ZDROJE SVETLA · MATURITKA

44. Zdroje Světla

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

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

stimulovaná emise

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
- __L__ight __A__mplification by __S__timulated __E__mission of __R__adiation
- Zařízení pracující na principu stimulované emise
- Uvolňuje nahromaděnou energii jako energii monofrekvenčního záření
- Světlo je polarizované, koherentní a monochromatické

He – Ne laser

obrázek vynechán

- 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

obrázek vynechán

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.