea unui laser cu semiconductor,

Dr. Marius S, tef Spectroscopie si Laseri - Notite de Curs 8 | Februarie | 2015

benzi largi de absorbt, ie). In urma unui proces rapid de relaxare pe nivelul 2Eg, se produce emisia laserde la 694 nm asociata tranzit, iei 2Eg →4 A2g. Prin urmare, acest laser funct, ioneaza dupa o configurat, iecu trei nivele, ın care nivelul laser cel mai coborat este tocmai nivelul fundamental. Un astfel de laserpe trei nivele este, de obicei, ineficient, dar daca puterea radiat, iei cu care se face pompajul optic estesuficient de mare este posibila realizarea inversiei de populat, ie s, i ın cele din urma se poate obt, ine unfascicul laser ın domeniul 50÷ 500 mJ per puls. Una dintre apicat, iile uzuale ale acestui laser vizeazacalirea termica rapida a materialelor, ınsa ın prezent utilizarea sa este limitata de folosirea unor noidispozitive laser care ofera o performant, a mai ridicata s, i o eficient, a mai buna.

Printre laserele cu corp solid cel mai mult utilizate ın practica, amintim laserii cu patru nivele cu ionide Nd3+, s, i anume: laserul Nd:YAG (cristal de Yttrium Aluminium Garnet dopat cu ioni de Nd3+),sau mai recent laserul Nd:YLF sau Nd:YVO4. Pentru laserii cu ioni de Nd3+ pompajul optic se poaterealiza fie cu ajutorul unei lampi care funct, ioneaza ın regim de pulsuri, fie cu laseri cu semiconductoridaca se dores,te un dispozitiv laser mai compact s, i mai eficient. In figura (11) este prezentata diagramanivelelor energetice pentru un laser cu corp solid care are ca centri activatori ionii de Nd3+.

Figura 11: Diagrama de nivele energetice s, i prezentarea modului ın care opereaza laserii cu corp soliddopat, i cu ioni de Nd3+.

Saget, ile orientate ın sus ın figura indica absorbt, ia de pe nivelul fundamental pe diferitele nivele excitateale ionilor de Nd3+ ın urma pompajului optic produs cu o lampa ın regim de pulsuri (0,5 µm) saufolosind laseri cu semiconductor (0,8 µm). Sageata orientata cu varful ın jos indica emisia laser dela 1,06 µm caracteristica ionilor de Nd3+, asociata tranzit, iei 4F3/2 →4 I11/2. Emisie laser se maipoate obt, ine ın urma tranzit, iilor de pe acelas, i nivel 4F3/2 pe nivelul 4I9.2 furnizand un fascicul laserla aproximativ 900 nm s, i pe nivelul 4I13/2 pentru care emisia se obt, ine la aproximativ 1,3 µm.

In prezent sunt disponibile dispozitive laser tot mai compacte s, i mai stabile, existand cateva sutede tipuri de laseri cu corp solid care folosesc ioni de Nd3+ ca centri activatori [?]. Aces,ti laseri potopera atat ın regim continuu (puterea fasciculului laser poate varia ıntre 1 W s, i 1 kW), cat s, i ınregim de pulsuri (durata pulsurilor poate varia ıntre cateva picosecunde, ın cazul laserului cu modurisincronizate (Eng. mode-locking), s, i zeci de nanosecunde pentru operarea ın comutare calitativa (Eng.Q-switch)).

Laserii cu ioni de Nd3+, ın special laserul Nd:YAG, are numeroase aplicat, ii, de la taierea foarte finala scara mica, gaurirea, gravarea, pana la aplicat, ii ın domeniul s,tiint, ific s, i tehnologic. Puterea marepe care o furnizeaza aces,ti laseri fac din ei o unealta foarte utila pentru studiul fenomenelor neliniare,cum ar fi generarea armonica a radiat, iei, procesele parametrice optice sau ımpras,tierea Raman. Deexemplu, laserii cu ioni de Nd3+ nu furnizeaza numai emisia principala de la 1064 nm, ci s, i armoniceleaceteia, adica emisii la 532 nm (a doua armonica), 355 nm (a treia armonica), 266 nm (a patraarmonica), s, i chiar 213 nm (a cincea armonica) cu intensitat, i mai mici.

Facultatea de Fizica, UVT Modificat: 19 septembrie 2016 11