Zdroje světla

44. Zdroje Světla

• Absorpce záření
  • Látka pohlcuje fotony záření a elektrony přecházejí na vyšší energetické hladiny

En

Em

absorpce záření

• Samovolná emise záření

  • Elektrony samovolně přecházejí z vyšší energetické hladiny En na nižší Em a atomy vyzařují fotony s energií:

    E = Em – En = h . f

samovolná emise

En

Em

stimulovaná emise

En

Em

• Stimulovaná (vynucená) emise světla
  • Nastává u excitovaných atomů vnějším působením. Emisi vyvolá jen foton o stejné frekvenci, jakou má foton, který emisí vzniká.

Běžné zdroje světla + vlastnosti

• Tepelné zdroje (svíčka, petr. lampa, žárovka)
  • Malá účinnost (málo energie se přemění na světlo)
  • Široké spektrum použití
• Výbojové zdroje (výbojky, doutnavky)
  • Mají čárové nebo pásové spektrum, jejich účinnost je větší než u tepelných zdrojů
• Luminiscenční zdroje (obrazovky, zářivky)
  • Luminiscence
    • Děj, při němž záření o kratší vlnové délce vyvolá v látce určitého složení vznik záření o delší vlnové délce
    • V zářivce probíhá výboj plynu, jehož UV záření je pro oko neviditelné. UV dopadá na vrstvu látky (luminofor), kterou je pokryta vnitřní plocha trubice a způsobuje její luminiscenci (záření).
  • Druhy luminiscence:
    • Fotoluminiscence (zářivka)
    • Radioluminiscence
    • Katodoluminiscence
    • Chemiluminiscence
    • Bioluminiscence

záření

světlo

el. energie

∆U > 0

Princip činnosti laseru

• Laser
  • Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
  • Zařízení pracující na principu stimulované emise
  • Uvolňuje nahromaděnou energii jako energii monofrekvenčního záření
  • Světlo je polarizované, koherentní a monochromatické

He

E3

E1

E2

Ne

He – Ne laser

• Světlo je z laseru vyzařováno ve formě úzkého svazku
• Princip laseru využívá zákonů kvantové mechaniky a termodynamiky

Zdroj záření

Laserový paprsek

Odrazné zrcadlo

Aktivní prostředí

• Zdrojem energie (výbojka) je do aktivního média dodávána energie.
• Ta vybudí elektrony aktivního prostředí ze základní energetické hladiny do vyšší energetické hladiny, dojde k tzv. excitaci.
• Vzniká tzv. inverzní populace.
• Při opětném přestupu elektronu na nižší energetickou hladinu dojde k vyzáření (emisi) kvanta energie ve formě fotonů.
• Fotony následně interagují s dalšími elektrony inverzní populace, čímž spouštějí tzv. stimulovanou emisi fotonů.
• Díky umístění aktivní části Laseru do rezonátoru dochází k odrazu paprsku fotonů a jeho opětovnému průchodu prostředím.
• Dochází k exponenciálnímu zesilování toku fotonů.
• Výsledný paprsek opouští laser polopropustným zrcadlem.

Polopropustné zrcadlo

• He – Ne laser
  • Aktivní prostředí tvoří směs helia a neonu (10:1)
  • 3 energetické hladiny (tříhladinový laser)
  • Vznikne-li v plynu He – Ne laseru elektrický výboj, dochází ke srážkám atomů He s elektrony a He přechází do excitovaného stavu s E3.
  • Při interakci excitovaných atomů He s atomy Ne přechází Ne rovněž do excitovaného stavu.
  • Elektrony Ne přecházejí na hladinu energie, která je blízká energii excitovaného He.
  • Náhodný průchod fotonu aktivním prostředím laseru vyvolá stimulovanou emisi.
  • Elektrony přecházejí na hladinu E2, to je spojeno s vyzařováním červeného světla o vlnové délce 623,8 nm.
  • Polopropustné zrcadlo částečně odráží fotony zpět do trubice.
  • Při zpětném odrazu se světlo dále zesiluje.

Vlastnosti laserového záření

• Záření je koherentní
• Fotony, které mají jiný směr, po několika odrazech od stěn trubice vystupují z aktivního prostředí a činnosti laseru se neúčastní.
• Laserový paprsek má malou rozbíhavost a energie je soustředěna do úzkého svazku paprsků (10-6 m).
• Lasery mají různý výkon a lze dosáhnout záření až 1012 Wm-2.

Různé typy laserů

• Rozlišujeme podle druhu pracovní látky:
  • Polovodičové (tiskárny, CD, DVD, lékařství)
    • Kmitočet záření se dá měnit
  • Plynové
    • Atomární – zaměřování poloh, termojaderná syntéza
    • Iontové – oftalmologie, spektroskopie
    • Molekulární – sváření, fotolitografie
  • Chemické
  • Lasery s pevnou fází (spektroskopie, holografie)
  • Barvivové (dermatologie, chirurgie, oftalmologie)
  • Rentgenové (vysokovýkonné)

Užití laserů

• Využívány v mnoha oborech vědy i v technické praxi. Uplatňuje se:
  • Vysoký stupeň koherence světla (např. holografie)
  • Značná intenzita světla a energie soustředěná do malého prostoru (obrábění tvrdých materiálů)
  • Přesný směr a malá rozbíhavost laserového paprsku (měřící technika, mikroelektronika)
  • Přímá přeměna elektrické energie na světelnou (polovodičové lasery v tiskárnách, CD snímače)
  • Medicína (laserový skalpel)

Holografie

• Způsob zobrazování založený na interferenci paprskových svazků
  • Zobrazovaný předmět je osvětlen monochromatickým koherentním světlem.
  • Paprsky odražené od předmětu dopadají na fotografickou desku společně s jiným, nemodulovaným svazkem paprsků téže vlnové délky.
  • Obě vlnění spolu interferují a vzniká složitý interferenční obrazec, který je zaznamenán na fotografickou desku.
  • Když se vyvolaný snímek (hologram) osvětlí koherentním světlem, působí struktura snímku jako ohybová mřížka a pozorovatel vidí v propuštěném světle trojrozměrný obraz původního předmětu.
  • Obraz je trojrozměrný na 2D nosiči
    • Nosičem je citlivá vrstva fotografického filmu, emulze na skle nebo plastová fólie
    • Zapisuje se informace jak o intenzitě, tak i o fázi světla odraženého od předmětu

• Historie
  • Dennis Gabor dal v roce 1948 holografii teoretické základy
  • Rozvinutí holografie až s vynálezem laseru (1960)
    • Laser dodal dostatečné bodové a koherentní světlo
  • První trojrozměrný záznam vznikl na michiganské univerzitě v roce 1964
    • Emmett Leith
    • Juris Upatnieks
• Hologramy mají široké uplatnění v experimentálním výzkumu i v technické praxi
  • Např. holografická interferometrie (založená na interferenci dvou expozic, tj. dvou hologramů pohybujícího se objektu na jednom snímku) se využívá při studiu kmitání, napjatosti i deformací součástí, stejně jako při jejich nedestruktivním testování. Jde také o jeden z možných principů stereovize.