ד"ר פנחס שכנר (c)לייזר 3 - מבודדים מזוהמים1 לייזרים...
Post on 21-Dec-2015
231 Views
Preview:
TRANSCRIPT
1לייזר 3 - מבודדים מזוהמים(C) ד"ר פנחס שכנר
לייזרים ושימושיהם – לייזרים של מבודדים מזוהמים3
1מושגי יסוד ב"מצב מוצק"
2מרכיבי התווך הלוזר
Nd:YAG3הלייזר
4לייזרים נוספים במשפחה
2לייזר 3 - מבודדים מזוהמים(C) ד"ר פנחס שכנר
מושגי יסוד בפיסיקה של מצב מוצק
פס הערכיות•פס ההולכה•• Eg
מבודדים • מוליכים• מוליכים למחצה•רמות פנימיות של יונים•קריסטלוגרפיה בסיסית •
3לייזר 3 - מבודדים מזוהמים(C) ד"ר פנחס שכנר
האטום
Inner Shells
רמה מלאה חלקית
רמה ריקה ראשונה
+Z
גרעין עם Z
פרוטונים
מקום בעל ההסתברות הגבוהרמות באטום בגזביותר למצוא את האלקטרון
)Ze- (באטום נאוטרלי
4לייזר 3 - מבודדים מזוהמים(C) ד"ר פנחס שכנר
רמות האטום ביון
Inner Shells
רמה מלאה חלקית
רמה ריקה ראשונה
+Z
גרעין
)Z-n(e- ביון
+n
הרמות: "מלאה חלקית" ו"ריקה ראשונה"
יוצרות את הגבישים והמולקולות
5לייזר 3 - מבודדים מזוהמים(C) ד"ר פנחס שכנר
מרכיבים ותפקידים של מבודדים מזוהמים: מבודד – תחמוצתמארח•Lanthanides: יון של "מתכות מעבר" או מזהם•
( 3+)בדרך כלל יון במצב
תפקידי המארח:יצרת "שדה גביש" אשר
מבטל ניוון רמות של יון המזהם.•משנה את סיכוי המעבר לרמות אסורות.•
6לייזר 3 - מבודדים מזוהמים(C) ד"ר פנחס שכנר
Crystal Fieldתורת ה-
מודל סמי-קלסי המסביר את הספקטרא של יונים •מתכתיים בתוך מוצק או נוזל.
. ligandsמניחה שהיונים מוקפים ב-•
מוצגים כמטענים נקודתיים שליליים ligandsה-•המסתדרים באופן סימטרי מסביב ליון המתכתי.
הם אלקרוסטטייםLigandהכוחות בין היון המתכתי וה-•
http://www.unine.ch/chim/chw/Chapter%204.html
7לייזר 3 - מבודדים מזוהמים(C) ד"ר פנחס שכנר
קונפיגורציה של היוןCr+3 ?
קונפיגורציה של אטום Cr0
3d5 4s1
Cr+3יש ליון
אלקטרוניםdברמה
דוגמה:
מארמזהםח
לייזר
Cr+3Al2O3Ruby
Cr+3 ~ 0.5% b/w
laser = 0.6943 m
laser = 0.6927 m
http://www.rpi.edu/dept/chem-eng/WWW/faculty/cale/classes/SMP/lecture1/sld011.htm
3d3
8לייזר 3 - מבודדים מזוהמים(C) ד"ר פנחס שכנר
מבנה קריסטלוגרפ
ישל
אלומינה עם זיהום
Al2O3
http://cst-www.nrl.navy.mil/lattice/struk.picts/d5_1.s.png
המבנה הגבישי נלקח מתוך
Al+3
O-2
5%. 0מזוהם ב- לפי משקל
Cr+3ביוני
Cr+3
יון הכרום מחליף את
יון האלומיניום
רדיוס היונים:
r(Al+3) = 0.54 Å
r(Cr+3) = 0.62 Å
9לייזר 3 - מבודדים מזוהמים(C) ד"ר פנחס שכנר
רמות אנרגיה בתווך הלוזר של מבודד מזוהם
רמת ערכיות של המארח במבודד
רמת הולכה של המארח במבודד
Eg > 4 eV מבודד
Al+3
Cr+3
dיש רמות Cr+3ליון מאוכלסות
שאינן משתתפות ברמת ההולכה או הערכיות של הבגיש
10לייזר 3 - מבודדים מזוהמים(C) ד"ר פנחס שכנר
11לייזר 3 - מבודדים מזוהמים(C) ד"ר פנחס שכנר
= p l אורביטלות 3פונקציות הגל הזוויתיות עבור 1
d l = 2 אורביטלות 5פונקציות הגל הזוויתיות עבור
Alonso Finnp.124
על הציריםבין הצירים
הסתברות מרביתלמצוא
אלקטרון באורביטלות
12לייזר 3 - מבודדים מזוהמים(C) ד"ר פנחס שכנר
dאורביטלות octa-hedralבשדה
שלושת הרמות עם סיכוי x, y, zגדול בצירים
מושפעות יותר מהשדהמאשר השתיים שיש להם סיכוי
להיות בין הצירים
13לייזר 3 - מבודדים מזוהמים(C) ד"ר פנחס שכנר
בגלל שדה dפיצול רמותהגביש
מנווונותdרמות בשדה ספרי
(בגז) מתפצלותdרמות octahedralבשדה
סך כל האנרגיהשל הרמות נשמר
3x (2/5) = 2x(3/5)
14לייזר 3 - מבודדים מזוהמים(C) ד"ר פנחס שכנר
ספקטרום בליעה של Ruby
קוו הלזירה
cm-1
cm-1
cm-1
פסי בליעה לשאיבה
Optical Electronics, Amnon Yariv: ספקטרום מתוך Sauders College Publishing 1991, Fourth Edition, p. 228
[Cr+3] = 1.88x1019 ions/cm3
15לייזר 3 - מבודדים מזוהמים(C) ד"ר פנחס שכנר
רמותRuby 3לייזר
eV
E2
E1
E0
time
Metastable
ms
Pumping
ns
Fast
decay
ms/ns
LaserEmission
דיאגרמת רמות
רמת היסוד
16לייזר 3 - מבודדים מזוהמים(C) ד"ר פנחס שכנר
Ruby LASER energy levels
0
1
3en
ergy
(eV
)
2
ground state
694.3nm
692.7nm
rapid decay (~50ns)
“0”
“1”
“2”blue
green
4F1
4F2
2E
17לייזר 3 - מבודדים מזוהמים(C) ד"ר פנחס שכנר
Ruby LASER energy levels
0
1
3
ener
gy (
eV)
2
ground state
694.3nm692.7nm
rapid decay to metastable level
(~50ns)
blue
green
www.ph.surrey.ac.uk/~phs3ja/3mol/lecture17.ppt
pumping
Meta-stable levels
laser
time
18לייזר 3 - מבודדים מזוהמים(C) ד"ר פנחס שכנר
מארחDopandמזהם Host
#שם
Cr+3Al2O3Ruby1
Nd+3Y3Al5O12Nd:YAG2
Nd+3Y3Al5O12Nd:YAG Diode
pumped3
Cr+3SiO2Nd:Glass4
Nd+3SiO2Fiber Optic5
Nd+3BeAl2O4Alexandrite6
Er+3Y3Al5O12Er:YAG7
Nd+3SiO2 Nd:Glass8
מכנה משותףתחמוצותמעבר ולנטנידים
לייזרים של מבודדים מזוהמים
19לייזר 3 - מבודדים מזוהמים(C) ד"ר פנחס שכנר
תכונות אופטיות של המארח והזיהום
laserpumpתפקיד
ביטול ניוון
אנרגתי בזיהום
TransparentTransparent
Eg > 4 eV
מארח
הספקת קווי השאיבה והלזירה
TransparentHigh Absorption
Transition and Lanthanides
זיהום
20לייזר 3 - מבודדים מזוהמים(C) ד"ר פנחס שכנר
Capacitor bank
Nd:YAGלייזר
Ellipsoidal Reflector
Ballast ResistorPower Supply
Ballast
Laser Rod
Flashtube
Power supply
Optical Resonator
22 נובמנר
21לייזר 3 - מבודדים מזוהמים(C) ד"ר פנחס שכנר
תכונות של לייזר Nd:YAG
0.7 – 0.9 m
1.06 m
1.5
Nd+3
Y3Al5O12
Nd:YAG
תחום שאיבה
אורך גל לזירה
% משקל מזהם
מזהם
מארח
שם הלייזר = שם התווך לוזרשם
תחמוצת
Y+3, מחליף את ה- 3יון לנטניד במצב +
Yttrium aluminium garnet
r(Nd+3) = 0.995 Å
r(Y+3) ~ 0.98 Å
22לייזר 3 - מבודדים מזוהמים(C) ד"ר פנחס שכנר
Nd:YAG LASER
0
1
3
ener
gy (
eV) 2
ground state
fast non-radiative
decay
IRgreen
pumping bands
fast n.r.
decay
דיאגרמת אנרגיה
1064nmLaser
Variable time
Metastable levels
23לייזר 3 - מבודדים מזוהמים(C) ד"ר פנחס שכנר
רמות אנרגיהInitial Level – Ground State0.0 eV
Final Laser Level - Terminal0.25 eV
Metastable – Upper Laser Level1.3 eV
Pumping Levels1.4-1.8 eV
שלביםpumpingN0 + h(0.8-0.9 m) N3( 1.4-1.8 eV)1
RelaxationN1 N0 (0.25 eV) +h” 4
Fast decay to
Meta-stableN3 N2 (1.3 eV) + h’ 2
LaserN2+ h(1.06 m) N1 (0.25 eV) + 2h(1.06m) 3
24לייזר 3 - מבודדים מזוהמים(C) ד"ר פנחס שכנר
רפלקטור אליפטי
Laser Rod
Flashtube
קרינה הנפלטת ממנורת
ההתפרקות מוחזרת
למוט של הלייזר
25לייזר 3 - מבודדים מזוהמים(C) ד"ר פנחס שכנר
חזרה על מנורות
התפרקות
מעטפת זכוכיתקתודה תרמיונית
עם גוף חימום חימום
JRD = a AT2e-w/kT [A/cm2]A = 120 A cm-2 0K-2
נוסחת Richardson-
Dushman
Xe+ + V Xe+* Ion Acceleration
e-metal e
- + metal+ Thermionic Emission
e-* + Xe Xe+ + 2e- Ionization
e-* + Xe Xe* + e- Excitation
e-* + Xe+ Xe* Recombination
Xe* Xe + hPhoton Emission
e- + V e-* Electron Acceleration
Vflash = Vin – IR
הנטל
אנודה
גז
26לייזר 3 - מבודדים מזוהמים(C) ד"ר פנחס שכנר
ניצולת
Quantum Loss 1
שם ההפסד
0.8
ערך סימןסביר
Electrical Loss 2elec0.2
Reflection 3Hincident0.9
Effective band 40.1
Transmission Loss 50.8
Stimulation Loss 6B100.95
Total i~ 0.01
27לייזר 3 - מבודדים מזוהמים(C) ד"ר פנחס שכנר
ניצולת
Total i~ 0.01
Quantum Loss 1
שם ההפסד
0.8
ערך סימןסביר
Electrical Loss 2elec0.2
Reflection 3Hincident0.9
Effective band 40.1
Transmission Loss 50.8
Stimulation Loss 6B100.95
28לייזר 3 - מבודדים מזוהמים(C) ד"ר פנחס שכנר
שם# ההפסד
ערך סבירסימן הסבר כמה נשאר
1Quantum
Loss
laser>pump0.8
2Electrical Loss
P = IVelec0.2
6Stimulation Loss
B10פוטונים שלא מדרבנים0.95
3ReflectionRR0.9
4Effective band
מהקרינהחלקרקהשאיבהבתחוםהיא
0.1
5Transmission Loss
חלק מהקרינה עוברת0.9
Total i~ 0.01
29לייזר 3 - מבודדים מזוהמים(C) ד"ר פנחס שכנר
תרגיל : חישוב מספר פוטונים בפולס
הנחות
2הספק הפולס מרובע עם הזמן
pump =pump
פס השאיבה הוא קוו ספקטרלי
3
d = 1 cm לצינור הלוזר קוטר (הדרך האופטית) וזאת הדרך האופטית של כל הפוטונים של השאיבה
4
מקדם האקספוננציאלי של הבליעה לא משתנה בזמן השאיבה או הלזירה:
(t) = constantהמקובל לקוו לזירה, גודל
הנשאר קבוע עם הזמן בתרגיל שלנו
נתעלם שבזמן השאיבה יש ירידה בפרודות הבולעות
1
pump(t)c L)[N0] - [N1]( = constant
d
30לייזר 3 - מבודדים מזוהמים(C) ד"ר פנחס שכנר
השטח המואר ליחידת נפח
Aillu/ V = 2rh/r2h = 2/rV = r2h
2r
h
Aillu = 2rhA = 2r h
2 r
h
r = 0.5 cmבהנחת התרגיל הרדיוס הוא 1cm3 יחידת נפח =
A/V = 2/r =2/0.5 = 4cm2/cm3
Aillu/cc = 4cm2/cm3
כל סמ"ק של המוט סמ"ר4מואר ע"י
31לייזר 3 - מבודדים מזוהמים(C) ד"ר פנחס שכנר
תנאי התחלה
d 1 cm
pump0.9 m
I02 W/cm2
0.1 cm-1
Aillu/cc4 cm2/cm3
tflash5 ms
32לייזר 3 - מבודדים מזוהמים(C) ד"ר פנחס שכנר
שבר הקרינה העוברת
exp(-d)exp(0.1x 1) = 0.9
שבר הקרינה הנבלעת
1 - exp(-d) = 0.1
הספק נבלע ליחידת שטח
Iabs = I0[1 - exp)-d(]
I0 = 2 W/cm2
0.2 W/cm2
אנרגית בג'אול נבלעת ליח' שטח
J = Iabs x tflash =0.2 x 5x 10-3=
1x10-3 J/cm2
eVאנרגית ב- נבלעת ליח'
שטח
JeV = J x (6.242 x
1018 eV/J ) 6.2 x 1015 eV/cm2
33לייזר 3 - מבודדים מזוהמים(C) ד"ר פנחס שכנר
אנרגיה של פוטון שאיבה
Eph = hc/ 1.24/0.9 = 1.38 eV
שטף פוטונים נבלעים ליח'
שטח
nph,s = JeV/ Eph =
4.5 x 1015
Photons/cm2
פוטונים נבלעים ליח'
נפח
nph,V = nph,s x Aillu/cc
1.8 x 1016
Photons/cm3
ריכוז יונים שהועלו
E3לרמה
ליחידת נפח
]N2 = [nph,V =
1.8 x 1016
Ions/cm3
34לייזר 3 - מבודדים מזוהמים(C) ד"ר פנחס שכנר
היסטוריה של פולס
t, ms
זמן טעינת קבלים
תחילת התפרקות
הקבל spikesתופעת ה-
חוסר הדירות עם הזמן
I
w/cm2
תחילת הלזירה: מושג הפוך אוכלוסיה
קרינת הלייזרזמן הלזירה
קרינת ממנורת התפרקותזמן ההתפרקות
נפסק היפוך אוכלוסיה
35לייזר 3 - מבודדים מזוהמים(C) ד"ר פנחס שכנר
3,5,6,8,18,19שיעורי בית +20
, רק עבור לייזר אחד18: שאילה שיעור בית חובה המצויינים בשאילה. הסקר בזוגות.8 מתוך ה-
.8 ו- 7 , 6 , 5 , 4, 3לבחירה הלייזרים העדר שמות המחברים, תאריך הסיכום, הנדון או
וסימוכין (במקומות המתאימים) מקנה למגיש ציון אפס,
ללא אפשרות לתיקון עם אפשרות להגדלה,3%
אם העבודתות רציניות
top related