DIFRACTIA LUMINII COERENTE PRODUSA DE LASER
GENERALITATI:
In anul 1960 T.H. Maiman a realizat pentru prima data producerea de vibratii coerente in domeniul optic (infrarosu, vizibil si ultraviolet) cu ajutorul unui laser (denumire de la Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation- amplificarea luminii prin emisia stimulata a radiatiei)
Existenta emisiei stimulate (sau a emisiei induse) a fost sugerata in 1917 de A. Einstein, din necesitatea de a demonstra formula lui M. Planck pentru radiatia corpului negru.
Emisia indusa este fenomenul invers procesului de absorbtie a undelor electromagnetice de catre substanta (atomi, molecule sau ioni). Cand un foton este absorbit de un sistem atomic energia fotonlui se adauga la energia interna a sistemului, aceasta trcand intr-o stare energetica excitata. Fie nivelul de energie corespunzator starii fundamentale si cel corespunzator starii excitate. Frecventa a radiatiei absorbite sau a celei emise spontan de sistem va fi data de relatia:
unde h este constanta lui Planck.
Sistemul atomic excitat va ramane in aceasta stare un timp scurt (
) dupa care va reveni in starea fundamentala de la care a plecat emitand radiatii de aceasi frecventa cu cea absorbita. Aceast emisie se poate face pe doua cai: fie prin emisie spontana, cand sistemul emite radiatie in mod natural revenind pe nivelul energetic E1, fie prin emisie stimulata, cand revenirea sistemului in starea inferioara 1 se face sub influenta "ciocnirii" cu un foton a carui lungime de unda este egala cu cea a radiatiei pe care sistemul o poate emite (conditia de prag).
Cand se realizeaza conditia de prag, in loc de un singur foton (cel incident) vor exista doi fotoni care la randul lor vor stimula alti doi atomi aflati in stare excitata rezultand patru fotoni s.a.m.d.. Are loc un fel de "reactie in lant", avalansa de fotoni formand radiatia emisa de generatorul sau amplificatorul cuantic. Deci revenirea in starea fundamentala, pentru o parte din atomi, are loc sponta, dand nastere la emisia naturala a liniilor spectrale iar pentru cealalta parte, aceasta revenire este provocata de o radiatie exterioara dand nastere emisiei induse. Intensitatea radiatiei absorbite este proportionala cu numarul de atomi (populatia) din starea fundamentala, iar intensitatea emisiei induse si a emisiei spontane sunt proportionale cu populatia nivelului superior (excitat). O particularitate importanta consta in faptul ca coeficientul de proportionalitate corespunzator emisiei induse este identica cu coeficientul de proportionalitate al absorbtiei. La echilibru termic absorbtia depaseste emisia indusa. Daca insa printr-un mijloc oarecare, se reuseste ca numarul de atomi N1 de pe nivelul inferior (provocandu-se o incersiune de populatie) intensitatea radiatiei emise, induse, depaseste intensitatea radiatiei absorbite. In acest caz, radiatia de frecventa care se propaga in mediul cu inversiune de popularie in loc sa fie atenuata va fi ampificata. Astfel se realizeaza un amplificator cuanric de rafiatie. Raportul dintre populatiile si ale nivelelor considerate este dat de relatia lui Boltzman.
unde: k este constanta lui Boltzman
T este temperatura absoluta.
Conditia de amplificare (N2>N1) a unui mediu activ maser sau laser, este o conditie necesata dar nu si suficienta. Este necesarsa se plaseze mediul intr-o cavitate unde energia sa fie depozitata si extrasa in exterior.
Pentru laser aceasta cavitate poate fi un cilindru drept ale carui fete extreme sunt reflectante. Una dintre fete este partial transparenta pentru a permite observarea radiatiei generate.
Deci un laser consta dintr-un mediu activ situat intre doua oglinzi una reflectanta si alta semireflectanta, lumina trebuind sa faca multiple drumuri de du-te-vino in mediul amplificator.
Campul electromagnetic al mediului din interiorul laserului este echivalent cu cel al cavitatii laser, cuplata slab cu exteriorul.O oscilatie intretinuta (aduca realizarea conditiei de functionare a laserului) va avea loc numai daca amplificarea in mediul activ (mediul in care se poate realiza inversiunea de populatie) va depasi pierderile prin reflexii si prin difractie.
Cu alte cuvinte va trebui realizata o conditie de prag data de relatia:
unde: L este distanta dintre oglinzile cavitatii;
gama este coeficientul de atenuare al mediului;
n este indicele de refractie al mediului;
g1 si g2 sunt gradul de degenerare al nivelelor N1 si N2;
A21 coeficientul Einstein de emisie spontana;
c este viteza luminii;
g
este functia care da forma curbei de absorbtie centrata pe frecventa .
Aceasta confitie este mai restrictiva decat conditia N2>N1 (conditia de amplificare) sim odata realizata, mediul activ intra in aut...