Περιγραφή θέματος

  • Γενικά

    Φυσική των Laser

    Διδάσκων : Μ. Μπενής

    Περιγραφή: Το μάθημα ασχολείται με την λεπτομερή περιγραφή της λειτουργίας του laser. Εστιάζει στην βασική φυσική της λειτουργίας των επί μέρους τμημάτων του αλλά και τις φυσικές ιδιότητες των παραγόμενων δεσμών. Η ύλη καλύπτει τις βασικές αλληλεπιδράσεις της ακτινοβολίας με την ύλη, την οπτική των ΗΜ κυμάτων σε κοιλότητες, τις διαδικασίες άντλησης και με βάση αυτά επικεντρώνεται στους τρόπους επίτευξης ενίσχυσης του φωτός τόσο για συνεχή όσο και παλμικά laser. Στο τέλος εξετάζεται ένα ευρύ φάσμα των αντιπροσωπευτικότερων τύπων laser προβάλλοντας τις εφαρμογές τους αλλά και τα θέματα ασφάλειας στην χρήση τους.

    Μαθησιακοί στόχοι μαθήματος: Ο κύριος στόχος του μαθήματος είναι η εξοικείωση του μαθητή με την λεπτομερή λειτουργία των αντιπροσωπευτικότερων τύπων laser εστιάζοντας στην κατανόηση της βασικής φυσικής των επί μέρους διαδικασιών και αλλά και των απαραίτητων δημοφιλών τεχνικών. Με το πέρας του μαθήματος ο  εκπαιδευόμενος αναμένεται όχι μόνο να γνωρίζει τους βασικούς μηχανισμούς λειτουργίας του laser, αλλά και να μπορεί να υπολογίζει βασικές παραμέτρους συστημάτων laser και των αντίστοιχων δεσμών τους. Επί πλέον θα γνωρίζει το πλήθος των τεχνολογικών εφαρμογών του laser καθώς και τους κινδύνους και προστασία του κατά τη χρήση του.

    Λέξεις κλειδιά: Μονοχρωματικότητα, Συμφωνία, Κατευθυντικότητα, UV, IR, NIR, FIR, Γεωμετρική Οπτική, Οπτική πινάκων, Παραξονική προσέγγιση, Γκαουσιανές δέσμες, Τρόποι δόνησης, Αντηχεία, Συνθήκη ευστάθειας, Ιδιοκαταστάσεις, Ιδιοσυχνότητες, Χρόνος ζωής φωτονίου, Παράγοντας ποιότητας Q, Απορρόφηση, Εξαναγκασμένη εκπομπή, Αυθόρμητη εκπομπή, Ομογενής διαπλάτυνση, Μη-ομογενής διαπλάτυνση, Ενεργός διατομή μετάβασης, Ενίσχυση, Κορεσμός απορρόφησης, Κορεσμός ενίσχυσης, Οπτική άντληση, Συστήματα άντλησης, Ρυθμός άντλησης, Απόδοση άντλησης, Laser συνεχούς, Εξισώσεις ρυθμών μεταβολής πληθυσμών, Συνθήκες κατωφλίου, Ισχύς εξόδου, Ρύθμιση laser, Περιστροφέας Faraday, Q-Switching, Απορροφητές κορεσμού, Gain switching, Εγκλείδωση τρόπων, Mode-locking, Απορροφητές κορεσμού, Kerr-lens mode locking, Laser αερίων, He-Ne, CO2, Excimer, Laser στερεάς κατάστασης, Ruby, Nd:YAG, Nd:Glass, Ti:Sapphire, Laser χρωστικών, Dye, Laser ημιαγωγών, Laser ελευθέρων ηλεκτρονίων.

  • 1 - ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ

    Περιγραφή θεματικής κατηγορίας : Στο εισαγωγικό κεφάλαιο γίνεται μια συνοπτική παρουσίαση των βασικών αρχών και διαδικασιών της λειτουργίας του laser. Περιγράφονται σε συντομία μηχανισμοί αλληλεπίδρασης ύλης-ακτινιβολίας, η αντιστροφή πληθυσμού, η άντληση και το σύστημα ανάδρασης (κοιλότητα). Η περιγραφή περιλαμβάνει τα συστήματα laser τριών και τεσσάρων σταθμών. Στο τέλος παρουσιάζονται κι ερμνεύονται οι βασικές ιδιότητες των  δεσμών laser.

    Λέξεις κλειδιά: Αυθόρμητη εκπομπή, Εξαναγκασμένη εκπομπή, Απορρόφηση, Ενισχυτής, Κοιλότητα laser, Άντληση, Μονοχρωματικότητα, Συμφωνία, Κατευθυντικότητα, Λαμπρότητα, Κοκκίωση, Στενοί παλμοί, Τύποι laser.

  • 2 - ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ LASER – ΚΙΝΔΥΝΟΙ ΚΑΙ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ

    Περιγραφή θεματικής κατηγορίας: Στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάζονται οι καθιερωμένοι κανόνες κατηγοριοποίησης των πηγών laser (OSHA Regulations: 29 CFR 1926.54 and 102), οι κίνδυνοι που συνδέονται με την κάθε κατηγορία καθώς και τα αντίστοιχα απαραίτητα μέτρα ασφαλείας. Έμφαση δίνεται στη δομή του ματιού και τις επί μέρους καταστροφές που μπορεί να προκαλέσουν οι διαφορετικές κατηγορίες των laser. Το κεφάλαιο περιλαμβάνει και μια γενικότερη επισκόπηση των μέτρων ασφαλείας που πρέπει να λαμβάνονται σε ένα εργαστήριο laser εξαιτίας άλλων παραγόντων (π.χ. κρυογενικά υγρά, χημικά, κτλ.).

    Λέξεις κλειδιά: Υπεριώδης ακτινοβολία - UV, Ορατή ακτινοβολία, Κοντινή υπέρυθρη ακτινοβολία - NIR, Μακρινή υπέρυθρη ακτινοβολία - FIR Χρωστικές laser (Dyes), Ακτίνες X.

  • 3 - ΔΙΑΔΟΣΗ ΗΜ ΚΥΜΑΤΩΝ ΣΕ ΟΠΤΙΚΑ ΜΕΣΑ

    Περιγραφή θεματικής κατηγορίας: Στο κεφάλαιο αυτό εξετάζεται η διάδοση των ΗΜ κυμάτων σε οπτικά μέσα. Αρχικά γίνεται μια εισαγωγή στην μέθοδο της οπτικής πινάκων. Στη συνέχεια προσδιορ'ιζεται η γενική λύση της κυματικής εξίσωσης στα πλαίσια της παραξονικής προσέγγισης (ολοκλήρωμα Huygens-Fresnel-Kirchhoff). Με βάση αυτή αναζητούνται λύσεις που αντιστοιχούν σε Γκαουσιανή χωρική κατανομή δεσμών, που συνήθως περιγράφουν μια δέσμη laser, κι εξετάζονται οι ιδιότητές τους καθώς και η διάδοσή τους στο χώρο. Τέλος συζητούνται κι άλλες γενικότερες λύσεις.

    Λέξεις κλειδιά: Γεωμετρική Οπτική, Οπτική πινάκων, Κυματική εξίσωση, Παραξονική προσέγγιση, Γκαουσιανές δέσμες.

  • 4 - ΠΑΘΗΤΙΚΑ ΟΠΤΙΚΑ ΑΝΤΗΧΕΙΑ

    Περιγραφή θεματικής κατηγορίας: Το κεφάλαιο αυτό ασχολείται με την θεωρία των παθητικών οπτικών αντηχείων, δηλαδή κοιλοτήτων laser που δεν περιλαμβάνουν κάποιο ενεργό μέσο (ενισχυτή). Αρχικά παρουσιάζονται οι τρόποι δόνησης ορθογώνιας οπτικής κοιλότητας και με βάση αυτό εξετάζονται οι τρόποι δόνησης διαφόρων οπτικών αντηχείων όπως των παράλληλων επιπέδων, το σφαιρικό, το κυκλικό και το γενικευμένο. Εξετάζονται οι συνθήκες ευστάθειας των αντηχείων και προσδιορίζονται οι ιδιοκαταστάσεις, οι ιδιοσυχνότητές τους και ο παράγοντας ποιότητάς τους Q.

    Λέξεις κλειδιά: Τρόποι δόνησης, Αντηχείο παράλληλων επιπέδων, Σφαιρικό αντηχείο, Κυκλικό αντηχείο, Συνθήκη ευστάθειας, Ιδιοκαταστάσεις, Ιδιοσυχνότητες, Ασταθή αντηχεία, Χρόνος ζωής φωτονίου, Παράγοντας ποιότητας Q.

  • 5 - ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΜΕ ΤΗΝ ΥΛΗ

    Περιγραφή θεματικής κατηγορίας: Στο κεφάλαιο αυτό γίνεται μια συνοπτική αναφορά στους βασικούς μηχανισμούς αλληλεπίδρασης της ύλης με την ακτινοβολία σε επίπεδο Ατομικής Φυσικής θεωρώντας μεταβάσεις σε συστήματα μερικών επιπέδων. Στη συνέχεια εξετάζονται αναλυτικά οι μηχανισμοί διαπλάτυνσης των φασματικών γραμμών μετάβασης. Με βάση αυτούς προσδιορίζεται η συνάρτηση ενίσχυσης κι εξετάζεται ο κορεσμός της για τις διάφορες περιπτώσεις διαπλάτυνσης.

    Λέξεις κλειδιά: Απορρόφηση, Εξαναγκασμένη εκπομπή, Αυθόρμητη εκπομπή, Ομογενής διαπλάτυνση, Μη-ομογενής διαπλάτυνση. Ενεργός διατομή μετάβασης, Ενίσχυση, Κορεσμός απορρόφησης, Κορεσμός ενίσχυσης.

  • 6 - ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΕΣ ΑΝΤΛΗΣΗΣ

    Περιγραφή θεματικής κατηγορίας: Στο κεφάλαιο αυτό περιγράφονται με λεπτομέρεια οι μηχανισμοί άντλησης του ενισψυτή του laser. Εξετάζονται πρωτίστως η οπτική άντληση με ασύμφωνη ή σύμφωνη πηγή και δευτερευόντως άλλοι πιο εξειδικευμένοι τρόποι. Σε κάθε περίπτωση προσδιορίζεται ο ρυθμός και η απόδοση της άντλησης. 

    Λέξεις κλειδιά: Οπτική άντληση, Συστήματα άντλησης, Ρυθμός άντλησης, Απόδοση άντλησης.

  • 7 - LASER ΣΥΝEΧΟΥΣ

    Περιγραφή θεματικής κατηγορίας: Στο κεφάλαιο αυτό χρησιμοποιoούνται τα μέχρι τώρα καλυφθέντα θέματα για να αναπτυχθεί το θεωρητικό υπόβαθρο της λειτουργίας ενός laser συνεχούς (cw), δηλαδή ΗΜ ακτινοβολίας σταθερού πλάτους και συχνότητας. Η μελέτη επικεντρώνεται στην περίπτωση των laser τεσσάρων σταθμών. Παρουσιάζεται το μοντέλο των  εξισώσεων ρυθμών μεταβολής πληθυσμών και με βάση τις λύσεις του μελετώνται οι συνθήκες κατωφλίου και η ισχύς εξόδου του laser. Το υπόλοιπο μέρος του κεφαλαίου αφιερώνεται στη λεγόμενη ρύθμιση (tuning) του laser που εξετάζει θέματα φασματικής επιλογής και τρόπων δόνησης του laser.

    Λέξεις κλειδιά: Laser συνεχούς, Εξισώσεις ρυθμών μεταβολής πληθυσμών, Συνθήκες κατωφλίου, Ισχύς εξόδου, Ρύθμιση laser, Περιστροφέας Faraday.

  • 8 - ΠΑΛΜΙΚΑ LASER

    Περιγραφή θεματικής κατηγορίας : Στο κεφάλαιο εξετάζεται η λειτουργία των παλμικών laser, δηλ. laser των οποίων οι παλμοί έχουν πεπερασμένη χρονική διάρκεια. Η συμπεριφορά του laser σε τέτοιες συνθήκες μελετάται ξεχωριστά για δυο γενικές περιπτώσεις: (i) Περιπτώσεις όπου το laser λειτουργεί σε ένα τρόπο δόνησης και που μπορεί να περιγραφεί μέσω εξισώσεων ρυθμών μεταβολής πληθυσμών και της τεχνικής της μεταγωγής του παράγοντα ποιότητας Q (Q-switching). Εξετάζονται διαφροετικές περιπτώσεις Q-switching. (ii) Περιπτώσεις όπου το laser λειτουργεί σε πολλούς τρόπους δόνησης όπου γίνεται χρήση της τεχνικής της εγκλείδωσης τρόπων (mode-locking). Εξετάζονται οι mode-locking τεχνικές των γρήγπρων απορροφητών κορεσμού και του Κerr-lens.

    Λέξεις κλειδιά: Q-Switching, Απορροφητές κορεσμού, Gain switching, Εγκλείδωση τρόπων, Mode-locking, Απορροφητές κορεσμού, Kerr-lens mode locking. 

  • 9 - ΕΙΔΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ LASER

    Περιγραφή θεματικής κατηγορίας: Στo κεφάλαιο αυτό εξετάζονται μερικά αντιπροσωπευτικά συστήματα laser αερίων, στερεών, ημιαγωγών και υγρών. Δίνεται βάση στους μηχανισμούς των διαδικασιών laser για την κάθε περίπτωση, ενώ εξετάζονται σε κάποιο βαθμό οι τεχνικές λεπτομέρειες των συστημάτων laser καθώς και οι γενικότερες εφαρμογές τους. 

    Λέξεις κλειδιά: Laser αερίων, He-Ne, CO2, Excimer, Laser στερεάς κατάστασης, Ruby, Nd:YAG, Nd:Glass, Ti:Sapphire, Laser χρωστικών, Dye, Laser ημιαγωγών, Laser ελευθέρων ηλεκτρονίων.

  • Βιβλιογραφία

    • O. Svelto, “Principles of Lasers”,  Plenum Press, 1998
    • P.W. Miloni and J.H. Eberly, “Laser Physics”, John Wiley & Sonsy,2010
    • A.E. Siegman, “Lasers”,  University Science Books, 1986
    • E. Hecht, “Optics”,  Addison Wesley, 2002
    • B.E.A. Saleh and M.C. Teich, “Fundamentals of Photonics”, Wiley-Interscience,2007
    • J.H. Moore, C.D. Davis and M.A. Coplan, “Building Scientific Apparatus”, Addison Wesley, 1989