LASERi: emisia stimulată şi inversia de populaţie.

În cea de-a 12-a lecție de fizică atomică vom discuta despre o altă aplicație a fizicii atomice și anume LASER-ii.

Cuvântul LASER este un acronim provenit din numele în engleză al fenomenului de bază.

Îl voi citi în engleză și apoi îl voi explica în limba română.

Deci în engleză fenomenul s-ar numi Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

care tradus în românește și explicat un pic ar însemna fenomenul de emisie stimulată de radiație electromagnetică de către atomii excitați.

În toate lecțiile trecute am discutat foarte des despre faptul că atomii excitați revin în starea fundamentală printr-o emisie de radiație electromagnetică.

Deci ultima parte a acestei definiții nu aduce nimic nou.

Partea importantă este constituită de cuvintele emisie stimulată, de conceptul emisiei stimulată.

Pentru că în mod normal un atom excitat emite radiație printr-o așa numită emisie spontană și nu stimulată.

Vom discuta aceste noțiuni imediat.

Deci la baza fenomenului LASER stau două fenomene importante.

Primul este, după cum am spus deja, emisia stimulată de radiație,

care se face concret, se realizează concret într-un instrument de tip LASER cu o componentă numită rezonator optic.

Cel de-al doilea fenomen este așa numită inversie a populațiilor atomice,

care se realizează într-un instrument LASER printr-o componentă numită sistemul de pompaj sau de excitare,

care poate fi de trei tipuri, optic, electric sau chimic.

Deci haideți să discutăm aceste două fenomene.

În primul rând, emisia stimulată.

Pornim de la așa numită emisie spontană,

care este tipul de bază, tipul fundamental de emisie de radiație de către un atom.

Deci după cum am văzut, dacă avem un atom ce se află pe energie E1,

deci energia fundamentală sau energie excitată,

dar energia inițială este E1,

și avem un electron pe acest nivel,

și el primește energie din exterior,

atunci acest electron va executa o tranziție către un nivel energetic superior,

pe care îl notăm cu E2,

și după un anumit timp,

care este de ordinul 10 la minus 8 secunde,

acest electron va reveni pe nivelul inițial,

emițând diferența de energie E2 minus E1

sub forma unei radiații electromagnetice,

sau unui foton cu energia H.

Aceasta este emisia despre care am discutat în lecțiile trecute

și se numește emisie spontană.

De radiație de către un atom.

Haideți să vedem acum ce este o emisie stimulată.

Avem aceeași situație,

deci nivelul E1,

nivelul atomic E1,

cu un electron pe el,

în urma absorției unei anumite cantități de energie,

electronul se duce pe nivelul superior E2,

și după cum am spus,

după un anumit timp de ordinul 10 la minus 8 secunde,

el ar reveni pe nivelul inițial E1,

emițând această radiație.

Diferența într-o emisie stimulată

este că intervenim din exterior cu un foton,

deci avem un alt foton,

care are aceeași energie H,

dar care provine din exterior,

se ciocnește cu acest electron,

și în urma acestei interacții,

electronul execută aceeași tranziție,

către nivelul E1,

cu emisia aceleiași radiații Hν.

Deci avem aceeași tranziție a electronului,

cu emisia aceluiași foton,

dar la baza acestui proces

stă interacția de tip elastic,

o ciocnire de tip elastic,

cu un foton extern,

cu aceeași energie Hν.

Aceasta este emisia stimulată.

Emisia stimulată.

A aceiași radiații.

De ce am dorit să facem acest lucru?

Păi în primul rând pentru că atunci

tranziția are loc mult mai rapid.

Deci obținem același proces,

dar într-un mod stimulat,

care are loc cu o rată

a procesului mult mai mare,

în funcție de numărul acestor fotoni externi.

Deci obținem o așa numită amplificare

a acestei radiații.

Deci prin efectul de emisie stimulată

se obține prima parte a efectului laser

și anume light amplification,

amplificarea luminii.

Aceste tranziții

sunt într-o succesiune mult mai rapidă

și ceea ce duce la o intensitate mai mare

a radiației finale.

Foarte important, pentru ca acest proces

să aibă loc, trebuie ca fotonul extern

care grăbește procesul de emisie

făcând o stimulată,

trebuie să aibă energia exact egală

sau precis egală

cu diferența dintre E2-E1.

Deci acest h-nu trebuie să fie exact egal

cu E2-E1.

Dacă h-nu este diferit,

deci energia fotonului

care stimulează tranziția

este diferită de E2-E1,

atunci putem avea

un alt proces, sunt multe alte procese

care pot avea loc,

ca spre exemplu, putem avea

o tranziție electronului

pe un nivel mai superior

decât E2,

deci un nivel cu numărul cuantic

și mai mare decât E2.

Deci putem avea

o tranziție către un E3

sau putem avea o ionizare

a atomului, în sensul că

energia este suficientă încât

electronul să devină liber și atomul

să ionizează.

Deci putem avea

multe procese, singurul

proces în care noi suntem interesați

bineînțeles este

tranziția electronului

înapoi în starea fundamentală

cu emisia lui h-nu

și pentru ca aceasta să aibă

loc, trebuie ca fotonul

ce produce această emisie

stimulată să aibă și el

exact aceeași energie și anume h-nu.

Acum

haide să discutăm despre inversia

populațiilor.

Nu, înainte de asta haide să discutăm

conceptul de rezonator optic.

Deci rezonatorul optic

este un sistem de oglinzi

care pur și simplu

reflectă în interiorul

instrumentului laser

această radiație

de tip h-nu amplificând

deci practic amplifică numărul

de fotoni cu această

energie.

Și în concluzie obținem

dacă vreți o baie

de astfel de fotoni

în care materialul nostru

este imersat, materialul

ce conține atomii și

în felul acesta obținem un număr

foarte mare de astfel de tranziții

a electronilor

de pe e1

pe e2 și apoi imediat înapoi

pe e1 și tot așa.

În felul acesta radiația

cu frecvența nu și

cu energia h-nu este

amplificată în

sistemul laser.

Cel de-al doilea

fenomen, după cum am spus, este inversia

populațiilor.

Numărul de atomi

ce au o anumită

energie de excitare, e1

este dat

de formula lui Boltzmann

care spune că n1

este proporțional, deci există o constantă

care nu ne interesează foarte mult

înmulțită cu e

la minus

e1

împărțit la constanta Boltzmann

înmulțit cu temperatura.

Deci, din nou, această

formulă ne spune că

dacă avem într-un material

atom de un anumit tip

numărul atomilor

excitați la energia

e1 va fi dat de această formulă.

De aici rezultă că

raportul dintre

numărul de atomi

excitați la energia e2

și cei excitați la energia

e1 va fi egal cu

e

la minus

e2 minus e1

împărțit la

kbt,

Boltzmann înmulțită cu temperatură.

Concret,

pentru a explica vizual,

dacă avem

energiile de excitare

posibile ale unui atom

le voi nota generic

cu valori e1, e2, e3

deci acestea

sunt nivelle

de excitare posibile

a unui atom de un anumit tip.

Atunci formula

Boltzmann ne spune că

cu cât nivelul energetic

este mai jos,

numărul este mai mare.

Deci pe măsură ce

creștem energia de excitare

vom întâlni din ce în ce mai puțini

atomi, având acea

energie de excitare,

ceea ce are sens, bineînțeles, cu cât

energia este mai mare, cu atât e mai

costisitor să obținem

acea energie, costisitor

numărul de atomi având acea energie

de excitare va fi mai mic.

Inversia de populație

înseamnă realizarea

practică

a unei situații inverse

și anume prin care, să zicem,

nivelul e2 în schema noastră

va avea mult mai mulți

atomi decât nivelul e1.

Bineînțeles,

aceasta nu este o stare

normală, conform

statisticii Boltzmann

și trebuie să

obținem cumva.

Felul în care se obține această

inversie de populație, în cazul desenului

nostru, între nivele e1 și e2,

e2 având energie

mai mare și număr mai mare de atomi

pe ea, ceea ce nu

e o situație naturală,

bineînțeles, trebuie să

avem un sistem care

să mențină

materialul nostru

ce conține acești atomi

în această stare excitată.

Acest sistem, care

furnizează energia necesară

pentru ca această inversie

de populație să aibă

loc, se numește sistemul de

pompaj sau sistemul de excitare.

Și în funcție de felul în care

el furnizează energia

necesară atomilor pentru a

se afla în stări

excitate mai înalte,

el poate fi de tip optic, electric sau chimic.

Proprietățile radiației

laser rezultă din

aceste fenomene fundamentale. În primul rând

ea este monocromatică,

după cum am explicat în

această descriere

a emisiei stimulate.

Toți fotonii din sistem

trebuie să aibă o

energie fixă,

hν, și deci o frecvență

fixă, ν.

El este de mare intensitate,

după cum am

explicat, emisia stimulată

ducând la amplificarea

luminii, deci intensitatea luminii

obținută este de intensitate mare,

este coerentă

pentru că atât

radiația ce provoacă

tranziția, cât și radiația

emisă au aceiași frecvență.

Deci avem

lumină coerentă și

prin felul în care este

formată o rază

laser, este direcțională.

Există multe aplicații

practice ale fenomenului laser.

Număr aici câteva din

varii domenii și

prezint câteva imagini.

În industrie

razele laser sunt

folosite în microelectronică

pentru a imprima

circuitele electronice

de dimensiuni

foarte mici pe

plăci de bază

care și ele devin din ce în ce mai mici.

Este de asemenea

folosit în tăierea

cu precizie

în special a materialor dure

ceea ce vedeți în această

imagine, deci vedeți cum o rază

laser taie

pe o placă de metal

un desen foarte

complicat și de dimensiuni mici.

Este folosit de asemenea

în medicină

se folosește din ce în ce mai des

se folosesc din ce în ce mai des

bisturie

laser

se folosesc laser de asemenea încauterizarea

unor răni

sau unor

încauterizarea

rănilor

de asemenea în medicină laserii sunt

folosiți în corectarea vederii

în telecomunicații

fibrele optice folosesc

raze laser pentru a propaga

informația

mediile de stocare

moderne, cd-urile, dvd-urile

sticurile de memorie

hard drive-urile

și așa mai departe

folosesc

laser pentru atât pentru a

imprima informația cât și pentru a o citi

ce vedeți aici

este un astfel de exemplu

și bineînțeles

există tot felul de

aplicații comerciale, spre exemplu

codurile de bare de pe toate

produsele pe care le

cumpărați în supermarket

sunt citite de către o rază laser