1. Nekoherentna i koherentna svetlost.
Izucavanje svetlosti dovelo je do dve razlicite teporije svetlosti:
talasne i korpuskularne. Izucavanjem zracenja zagrejanih tela dovela
su do saznanja da se emisija i apsorbcija ne vrse neprekidno vec u
odredjenjim obrocima, koji su nazvani kvantima svetlosti. U
kvantnoj teoriji svetlosti polazi se od diskretne strukture svetlosti, ne
smo u momentu zracenja i apsorbcije vec i tokom njenog prostiranja.
Umesto prostiranja talasa govorimo o kretanju fotona. Zbog toga
danas svetlost tretiramo i kao talas i kao mlaz fotona, Pojavom lasera
1960. god nastala je nova faza u razvoju optike. Otkriveni su novi
fenomeni i pojavila se nelinearna optika. Klasicna optika uglavnom
je izucavala nekoherentnu svetlost, a sa pojavom lasera sve vise
znacaja dobija koherentna svetlost.
Svi obicni izvori svetlosti: sijalice, sunce, praznjenja u gasovima itd,.
imaju istu prirodu, sto znaci da svaki atom emituje svetlost razlicite
frekvencije i u razlicito vreme. Tako nastali svetlosni talasi su veoma
kratki i medjusobno nepovezani tj nezavisni, kako u prostoru tako i u
vremenu. Ovakvo zracenje svetlosti nazivamo nekoherentnim.
Ukoliko su amplituda, frekvencija, faza i polarizacija
elektromagnetnog talasa konstantne velicine ili se menjaju po
odredjenom zakonu (ne stohasticki), tada je tekav elektromagnetni
talas toherentan. Idealan monohromatican talas predstavlja
koherenten talas.
2. Inverzija naseljenosti energetskih nivoa.
Atomski sistemi se mogu nalaziti u odredjenim stacionarnim
stanjima, kojima odgovaraju odredjeni energetski nivoi. Ako se
sistem nalazi u stanju termodinamicke ravnoteze sa spoljanjom
srdinom, tada je verovatnoca da se neki atom nalazi na energertskim
nivoima W
1
i W
2
data izrazima:
i
. U praksi kazemo da nivo W
1
naseljava N
1
atoma, a da nivo W
2
naseljava N
2
atoma, pa se zato
uvodi pojam naseljenosti. Ovde g
1
i g
2
oznacavaju statisticke tezine
datih nivoa ili stepene degeneracije, tj. broj kvantnih stanja sa istim
energijama. Odnos naseljenosti nivoa W
1
i W
2
iznosi:
, gde je h plankova
a k Bolcmanova konstanta. U slucaju nedegenerisanih kvantnih
stanja, tj kada je
g
1
= g
2
=1, imamo:
. Kada je W
2
> W
1
u uslovima
3. Pojačanje svetlosti pri prolasku kroz tela.
Posmatramo promene inteziteta svetlosti pri prolasku svetlosnog
fluksa kroz neko telo. Intezitet svetlosti oznacavamo sa I. Neka se
svetlost prostije kroz jedinicnu povrsinu, tada ce se na putu dx
apsorbovati k
*
Idx svetlosti, sto znaci da ce intezitet svetlosti opasti za
dI = - k
*
Idx, gde je k
*
koeficijent apsorbcije. Ako smatramo da se na
putu x intezitet svetlosti menja od I=I
0
do I=I
f
dobijamo integracijom
poslednje jednacine:
, gde je
.
Ovde je
integralni koeficijent asorpcije, a x integralni presek
apsorbcije na jedan atom. U normalnim uslovima pri
termodinamickoj ravnotezi, naseljenost energetskih nivoa opada sa
povecanjem energije (N
2
<<N
1
). U tom slucaju je
sto znaci
da
4. Sistemi sa dva i tri nivoa
Prvi uspesan rezultat u realizaciji sredine sa inverznom naseljenoscu
predstavlja stvaranje sistema sa dva nivoa na bazi molekula
amonijaka, odnosno molekularnog mlaznog generatora vrlo visokih
frekvencija.
Stvaranje inverzne naseljenosti u ovakvom sistemu pomocu
spoljasnje pobude je vrlo tesko.
U cvrstim kristalnim telima sistem atoma se moze prevesti u
pobudjeno stanje pomocu spoljasnjeg elektromagnetnog polja. U
takvim uslovima nemoguce je postici inverznu naseljenost pomocu
sistema sa dva nivoa, jer su verovatnoce prelaza jednake. Zbog toga,
delovanjem elektromagnetnih talasa moze se samo smanjiti razlika
N
1
-N
2
u odnosu na ravnoteznu razliku, ali se nemoze ostvariti
negativna razlika, sto znaci da se nemoze postici negativni koef.
apsorpcije. Zbog ovih cinjenica uveden je sistem sa tri nivoa.
5.Sistemi sa četiri nivoa
U ovom sistemu prinudno zracenje nastaje pri prelasku aktivnih
atoma iz energetskog stanja W
3
u energetsko stanje W
2
pri cemu je
nivo W
3
metastabilan. Razlika W
2
- W
1
treba d bude veca od kT kako
bi se onemogucio prelazak atoma pod uticajem toplote. Ako je W
2
-
W
1
< kT ovaj sistem posmatramo kao sistem sa dva nivoa. U sucaju
kada je W
2
- W
1
>> kT, tada je u uslovima termodinamicke ravnoteze
naseljenost nivoa W
2
neznatna. Da bi se postigla inverzna
naseljenost, potrebno je prevesti odredjeni broj atoma iz stanja W
1
u
stanje W
3
taj broj moze biti vrlo mali. Zbog toga se za pobudu
sistema sa cetiri nivoa trosi znatno manje energije nego za sistem sa
tri nivoa. Sistem sa cetiri nivo se moze ostvariti na bazi flucrita sa
dodatkom U
3+
ili Sm
2+
ili Dy
2+
kao aktivatorima u iznosu od priblizno
0.1%. Ovaj sistem se moze ostvariti i na bazi stakla sa dodatkom
Nd
3+
.
Uproscena jednacina naseljenosti za stacionarni rezim:
. Ocigledno je da
u stacionarnim uslovima generacije, kada je (N
3
-N
2
)>0 ne postoje
ogranicenja u pogledu fluorescencije.
6. Širina spektralne linije
Vazna karakteristika svetlosnog zracenja je spektralni sastav ili
spekter zracenja. Spektralni intezitet zracenja u stvarnosti se
razlikuje od nule samo u konacnom frekventnom intervalu. Kada
govorimo o spektralnoj liniji pod tim podrazumevamo neki konacan
skup frekvencija u kojem je spektralni intezitet zracenja erazlicit od
nule. Ako se kvantni prelazi odvijaju izmedju dva nivoa, koji se
mogu prikazati u obliku horizontalnih linija, pri prelazu elektrona sa
viseg na nizi nivo oslobadja se foton smo jedne frekvencije.
Medjutim svaki svaki energetski nivo predstavlja skup vise
podnivoa, tako da su moguci kvantni prelazi razlicitih vrsta:
sto znaci da neodredjenost energije ΔW postaje manja pri povecanju
neodredjenosti vremena. Sa slike sledi: hf
max
-hf
min
=ΔW
2
+ΔW
1
sto
znaci da se zbirom neodredjenosti energija oba nivoa, moze odrediti
frekvencija prelaza.
,
odnosno
. Spektralnu liniju koja ima ovakvu
7. Optički rezonatori; otvoreni rezonatori.
Za veoma visoke frekvencije reda 10
14
Hz koriste se opticki
rezonatori, koji mogu biti razlicite frekvencije ali su uvek otvorenog
tipa.Otvoreni rezonatori: Ovakv rezonator se sastoji od dva ogledala
izmedju kojih se nalazi aktivna ili pasivna sredina. Aktivna sredina
ima odgovarajuce energetske nivoe, koji se mogu pobuditi
dovodjenjem energije iz spoljasnjeg izvora recimo pumpanjem.
Otvoreni rezonator u laseru sluzi za ostvarivanje pozitivne povratne
sprege i emisiju koherentne svetlosti na racun prinudnog zracenja.
Pasivni otvoreni rezonatori ne sadrze energetske izvore, oni
predstavljaju sistem koji se sastoji iz refleksionih povrsina izmedju
kojih se nalazi izotropna, homogena dielektricna sredina. Od
kvaliteta otvorenog rezonatora zavise osnovne karakteristike
emitovanog zracenja snaga, usmerenost, monohromaticnost i
koherentnost. Realni rezonator je znatno veci od talasne duzine
svetlosti pa se u njemu pobudjuje niz sopstvenih oscilacija koje
nazivamo modovima, sto negativno utice na karakteristike zracenja.
nastali stojeci talasi potrebno je da se izmedju ogledala nalazi ceo
broj polutalasa. L = r λ/2. Sopstvena frekvencija takvog stojeceg
tlasa iznosi:
. Ovakve talase nazivamo
uzduznim ili aksijalnim tipovima oscilacija. Ako se talas siri pod
nekim uglom α onda je uslov dat sa
(ugaoni tipovi oscilacija)
8. Gasni laseri, vrste gasnih lasera.
Pomocu visokofrekventnog generatora vrsi sepraznjenje smese
gasova neona i helijuma. Gasni laseri sadrze dva planparalelna
ogledala od kojih je jedno potpuno neprozracno a drugo delimicno
prozracno. Ova ogledala obrazuju opticki rezonator u kojem nastaje
koherentna svetlost. Gustina gasa je mala pa rastojanje izmedju
ogledala moze biti veliko, cime se lakse postize monohromaticnost i
bolja usmerenost laserskih zraka. Ali gas kao aktivna sredina ima i
odredjene nedostatke, zbog male gustine gasa nemozemo postici
impulse velike snage.
Interesantna osobina gasova sastoji se u cinjenici da se inverzna
naseljenost moze postici veoma razlicitim fizikalnm procesima kao
sto su: praznjenje gasova, pobudjivanje atoma spoljasnjim
svetlosnim izvorom, nenelasticni sudari atoma i molekula itd.
Razlikujemo tri vrste gasnih lasera: laseri sa neutralnim atomima,
jonski laseri i molekularni laseri. Ovi laseri se se medjusobno
razlikuju po mehanizmu nastajanja inverzne naseljenosti i po talasnoj
duzini zracenja.
9. Laseri na bazi helijuma i neona
U ovom lseru aktivnu sredinu predstavljaju neutralni atomi neona.
Kada se ukljuci visokofrekventni generator otpocinje praznjenje gasa
i atomi neona se pobudjuju. Tada valentni elektroni prelaze sa
osnovnog nivoa W
1
na metastabilne nivoe W
4
i W
5
Inverzija
naseljenosti nastaje kada su nivoi W
4
i W
5
popunjeniji od nivoa W
3
.
Medjutim u cistom neonu postoji i nivo W
2
koji je metastabilan tako
da on negativno utice na popunjavanje metastabilnih nivoa W
4
i W
5
.
Ova poteskoca se moze izbeci uvodjenjem u neon atoma helijuma.
Pravilnim izborom kolicine helijuma i neona postize se da su nivoi
W
4
i W
5
neoma znatno popunjeniji nego u cistom neonu, cime se
postize znatna inverzna naseljenost u odnosu na nivo W
3
.
Koncetracija helijuma je znatno veca od koncetracije neona i u
praksi ovaj odnos iznosi od 5 do 15.
Gasni laser kod kojeg se praznjenje gasova vrsi uz pomoc
jednosmernog napona koji se dovodi izmedju anoge i katode. U tom
slucaju je potreban visok napon koji daje jacinu polja od 1 do 4kV/m
pri struji praznjenja gasa reda 10mA. U ovom slucaju ogledala se
nalaze van gasne cevi cime se postize lakse podesavanje ogledala za
dobijanje optimalnog zraka, isto tako ogledala ne bombarduju i ne
ostecuju joni koji nastau prilikom praznjenja gasova.
10. Jonski laseri
Kao gasna sredina u ovim laserima koriste se jonizovani gasovi
inertnih gasova (ksenon, kripton, argon, neon), a takodje i jonizovani
gasovi fosfora, sumpora i hlora. u svim ovim jonizovanim gasovima
koriste se laserski preazi izmedju energetskih nivoa jonizovanih
atoma, pri cemu stepen jovizacije moze biti veoma velik.
Od svih jonskih lasera u praksi se najcesce koriste oni na bazi jona
argona. Da bi se pobidili joni argona, otrebno je ostvariti dva procesa
a) propustajuci struju kroz gas argon unutar cevi u kojoj se argon
nalazi pod pritiskom od oko 50 Pa dolazi do praznjenja gasa ,
elektroni se sudaraju sa neutralnim atomima i stvaraju jone Ar+.
b) sada se u daljem procesu joni argona sudaraju sa elektronima i
dolazi do pobudjivanja jona argona.
Principijelna konstrukcija jonskog lasera
1) neprozracno ogledalo, 2) okno, 3) uska cev u kojoj se vrsi
jonizacija gasa, 4) duga cev koja obezbedjuje povratnu cirkulaciju
gasa, 5) poluprozracno ogledalo, K - katoda, A - anoda, M - magnet.
Strelice pokazuju smer tecnosti za hladjenje cevi za jonizaciju.
Najvece poteskoce pri izgradnji ovih lasera predstavlja kapilarna cev
cije zidove bombarduju elektroni i joni, tako da se na njoj javljaju
naprsline i ona lako puca.
11. CO
2
laseri
Za razliku od atoma, molekuli imaju, pored elektronskih energeskih
nivoa i oscilatorne i rotacione nivoe. Sve tri vrste energija su
kvantovane. U molekulima koji se sastoje od nekoliko atoma
unutrasnja energija zavisi od energije elektrona svakog atoma, kao i
od onergije oscilatornog kretanja atoma oko nekog ravnoteznog
polozaja. Oscilacije atoma u molekulu su takodje kvantovane, a
dozvoljene su samo one oscilacije koje se mogu opisati diskretnim
skupom vrednosti energije oscilacija. Oscilacije molekula CO
2
:
izmedju oscilatornih energetskih nivoa, molekula CO
2.
Ovi molekuli
imaju tri frekvencije sopstvenih oscilacija, kojima odgovaraju
energetski nivoi W
3
, W
4
i W
5
. Inverzna naseljenost u molekulu
nastaje na vise ncina. Na prvom mestu pobuda se postize kada se
molekul CO
2
sudari sa elektronima pri praznjenju u gasu. Ovaj
efekat je omogucio stvaranje laserskog zraka snage 1mW, u
kontinualnom rezimu, a vec 1965 postignuta je snaga od gotovo
10W. Pored ovako velike snage ovaj laser je imao i velik koeficijent
korisnog dejstva, koji je iznosio 10%, dok je kod He-N3 lasera
iznosio samo 0,01%. Nesto kasnije su se pojavili i laseri snage 4KW
na bazi CO
2
u kontinualnom rezimu.
12. Laseri na bazi čvrstih tela, aktivna sredina lasera na bazi
čvrstih tela
U lasere na bazi cvrstih tela ubrajamo lasere u kojima se kao aktivna
sredina koristi kristalno ili amorfno telo. Osnovna razlika lizmedju
lasera na bazi cvrstih tela i lasera na bazi gasova sastoji se u cinjenici
da cvrsta tela imaju daleko vecu koncetraciju aktivnih cestica nego
gasovi. Zbog toga naseljenost energetskih nivoa u cvrstim telima
mnogo je veca od naseljenosti energetskih nivoa u gasovima, pa se
zato pomocu lasera na bazi cvrstih tela postizu mnogo vece snage.
Cvrsto telo kao opticka sredina ima manju opticku homogenost nego
gasovi, sto uslovljava vece disperzione gubitke svetlosti i smanjuje
kvalitet rezonatora pri njegovoj vecoj duzini, pa se neprave veci od
50 do 60 cm za opticki najhomogenije materijale.
Aktivna sredina u obliku kristalnog ili amorfnog dielektrika ima
oblik valjka ili pravouglog paralelopipeda, kao na slici
ogledalima.Rezonatori na bazi dielektrika se sastoje od matrice i
aktivatora. Osnovni materijal matrica ne ucestvuje u procesima koji
dovode do laserskog zracenja. U matrici se nalazi obicno ispod 1%
aktivatora. Indukovani prelazi se odvijaju na aktivatorima, cime se
dobija lasersko zracenje. Kao aktivatori koriste se obicno elementi
retkih zemalja, a tekodje hrom i uran. Pred kristala za izradu matrice
koristi se i staklo. Prednost stakla je u jednostavnijem tehnoloskom
postupku izrade, mogucnosi izrade vecih dimenzija rezonatora,
visoka prozracnost i opticka homogenost. Losija termicka stabilnost.
sl 1. ne polarizovana svetlost
sl 2. polarizovana svetlost
se intezitet svetlosti smanjuje zbog
asorpcije u telu koroz koje svetlost
prolazi. U slucaju da je N2=N1 ,
koeficijent asorpcije u toj sredini je
nula sto znaci da svetlost prolazi
nepromenjena. Ako je inverzna
naseljenost tj N
2
>>N
1
koeficijent
apsorpcije ce biti negativan tj.
intezitet svetlosti ce se povecati.
Pod uticajem spoljasnjih sila moguci
su prelazi sa slike. Vracanje
pobudjenih molekula na nivo W
1
moguce je kako preko spontanog
tako i preko prinudnog prelaza.
Pod uticajem spoljasnjeg
zracenja apsorbuje se
energija u sirokom
frekventnom intervalu,
koji odgovara sirokom
nivou W
3
.
Prema
Hajzembergovom
principu
neodredjenosti:
Sopstvene ioscilacije u ovom
rezonatoru mozemo tretirati kao
interferencije ravanskih talasa, koji
se sire od jednog ka drugom
ogledalu cime nastaju stojeci talasi.
Da bi
1) aktivna sredina
2) neprozracno ogledalo
3) poluprozracno ogledalo
4) prstenaste elekrode
5) laserski zrak
6) staklena cev
A - anoda
K - katoda
1- neprozracno ogledalo
2 - Brusterova okna
3 - staklena cev
4 - poluprozracno ogledalo.
Izmedju dva atoma kiseonika nalazi se
jedan atom ugljenika. U takvom
molekulu moguca su tri tipa oscilacija,
b) simetricne, c) antisimetricne i
d) deformisane. Frekvencije ovih
oscilacija nazivamo frekvencijama
normalnih oscilacija. Prvi molekularni
laser je bio izradjen u SAD 1964 god.
i radio je na indukovanim prelazima
U ovom slucaju ogledala se izvode
posebnom obradom granicnih povrsina
tela, koje predstavljaju aktivnu sredinu.
Umesto podesavanja ogledala ovde se
vrsi pedantna obrada krajnjih povrsina
sto daje potrebnu paralelmnost
