Emise záření a její využití

Zdroje světla, tj. optického záření, jsou objekty, v nichž dochází k přeměně různých forem energie na energii elektromagnetického záření ve viditelné oblasti elektromagnetického spektra. Zdroje světla dělíme na vlastní a nevlastní. Tělesa, která záření samy vysílají, nazýváme zdroje vlastní, zatímco tělesům světlo odrážející říkáme zdroje nevlastní.

Laser se od předchozích zdrojů světla liší tím, že emituje světlo v jedné vlnové délce - jsou monochromatické. Paprsek laseru je lineárně polarizován (tj. kmitá jen v jedné rovině). Vlny jsou koherentní, ve fázi. Díky těmto vlastnostem paprsky laseru vykazují jen minimální rozbíhavost. Využívají se v lékařství, v průmyslu (řezání, vrtání), ve vojenské technice, v laserových tiskárnách či jako ukazovátko.

Obecné schéma laseru je zobrazeno na obrázku níže. Aktivní prostředí je nějakým způsobem buzeno (opticky, elektricky apod.). Potom je právě pomocí procesu stimulované emise vyzářena v podobě laserového svazku. K tomu je zapotřebí ještě vytvořit tzv. inverzi populace, tj. více atomů s vyšší energií.

Všechny atomy (molekuly) se snaží dosáhnout stavu s nejnižší energií - ve stavu termodynamické rovnováhy. Laser funguje na principu zesílení světla (fotonů) pomocí procesu stimulované emise. Co dělá laserový svazek tak unikátním? Je to fakt, že dopadající a emitovaný foton mají stejnou energii (frekvenci), stejný směr, polarizaci a fázi. Z toho plynou základní tři vlastnosti laseru, které ho odlišují od jiných zdrojů záření:

• Kolimovaný (tj. minimální rozbíhavost).
• Monochromatický („jednobarevný“, tj. generované fotony mají stejnou frekvenci resp. vlnovou délku).
• Koherentní (generované fotony jsou tzv. ve fázi).

Opakem je např. světlo ze žárovky.

Čtěte také: Vše o emisních normách

V některých aplikacích se používá pro makroskopické úpravy (řezání, svařování, značení, kalení apod.). V jiných aplikacích jako je např. spektroskopie se využívá jeho koherence. Typickým představitelem je např. helium-neonovém laseru, je čerpáním vybuzen atom helia s atomem neonu v laseru.

Aktivní prostředí je pevná látka, nejčastěji monokrystal, který je buzen výbojkami nebo laserovými diodami (prostředí je monokrystal ytrium aluminium granátu dopovaného atomy neodymu). Nejčastěji atomy erbia (Er) nebo yterbia (Yr). Do aktivního vlákna přivedeno opět optickým vláknem. Architekturu a laser díky tomu neobsahuje žádné opto-mechanické prvky jako zrcadla apod. Dnes dosahují až 40kW.

Aktivním prostředím je elektricky čerpaná polovodičová dioda. Výkony se pohybují od mW až do kW. Tyto lasery mají vysokou účinnost, ale trpí nízkou kvalitou výstupního svazku. Používají se v laserových ukazovátkách, čtečkách čárových kódů, tiskárnách apod.

Speciální třída plynových laserů buzených elektrickým výbojem. Aktivní prostředí je tzv. excimer (speciální molekula, kde je jedna z jejích složek v excitované stavu). Jako aktivní prostředí je použito organického barviva. Barvivové lasery - mohou zářit na více vlnových délkách. Dalším možné dělení laserů je podle typu výstupního svazku.

Pulsní laser generuje laserové pulsy. Pulsní lasery se dále dělí podle typu jakým je puls generován. K tomuto je nejčastěji používáno tzv. spínání jakosti (značení, gravírování) nebo pomocí pulsního buzení (např. excimerové lasery).

Čtěte také: Více o pamětních emisích

Stimulovaná emise - vynucená emise. Děj, při kterém atom či molekula vybuzené do stavu, ze kterého je spontánní přechod do nižšího stavu zakázán kvantovými pravidly, po interakci s fotonem s energií odpovídající rozdílu energií těchto stavů, emituje další foton se stejnou fází, frekvencí, polarizací i směrem šíření.

Existují 3 základní procesy emise záření:

1. Spontánní emise (samovolná emise) - přechod z vyššího energetického stavu do stavu nižšího s energií, při kterém atom (resp. molekula) vyzáří foton o frekvenci splňující podmínku. Jednotlivé atomy při ní vyzařují nekoordinovaně, emitované fotony mají různou fázi a vznikající elektromagnetické záření je nekoherentní. Záření emitované tímto způsobem se podstatně liší od záření emitovaného laserem. Tímto způsobem září např. žárovka.
2. Absorpce - je opačný proces, při kterém atom (resp. molekula) v nižším energetickém stavu pohltí foton odpovídající frekvence a přejde do vyššího stavu, přičemž platí. Rozdíl energií musí atom resp. molekula získat najednou!
3. Stimulovaná emise - existenci tohoto třetího procesu dokázal A. Einstein ve své práci z roku 1912. Při tomto procesu foton s frekvencí dopadá na atom (resp. molekulu) ve vyšším energetickém stavu a přiměje ho k přechodu do nižšího stavu za vyzáření dalšího fotonu. Původní foton se přitom nepohltí a oba fotony se pohybují společně dále stejným směrem, jako foton, který emisi vyvolal. Jsou synchronizovány, mají stejnou frekvenci a stejnou fázi. Jedná se tedy o koherentní záření (koherentní vlnění). Záření se tak zesiluje a proces se může lavinovitě opakovat s dalšími atomy (resp. molekulami).

MASER - Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Zařízení, které zesiluje elektromagnetické záření pomocí stimulované emise v mikrovlnném a rádiovém oboru. Obdobně funguje v optickém oboru LASER. Teoreticky byl maser předpovězen v roce 1952 Nikolajem Basovem a Alexandrem Prochorovem. Tato práce však byla zveřejněna až v roce 1954. Mezitím byl v roce 1953 nezávisle realizován Charlesem Townesem, Jamesem Gordonem a Herbertem Zeigrem na Kolumbijské univerzitě.

Masery se využívají jako velice přesné etalony frekvence, například v atomových hodinách, jako zesilovače vynikají velice nízkým šumem, díky čemuž mohou být použity například k zesílení signálu od velice vzdálených sond, které vysílají na relativně malých výkonech nebo k radiolokaci. Nezastupitelnou roli mají rovněž v radioteleskopii. Klasické konstrukce maserů jsou poměrné náročné na provoz (vakuové systémy, magnetické stínění, silné elektromagnety nebo chlazení tekutým héliem).

Prostředí je podmíněno stimulovanou emisí vnějšího zdroje energie, který je obecně označován jako čerpání. Při konstrukci rezonátoru však narazíme na první zásadní rozdíl samotného rezonátoru. Bude v laseru zesilováno záření buzené nízké módy rozměrů. Druhým problémem jsou energie fotonů energie přechodů elektronů řády. Třetím problémem je teplota. kmity samotných částic, které ho tvoří.

Čtěte také: CIM Ministerstvo Emise: Vysvětlení

Chlazení tekutým heliem není pro kvantových zesilovačů nic nového. Skutečnost, že se molekula kyslíku za pokojové teploty vyskytuje v tripletovém stavu, umožňuje výskyt kyslíkové atmosféry na Zemi, neboť tento stav je z hlediska chemické kinetiky málo reaktivní. v magnetickém poli rozštěpí na tři energeticky velice blízké hladiny fotonům s frekvencí zhruba 1,45 GHz. Nejvyšší hladina stimulovanou emisi. Molekula p-terfenylu slouží v barvivových laserech a nyní i maserech. Molekula pentacénu se znovu proslavila posunem pevnolátkových maserů do pokojových teplot. Schéma buzení maseru, obsazení hladin, rezonanční křivka maseru a schéma konstrukce maseru jsou znázorněny níže.

Relaxace systému s okolím jsou příliš krátké časy na relaxaci systému s okolím. I když šel vývoj jiným směrem, technologie již umožňují si doslova osahat jednotlivé molekuly. Uhlovodík pentacén byl první molekulou, která byla tímto způsobem zkoumána.

Tabulka vlastností laserů

tags: #emise #záření #do #stavu #definice

Oblíbené příspěvky:

• Výpočet ekologické daně
• Průvodce výběrem závěsných košů
• Tradice zemědělství Šumperk
• Geoparky a ochrana přírody
• Ceník STK Ústecký Kraj