Valne pojave svjetlosti (svijetlost je transverzalni i elektromagnetski val)

Vrlo brzo nakon što su izumljeni 1960. godine, laseri su postali novi izvori svjetlosti u znanstvenim laboratorijima širom svijeta. Danas se laseri koriste posvuda, u širokom spektru aplikacija poput prijenosa podataka, nadgledanja, zavarivanja, bar-code čitačima itd. Na slici je prikazana kirurška operacija pomoću laserskog svjetla prenesenog preko svjetlovoda. Svjetlost iz lasera, kao i iz bilo kojeg drugog izvora, nastaje emisijom atoma.

• Vrlo brzo nakon što su izumljeni 1960. godine, laseri su postali novi izvori svjetlosti u znanstvenim laboratorijima širom svijeta. Danas se laseri koriste posvuda, u širokom spektru aplikacija poput prijenosa podataka, nadgledanja, zavarivanja, bar-code čitačima itd. Na slici je prikazana kirurška operacija pomoću laserskog svjetla prenesenog preko svjetlovoda. Svjetlost iz lasera, kao i iz bilo kojeg drugog izvora, nastaje emisijom atoma.

Svijetlost je transverzalni val

• Svijetlost je transverzalni val

• Svijetlost je elektromagnetski val ( a elektromagnetski val je primjer transverzalnog vala)

Valne pojave svjetlosti (svijetlost je transverzalni i elektromagnetski val)

• Valne pojave svjetlosti (svijetlost je transverzalni i elektromagnetski val)

• Kao što smo spomenuli, svjetlost ima dvojnu prirodu. Pojave koje ukazuju da je svjetlost val su interferencija, difrakcija i polarizacija svjetlosti. Budući da su interferencija i difrakcija kao pojave usko povezane, za potpuno razumijevanje difrakcije svjetlosti potrebno je objasniti interferenciju svjetlosti. Olaka okolsnost je da se interferencija i difrakcija svjetlosti opažaju na zvučnim valovima i valovima na vodi, koji će nam poslužiti kao dobra nadopuna objašnjenja ovih dvaju pojava.

• Interferencija svjetlosti

• Drugi zakon geometrijske optike kaže da ako se dva svjetlosna snopa sjeku u nekoj točci prostora, ne utječu jedan na drugog te nastave svoje gibanje. Međutim, u posebnim uvjetima možemo opaziti interferenciju dvaju svjetlosnih snopova, tj. njihovo pojačavanje ili poništavanje. Interferencija je tipična valna pojava karakteristična za svako valno gibanje. Najlakše je opažamo na vodi promatrajući valove koji nastaju iz dva bliska izvora: primjećujemo kako se valovi u određenim mjestima pojačavaju a u drugim poništavaju (spomenuto u osnovnim obilježjima vala). Kažemo da nastaje konstruktivna i destruktivna interferencija. Dva vala će se pojačati ako su u fazi,

• Slika 3.1. Interferencija svjetlosti

Svjetlosni val nastaje kada pobuđeni atom emitira višak energije u obliku svjetlosti. (ANIMACIJA spontane emisije)

• Svjetlosni val nastaje kada pobuđeni atom emitira višak energije u obliku svjetlosti. (ANIMACIJA spontane emisije)

• Da bi došlo do interferencije svjetlosti, valovi moraju biti koherentni. Naime, svjetlosne valove emitiraju pojedini atomi ili molekule u tvari (npr. atomi u volframskoj niti žarulje). Taj proces traje vrlo kratko, stoga izvor svjetlosti emitira veliki broj pojedinačnih valova. Takva svjetlost nema pravilne razlike u fazi između valova od kojih se sastoji te kažemo da je takva svjetlost nekoherentna. Izvore takve svjetlosti nazivamo nekoherentnim izvorima. Takvi su izvori gotovo svi koje poznajemo iz svakodnevnog života. Analogno, ako je razlika u fazi između valova svjetlosti konstantna, kažemo da je svjetlost koherentna, a izvore takve svjetlosti nazivamo koherentnim izvorima Primjeri takvih izvora su laseri.

• Engleski fizičar Thomas Young opazio je 1803. godine interferenciju svjetlosti iz dviju pukotina koje su osvjetljene točkastim izvorom svjetlosti (slika 3.4).

• Slika 3.4. Youngov pokus

• Sunčeva svjetlost obasjava jednu usku pukotinu. Iz pukotine izlaze svjetlosni valovi koji upadaju na dvije uske i bliske pukotine ( i ). Iz tih pukotina izlaze dva koherentna vala. U točci P na zastoru valovi jednog i drugog izvora (tj. valovi od jedne i druge pukotine) zbrajaju se i daju interferentnu sliku. Valovi su na pukotini bili u fazi. Međutim, došavši do točke P jedan je prevalio dulji put od drugoga, te valovi više nisu u fazi. Ovisno o razlici u fazi koju će valovi imati u određenoj točci zastora, nastati će svjetla pruga (za konstruktivnu interferenciju) ili tamna pruga (za destruktivnu interferenciju) interferencije (prikazano na slici 3.5). To je bio jedan od prvih pokusa koji je potvrdio valnu prirodu svjetlosti.

• Slika 3.5. Interferencija monokromatske svjetlosti.

Svjetlosni val nastaje kada pobuđeni atom emitira višak energije u obliku svjetlosti.

• Svjetlosni val nastaje kada pobuđeni atom emitira višak energije u obliku svjetlosti.

• svijetlost je transverzalni i elektromagnetski val , svjetlost ima dvojnu prirodu.

• Pojave koje ukazuju da je svjetlost val su interferencija, difrakcija i polarizacija svjetlosti.

• interferenciju dvaju svjetlosnih snopova, tj. njihovo pojačavanje ili poništavanje. Interferencija je tipična valna pojava karakteristična za svako valno gibanje. Dva vala će se pojačati ako su u fazi,

• Da bi došlo do interferencije svjetlosti, valovi moraju biti koherentni. Naime, svjetlosne valove emitiraju pojedini atomi ili molekule u tvari (npr. atomi u volframskoj niti žarulje). Taj proces traje vrlo kratko, stoga izvor svjetlosti emitira veliki broj pojedinačnih valova. Takva svjetlost nema pravilne razlike u fazi između valova od kojih se sastoji te kažemo da je takva svjetlost nekoherentna. Izvore takve svjetlosti nazivamo nekoherentnim izvorima. Takvi su izvori gotovo svi koje poznajemo iz svakodnevnog života.

• ako je razlika u fazi između valova svjetlosti konstantna, kažemo da je svjetlost koherentna, a izvore takve svjetlosti nazivamo koherentnim izvorima Primjeri takvih izvora su laseri.

Foton je elementarna čestica, kvant elektromagnetskog zračenja, koji se u vakumu giba brzinom svjetlosti c. Nema masu mirovanja, a sadrži energiju

• Foton je elementarna čestica, kvant elektromagnetskog zračenja, koji se u vakumu giba brzinom svjetlosti c. Nema masu mirovanja, a sadrži energiju

• E=hν , gdje je h Planckova konstanta (6,626.10-34J), a ν frekvencija.

• a čini se da daje uvid u prirodu fotona i Planckove konstante: Planckova konstanta mogla bi biti energija fotona koji ima periodu od T = 1 s ("standardni foton"), a (pojedinačni) foton bi mogao biti (pojedinačni) elektromagnetski val, čija je perioda obrnuto proporcionalna energiji.

Ograničenje titranja valova svijetlosti na neku određenu ravninu, tj. isključivanje svih titranja, koja nisu u toj ravnini. Svijetlost se rasprostire u transverzalnim valovima u svim ravninama okomitim na smijer rasprostiranja

• Ograničenje titranja valova svijetlosti na neku određenu ravninu, tj. isključivanje svih titranja, koja nisu u toj ravnini. Svijetlost se rasprostire u transverzalnim valovima u svim ravninama okomitim na smijer rasprostiranja

Francuski fizičar Malus (Malis) izvodeći pokuse refleksije svijetlosti na ravnim zrcalima otkrio je, 1808 god., ovu pojavu: kad zrake svijetlosti padaju na zrcalo da s okomicom na ravninu zrcala zatvaraju upravo kut od 56°, onda su zrake reflektirane svijetlosti linearno polarizirane, tj. valovi svijetlosti titraju u jednoj ravnini .

• Francuski fizičar Malus (Malis) izvodeći pokuse refleksije svijetlosti na ravnim zrcalima otkrio je, 1808 god., ovu pojavu: kad zrake svijetlosti padaju na zrcalo da s okomicom na ravninu zrcala zatvaraju upravo kut od 56°, onda su zrake reflektirane svijetlosti linearno polarizirane, tj. valovi svijetlosti titraju u jednoj ravnini .

Polarizacija svijetlosti nastaje i onda kad se svijetlo pušta kroz tanke pločice prozirnog minerala turmalina. Ako su dvije turmalinove pločice postavljene tako da svjetlost nakon prolaza kroz jednu pločicu odmah dolazi do druge, a obije su pločice postavljene tako da su im kristalne osi međusobno paralelne, onda će svjetlost prolaziti makar i oslabljena (zbog apsorpcije u kristalu). Zaokreće li se jedna od pločica u istoj ravnini, u oko promatrača dolazit će sve manje svjetlosti. Kad zaokret bude iznosio upravo 90°, svjetlost će nestati. Daljnji zaokretanjem pločice svjetlost će se opet pojaviti. Prolaženjem kroz prvu pločicu trumalina ne propušta upravo te titraje, jer joj optička os sa ravninom titranja polarizirane svijetlosti zatvara pravi kut. Za polarizaciju svjetlosti i ispitivanje te pojave upotrebljava se i mineral islandski dvolomac (kristalizirani kalcit, CaCO3) u obliku prizme. Svijetlost polariziraju i kristali herapatita, umjetno priređenog organskog spoja. Od njega se izrađuju polarizacioni filteri ili polaroidi. N

• Polarizacija svijetlosti nastaje i onda kad se svijetlo pušta kroz tanke pločice prozirnog minerala turmalina. Ako su dvije turmalinove pločice postavljene tako da svjetlost nakon prolaza kroz jednu pločicu odmah dolazi do druge, a obije su pločice postavljene tako da su im kristalne osi međusobno paralelne, onda će svjetlost prolaziti makar i oslabljena (zbog apsorpcije u kristalu). Zaokreće li se jedna od pločica u istoj ravnini, u oko promatrača dolazit će sve manje svjetlosti. Kad zaokret bude iznosio upravo 90°, svjetlost će nestati. Daljnji zaokretanjem pločice svjetlost će se opet pojaviti. Prolaženjem kroz prvu pločicu trumalina ne propušta upravo te titraje, jer joj optička os sa ravninom titranja polarizirane svijetlosti zatvara pravi kut. Za polarizaciju svjetlosti i ispitivanje te pojave upotrebljava se i mineral islandski dvolomac (kristalizirani kalcit, CaCO3) u obliku prizme. Svijetlost polariziraju i kristali herapatita, umjetno priređenog organskog spoja. Od njega se izrađuju polarizacioni filteri ili polaroidi. N

Sunčeva svjetlost se sastoji od različitih valnih duljina koje naše oko vidi kao različite boje. Svjetlost različitih boja gledana zajedno izgleda nam kao bijela svjetlost

• Sunčeva svjetlost se sastoji od različitih valnih duljina koje naše oko vidi kao različite boje. Svjetlost različitih boja gledana zajedno izgleda nam kao bijela svjetlost

• Pojava razdvajanja svjetlosti na svoje komponente se zove difrakcija, a može se vidjeti i na prizmi. Do loma svjetlosti dolazi zato što svjetlost putuje različitom brzinom u tvarima različite gustoće. Pri nailasku na granicu sredstava mijenja se brzina svjetlosti i dolazi do loma. Kut loma može se izračunati prema Snellovom zakonu loma: n1 sin A = n2 sin B,gdje je A upadni kut, B je kut loma, a n1 i n2 su indeksi loma tvari.

Riječ laser je kratica engleskog izraza

• Riječ laser je kratica engleskog izraza

• “light amplification by the stimulated emission of radiation”,

• što se prevodi kao “pojačanje svjetlosti stimuliranom emisijom radijacije”.

• Još je 1917 A. Einstein izračunao potrebne uvijete za nastanak stimulirane emisije ali je praktična prinjena tih načela ostvarena tek 1960. kad je demostriran prvi laser baziran na kristalu rubina.

• Laserska svjetlost, kao i svjetlost npr. iz obične žarulje, je emitirana pri prijelazu atoma iz višeg u niže energijskog stanje. Međutim, za razliku od običnih izvora svjetlosti, u laserima atomi djeluju zajedno da bi proizveli svjetlost sa sljedećim karakteristikama:

Laserska svjetlost je visoko monokromatska, tj. sastavljena od samo jedne frekvencije. Svjetlost iz običnih (bijelih) žarulja je sastavljena od mnoštva različitih valnih duljine i stoga sigurno nije monokromatska. Čistoća laserske svjetlosti može biti do 1 dio u 1015.

• Laserska svjetlost je visoko monokromatska, tj. sastavljena od samo jedne frekvencije. Svjetlost iz običnih (bijelih) žarulja je sastavljena od mnoštva različitih valnih duljine i stoga sigurno nije monokromatska. Čistoća laserske svjetlosti može biti do 1 dio u 1015.
• Laserska svjetlost je vrlo koherentna, tj. fotoni su međusobno u fazi.

Laserska svjetlost je jako usmjerena. Npr. laserski puls korišten za mjerenje udaljenosti mjeseca napravio je točku na mjesečevoj površini radijusa od samo nekoliko metara. Svjetlost iz obične žarulje može se usmjeriti pomoću leća, ali nikad tako dobro kao laserska svjetlost.

• Laserska svjetlost je jako usmjerena. Npr. laserski puls korišten za mjerenje udaljenosti mjeseca napravio je točku na mjesečevoj površini radijusa od samo nekoliko metara. Svjetlost iz obične žarulje može se usmjeriti pomoću leća, ali nikad tako dobro kao laserska svjetlost.
• Laserska svjetlost može se oštro fokusirati. Ako dva svjetlosna snopa imaju istu energiju, snop koji se fokusira u manju točku imat će veći intenzitet. Da bi dobili intenzitet svjetlosti koju daju jaki laseri tijelo bi trebalo zagrijati na temperaturu 1030 K (radi usporedbe, volframova nit u žarulji je ugrijana na 3000 K, a temperatura u jezgri sunca je 108 K).

Riječ laser je kratica engleskog izraza

• Riječ laser je kratica engleskog izraza

• “light amplification by the stimulated emission of radiation”,

• što se prevodi kao “pojačanje svjetlosti stimuliranom emisijom radijacije”.

• Ovaj koncept je uveo Einstein 1917. godine, dok je prvi laser napravljen 1960.

• Razmotrimo izolirani atom koji može biti ili u svom osnovnom stanju (stanju s najnižom energijom) E0, ili u pobuđenom stanju (stanju s višom energijom) Ex.

• Postoje tri različita fizikalna procesa kroz koje atom može prelaziti iz jednog u drugo stanje.

• Apsorpcija. Atom se u početku nalazi u osnovnom stanju. Ako ga stavimo u elektromagnetsko polje frekvencije , atom može apsorbirati energiju h iz tog polja i preći u više energijsko stanja. Iz zakona sačuvanja energije imamo h=Ex-E0.
• Spontana emisija. Atom se na početku nalazi u pobuđenom stanju i nema vanjskog zračenja. Nakon nekog vremene, atom će spontano (“sam od sebe”) preći u osnovno stanje, emitirajući foton energije h. Ovaj proces zovemo spontana emisija, jer se događaj zbio bez vanjskog utjecaja. Svjetlost u običnoj žarulji je generirana na ovakav način. (U normalnim okolnostima srednje vrijeme života atoma u pobuđenom stanju, prije spontane emisije, je oko 10-8 s. Međutim, za neka pobuđena stanja, ovo srednje vrijeme života može biti i do 105 puta veće. Takva stanja zovu se metastabilna stanja i igraju važnu ulogu u radu lasera.)
• Stimulirana emisija. Atom je na početku u pobuđenom stanju, ali je ovaj put prisutno vanjsko elektromagnetsko polje frekvencije =(Ex-E0)/h. Foton energije h može stimulirati atom na prelazak u osnovno stanje, i tijekom tog procesa emitira dodatni foton čija energija je također h. Ovaj proces se naziva stimulirana emisija jer je događaj pobuđen vanjskim fotonom. Emitirani foton je u potpunosti identičan vanjskom fotonu, tj. imaju istu energiju, fazu, polarizaciju i smjer kretanja.

Apsorpcija. Atom se u početku nalazi u osnovnom stanju. Ako ga stavimo u elektromagnetsko polje frekvencije , atom može apsorbirati energiju h iz tog polja i preći u više energijsko stanja. Iz zakona sačuvanja energije imamo h=Ex-E0.

• Apsorpcija. Atom se u početku nalazi u osnovnom stanju. Ako ga stavimo u elektromagnetsko polje frekvencije , atom može apsorbirati energiju h iz tog polja i preći u više energijsko stanja. Iz zakona sačuvanja energije imamo h=Ex-E0.

Spontana emisija. Atom se na početku nalazi u pobuđenom stanju i nema vanjskog zračenja. Nakon nekog vremene, atom će spontano (“sam od sebe”) preći u osnovno stanje, emitirajući foton energije h. Ovaj proces zovemo spontana emisija, jer se događaj zbio bez vanjskog utjecaja. Svjetlost u običnoj žarulji je generirana na ovakav način. (U normalnim okolnostima srednje vrijeme života atoma u pobuđenom stanju, prije spontane emisije, je oko 10-8 s. Međutim, za neka pobuđena stanja, ovo srednje vrijeme života može biti i do 105 puta veće. Takva stanja zovu se metastabilna stanja i igraju važnu ulogu u radu lasera.)

• Spontana emisija. Atom se na početku nalazi u pobuđenom stanju i nema vanjskog zračenja. Nakon nekog vremene, atom će spontano (“sam od sebe”) preći u osnovno stanje, emitirajući foton energije h. Ovaj proces zovemo spontana emisija, jer se događaj zbio bez vanjskog utjecaja. Svjetlost u običnoj žarulji je generirana na ovakav način. (U normalnim okolnostima srednje vrijeme života atoma u pobuđenom stanju, prije spontane emisije, je oko 10-8 s. Međutim, za neka pobuđena stanja, ovo srednje vrijeme života može biti i do 105 puta veće. Takva stanja zovu se metastabilna stanja i igraju važnu ulogu u radu lasera.)

Stimulirana emisija. Atom je na početku u pobuđenom stanju, ali je ovaj put prisutno vanjsko elektromagnetsko polje frekvencije =(Ex-E0)/h. Foton energije h može stimulirati atom na prelazak u osnovno stanje, i tijekom tog procesa emitira dodatni foton čija energija je također h. Ovaj proces se naziva stimulirana emisija jer je događaj pobuđen vanjskim fotonom. Emitirani foton je u potpunosti identičan vanjskom fotonu, tj. imaju istu energiju, fazu, polarizaciju i smjer kretanja.

• Stimulirana emisija. Atom je na početku u pobuđenom stanju, ali je ovaj put prisutno vanjsko elektromagnetsko polje frekvencije =(Ex-E0)/h. Foton energije h može stimulirati atom na prelazak u osnovno stanje, i tijekom tog procesa emitira dodatni foton čija energija je također h. Ovaj proces se naziva stimulirana emisija jer je događaj pobuđen vanjskim fotonom. Emitirani foton je u potpunosti identičan vanjskom fotonu, tj. imaju istu energiju, fazu, polarizaciju i smjer kretanja.

Sva tri procesa prikazana su na slici desno: atomi su prikazani crvenom točkom; atom je ili u osnovnom stanju E0, ili u pobuđenom stanju Ex. a) atom apsorbira foton iz dolazećeg zračenja, b) atom emitira foton bez vanjskog utjecaja, c) svjetlost koja prolazi uzrokuje da atom emitira foton iste energije, povećavajući tako energiju svjetlosnog vala

• Sva tri procesa prikazana su na slici desno: atomi su prikazani crvenom točkom; atom je ili u osnovnom stanju E0, ili u pobuđenom stanju Ex. a) atom apsorbira foton iz dolazećeg zračenja, b) atom emitira foton bez vanjskog utjecaja, c) svjetlost koja prolazi uzrokuje da atom emitira foton iste energije, povećavajući tako energiju svjetlosnog vala

U teoriji, laser se sastoji od tri osnovna elementa.

• U teoriji, laser se sastoji od tri osnovna elementa.

• Aktivni medij je materijal u kojem dolazi do pobude fotona.

• Izvor energije daje potrebnu energiju za pobudu.

• Oscilatorski prostor se sastoji od dva ogledala među kojima se svjetlost odbija tako da se reflektiraju samo zrake koje putuju duž istog pravca.

• Crtež 1: Osnovni elementi lasera

• Rad lasera započinje aktivacijom izvora energije. Električna energija tada izravno

• ulazi u aktivni medij (kao npr. u slučaju C02 lasera i Argonskog lasera) ili se koristi

• za pogon snažne lučne svjetiljke (kao što je slučaj kod Nd:YAG lasera), koja zatim

• isijava fotone koji ulaze u aktivni medij.

Kada foton iz izvora energije udari u neki od elektrona koji kruže oko jezgre, elektron se privremeno podiže na višu energetsku razinu. Elektron zatim pada na prvobitnu

• Kada foton iz izvora energije udari u neki od elektrona koji kruže oko jezgre, elektron se privremeno podiže na višu energetsku razinu. Elektron zatim pada na prvobitnu

• energetsku razinu, otpuštajući foton. Ovaj proces se naziva “spontana emisija”.

Ako drugi foton udari u elektron kada je ovaj još uvijek na višoj energetskoj razini, elektron pada na prvobitnu energetsku razinu, ali u istom trenutku otpušta foton iste boje (odnosno iste valne duljine) kao foton koji ga je udario. Novi foton se i kreće potpuno istim pravcem kao i originalni foton; odnosno, tamo gdje je prije sudara bio

• Ako drugi foton udari u elektron kada je ovaj još uvijek na višoj energetskoj razini, elektron pada na prvobitnu energetsku razinu, ali u istom trenutku otpušta foton iste boje (odnosno iste valne duljine) kao foton koji ga je udario. Novi foton se i kreće potpuno istim pravcem kao i originalni foton; odnosno, tamo gdje je prije sudara bio

• jedan, sada su dva fotona. Ovaj proces se naziva “stimulirana emisija”.

Kako iz izvora energije izlaze milijuni fotona i podižu milijune elektrona na višu energetsku razinu, neki od otpuštenih fotona spontanom emisijom udaraju u jedno od ogledala oscilatorskog prostora i vraćaju foton nazad u aktivni medij i tako potiču stimuliranu emisiju.

• Kako iz izvora energije izlaze milijuni fotona i podižu milijune elektrona na višu energetsku razinu, neki od otpuštenih fotona spontanom emisijom udaraju u jedno od ogledala oscilatorskog prostora i vraćaju foton nazad u aktivni medij i tako potiču stimuliranu emisiju.

• Kako foton koji je nastao stimuliranom emisijom putuje istim smjerom kao originalni foton, dobili smo dva identična fotona koja putuju zajedno. Zbog ogledala, ti se fotoni ponovno vraćaju u aktivni medij sve dok se ne sudare sa drugim elektronima na višoj energetskoj razini i tako stvaraju po dva dodatna fotona. Sada već imamo četiri fotona koji putuju u istom smjeru. Ovaj se proces ponavlja dok se ne proizvede

• dovoljno velik broj fotona - u skraćenici LASER izraz pojačavanje se upravo odnosi na ovakvo umnožavanje broja fotona. Jedno od ogledala u oscilatorskom prostoru je djelomično prozirno (polutransparentno), i dopušta izlaz manjem broju fotona iz oscilatorskog prostora. Od propuštenih fotona se formira laserska zraka, koja se zatim koristi za dobivanje kirurškog efekta.

Pretpostavimo sada da komad materijala sadrži veliki broj atoma u termalnoj ravnoteži na temperaturi T. Prije nego usmjerimo zračenje na taj materijal, N0 atoma je u osnovnom stanju s energijom E0, a Nx atoma je u pobuđenom stanju s energijom Ex. Ludwik Boltzmann je pokazao da se Nx može izraziti preko N0 pomoću relacije:

• Pretpostavimo sada da komad materijala sadrži veliki broj atoma u termalnoj ravnoteži na temperaturi T. Prije nego usmjerimo zračenje na taj materijal, N0 atoma je u osnovnom stanju s energijom E0, a Nx atoma je u pobuđenom stanju s energijom Ex. Ludwik Boltzmann je pokazao da se Nx može izraziti preko N0 pomoću relacije:

S obzirom da inverzija gustoće naseljenosti nije konzistentna s termalnom ravnotežom, treba smisliti pametan način kako je postići i zadržati.

• S obzirom da inverzija gustoće naseljenosti nije konzistentna s termalnom ravnotežom, treba smisliti pametan način kako je postići i zadržati.

• Plinski He-Ne laseri daju svjetlost valne duljine 632,8 nm.

• Rade na sljedećem principu:

• Staklena cijev se napuni mješavinom He-Ne mješavinom plinova u odnosu 20:80; neon je medij u kojemu se odvija fizikalni proces emisije laserskog svjetla.
• Na slici desno je prikazan energijski dijagram za atome He i Ne. Struja koja prolazi kroz mješavinu plinova, kroz sudare atoma He i elektrona iz struje uzrokuju pobudu atoma helija u stanje E3, koje je metastabilno.
• Energija stanja helija E3 (20,61 eV) je vrlo blizu energiji neonskog stanja E2 (20,66 eV). Stoga, kada se atom helija u stanju E3 sudari s atomom neona u osnovnom stanju E0, energija pobude atoma helija se vrlo često prenese na atom neona, koji se pobudi u stanje E2. Na ovaj način neonska energijska razina E2 postane naseljenija elektronima od razine E1 – imamo inverzuju gustoće naseljenosti.
• Ovu inverziju gustoće naseljenosti je relativno lako izvesti zbog: (1) na početku je razina E1 skoro potpuno prazna, (2) metastabilnost helijske razine E3 osigurava kontinuirani prelaz atoma neona na razinu E2 i (3) atomi iz razine E1 vrlo brzo se vraćaju (preko međustanja koja nisu prikazana) u osnovno stanje E0.

Plinski He-Ne laseri (nastavak)

• Plinski He-Ne laseri (nastavak)

• Pretpostavite sada da se jedan foton spontano emitira pri prijelazu atoma neona iz E2 u E1. Takav foton može tada stimulirat emisiju istih takvih fotona, koji nadalje opet stimuliraju istu emisiju ... Kroz takav proces stvara se koherentni snop crvene laserske svjetlosti koja putuje duž osi cijevi s plinom. Ako još na krajevima cijevi postavimo zrcala (s jedne strane nepropusno, a s drugo djelomično propusno) fotoni će se reflektirati od zrcala povećavajući tako vjerojatnost stimulirane emisije. Korisno lasersko svjetlo dobije se od dijela svjetlosti koja prođe kroz djelomično propusno zrcalo.

Sistem ima 3 energijske razine. Izvor zračenja djeluje izvana i inducira (pumpa) prijelaze iz 13 f13=(E3-E1)/h.

• Sistem ima 3 energijske razine. Izvor zračenja djeluje izvana i inducira (pumpa) prijelaze iz 13 f13=(E3-E1)/h.

• Ako je intenzitet vanjskog zračenja dovoljno velik, može s ostvariti jednaka naseljenost N1 N3. Kako se energijska razina N3 raspada prije svega na N2, omjer naseljenosti je

• Za dovoljno veliku energijsku razliku između E3-E2, naseljenost N2 je veća od N3 a time i od N1, i tada je u dijelu prijelaza 1-2 postignuta onverzija i frekvencija zarčenja f12=(E2-E1)/h postaje laserska frekvencija.

U laseru s tri razine više od polovice atoma mora biti u metastabilnom stanju da bi stimulirana bila stimulirana. To nije slučaj kod lasera s 4 razine.

• U laseru s tri razine više od polovice atoma mora biti u metastabilnom stanju da bi stimulirana bila stimulirana. To nije slučaj kod lasera s 4 razine.

• Prijelaz 1-4 zasićen je frekvencijom pumpanja. Prijelaz 4-3 osigurava inverziju naseljenosti za sistem 3-2 (to je laserski prijelaz) . Razina 2 se prazni u razinu 1 i time se psotiže da je niža razina laserskog prijelaza gotovo prazana.

Rubinski laser je napravljen 1960. Sastoji se od rubidijevog štapa dužine nekoliko cm, a okružen je helikoidalnom ksenonskom lampom.

• Rubinski laser je napravljen 1960. Sastoji se od rubidijevog štapa dužine nekoliko cm, a okružen je helikoidalnom ksenonskom lampom.

• Rubidij je prozirni kristal Al2O3 koji sadrži malu količinu (oko 0,05 %) kroma Cr3+ koji zamjenjuju Al3+. Cr3+ ima metastabilno stanje čije je vrijeme poluživota 0,003 s.

• Ksenonska lampa pobuđuje Cr3+ u više stanje koje se brzo raspada u metastailno stanje te lasersko svjetlo nastaje prijelazom iz tog metastabilnog stanja u osnovno stanje

Ovisno o trajanju djelovanja laserske zrake na tkivo (vrijeme djelovanja), sa jedne strane i o laserskom isijavanju po površini ili u dubinu tkiva (stvarna gustoća energije) sa druge strane, razlikujemo tri vrste interakcije sa tkivom:

• Ovisno o trajanju djelovanja laserske zrake na tkivo (vrijeme djelovanja), sa jedne strane i o laserskom isijavanju po površini ili u dubinu tkiva (stvarna gustoća energije) sa druge strane, razlikujemo tri vrste interakcije sa tkivom:

• fotokemijski učinak (10s - 1.000s; 10-3 - 1W/cm2) Duga izloženost djelovanja lasera male snage –biostimulacija koristi se za zacjelivanje rana smanjenje bolova…

• fototermički učinak (1ms - 100s; 1 - 106 W/cm2) Skračivanjem vremena i pojačanjem snage započinje fototermičko djelovanje u kirurgiji za rezanje i koagulaciju tkiva

• fotoionizacijski učinak (10ps - 100ns; 108 - 1012 W/cm2). Snažna električna polja vode ionizaciji odnosno velika gustoća fotona uzrokuje beztermičko kidanje međumolekularnih veza – foto ablazija. Fokusirani kratki ali izuzetno jaki impulsi – oftamologija mikrokirurški zahvati

Laseri sa čvrstom tvari kao aktivnim sredstvom Najpoznatiji su rubinski laser, Yag laser itd.(Rezanje bušenje, varenje)

• Laseri sa čvrstom tvari kao aktivnim sredstvom Najpoznatiji su rubinski laser, Yag laser itd.(Rezanje bušenje, varenje)

• Plinski laseri, kojima je aktivno sredstvo neki plin Najpoznatiji su He-Ne i CO2-N laseri

• Poluvodički laseri, kojima je aktivno sredsto dioda (koriste se u telekomunikacijama i računalima)

• Kemijski laseri – u kojima je laserska emisija uzrokovana kemijskim procesom

• Laseri se mogu dijeliti i na:

• Kontinuirani laseri, koji daju neprekinute laserske snopove
• Pulsni laseri, koji daju isprekidane laserske snopove

• Najmanji laseri, koji se koriste pri prenosu podataka kroz svjetlovode mogu imati veličinu reda veličine mm i generirati malu snagu od npr. 200 mW.

• S druge strane najjači (i najveći) laseri koriste se u istraživanju nuklearne fuzije, astronomskim i vojnim aplikacijama. Takvi laseri mogu generirati kratke pulseve snage i do 1014 W, što je nekoliko stotina puta veće od ukupnog kapaciteta proizvodnje električne energije u SAD-u. Da se izbjegne kratkotrajni gubitak napajanja strujom u SAD-u, energija koja je potrebna za jedan puls se kontinuirano prikuplja u relativno dugim vremenskim intervalima između dva pulsa.

Zbog sličnosti postupaka u različitim medicinskim disciplinama (na primjer liječenje perianalnih kondiloma u kirurgiji, ginekologiji, urologiji ili dermatologiji), ima smisla podjela prema područjima tijela, a ne prema medicinskoj specijalnosti.

• Zbog sličnosti postupaka u različitim medicinskim disciplinama (na primjer liječenje perianalnih kondiloma u kirurgiji, ginekologiji, urologiji ili dermatologiji), ima smisla podjela prema područjima tijela, a ne prema medicinskoj specijalnosti.

• Prvo imamo površinsku primjenu lasera koja se odnosi na kožu i vidljivu sluznicu.

• Druga je unutartjelesna primjena lasera koja nije ograničena samo na otvorenu kirurgiju ili endoskopiju već pokriva i međuprostornu primjenu, kao npr. Krvožilni sistem, šuplje organe ili tjelesne šupljine.

Lasere možemo koristiti u dijagnostici i u terapiji. Laser u terapiji može služiti kao kirurški instrument za pripremu, rezanje ili srašćivanje tkiva tijekom operativnog zahvata. Drugi način primjene, čiji se razvoj tek očekuje u bliskoj budućnosti, je upotreba lasera kao središnjeg terapeutskog postupka

• Lasere možemo koristiti u dijagnostici i u terapiji. Laser u terapiji može služiti kao kirurški instrument za pripremu, rezanje ili srašćivanje tkiva tijekom operativnog zahvata. Drugi način primjene, čiji se razvoj tek očekuje u bliskoj budućnosti, je upotreba lasera kao središnjeg terapeutskog postupka

• Sigurna upotreba lasera u medicini

• Do određene razine snage, sve valne duljine lasera su bezopasne, jer lasersko svjetlo nijeionizirajuće zračenje poput X-zraka. Opasnost postoji samo kod izlaganja laserskom svjetluvelike snage. Zaštita očiju za vrijeme laparaskopskih zahvata sastoji se od dodavanja filteraizmeđu oka i laparaskopa. Obično postoji i zaštitni mehanizam koji onemogućuje aktivacijulasera na otvorenom (izvan cijevi laparaskopa, odnosno trbušne šupljine).

Svakodnevna upotreba

• Svakodnevna upotreba

• Compact disc/DVD
• Laserski printer
• Optički diskovi (u skoroj budućnosti – npr. holografski diskovi)
• Bar-code čitači
• Zaštitni hologrami (na kreditnim karticama, Microsoftovom softwareu, vrijednosnim papirima)
• Prenos podataka svjetlovodima
• Direktni prijenos podataka (komunikacija među satelitima, vojna tehnologija)
• Hologrami (npr u muzejima, umjesto originalnih umjetnina)
• Laser show
• 3D kinetičke skulpture

Vojne primjene

• Vojne primjene

• Mjerenje udaljenosti
• Lociranje mete (navođenje “pametnih bombi”)
• Laserska oružja (“Star Wars” program)
• Osljepljivanje neprijatelja laserskim snopom

• Medicinske primjene

• Kirurgija
• Operacije očiju, operacije zubi, dermatološki zahvati, opći zahvati
• Dijagnostika i liječenje raka
• Liječenje termičkim efektima (biostimulacija)

• Industrija

• Mjerenja
• Povlačenje ultra ravnih linija
• Procesiranje materijala
• Rezanje, varenje, taljenje, isparavanje, fotolitografija u poluvodičkoj industriji ...
• Spektralna analiza

Istraživačke svrhe

• Istraživačke svrhe

• Fundamentalna istraživanja
• Interakcija zračenja s materijom, genetski inženjering ...
• Spektroskopija
• Nuklearna fuzija
• Hlađenje atoma na ultra niske tempereture
• Generiranje vrlo kratkih pulseva za studiranje vrlo brzih procesa

• Posebne primjene

• Prijenos energije (u budućim svemirskim postajama)
• Laserski žiroskop (instrument za orijentaciju u prostoru)
• Laserski procesi direktno u svjetlovodu (primjena u telekomunikacijama)

• Više o pojedinoj primjeni možete naći na http://stwi.weizmann.ac.il/Lasers/laserweb/Apps/Fap_spec.htm