Fizika lasera

Opis predmeta

Interakcija zračenja i materije. Atom kao kvantni sustav. Lorentzov model apsorpcije i emisije. Homogeno i nehomogeno širenje spektralnih linija. Einsteinovi koeficijenti A i B. Princip rada lasera. Obrat naseljenosti energijskih razina. Sustavi s tri i četiri energijske razine. Pojačanje u laseru. Modovi zračenja. Svojstva laserskog zračenja. Gustoća modova u šupljini. Stabilni i nestabilni laserski rezonatori. Longitudinalni i transverzalni modovi. Pulsni laseri (Q prekidanje, sprezanje modova). Vrste lasera: Plinski (He-Ne, Ar+, N2, CO2 laser, kscimerski laseri (ArF, KrF), kemijski. Laseri čvrstog stanja (rubinski, Nd: YAG, optički). Poluvodički laseri (GaAs). Laseri s organskim bojama. Laseri sa slobodnim elektronima. Neke primjene lasera u fizici, tehnici i medicini s naglaskom na procese dvostepenog optičkog snimanja te sustava optičkog prepoznavanja signala.

Opće kompetencije

Kolegij omogućava studentima upoznavanje s fizikalnim osnovama rada lasera, vrstama lasera, te nekim primjenama. Kolegij pomaže studentima da razumiju kako integrirati znanje stečeno na drugim kolegijima (elektro-magnetizam, kvantna fizika, teorija poluvodiča, elektronika)i primjeniti ga u području lasera.

Ishodi učenja

  1. Opisati međudjelovanje svjetlosti s materijom pomoću klasične i polu-klasične teorije.
  2. Objasniti rad laserskog rezonatora i prag laserske akcije.
  3. Objasniti svojstva laserskog zračenja u usporedbi s konvencionalnim izvorima svjetlosti.
  4. Objasniti Q prekidanje i sprezanje modova u pulsnim laserima.
  5. Razumjeti kako izbor i karakteristike laserskog medija, te rezonatora određuju krajnje ponašanje lasera.
  6. Analizirajući svojstva lasera odrediti moguće primjene.
  7. Procjeniti interdisciplinarnost inženjerskih sustava.

Oblici nastave

Predavanja

Predavanja uključuju i rješavanje primjera.

Laboratorijske vježbe

Laboratorijske vježbe se održavaju na Zavodu za primijenjenu fiziku. Laboratorijske vježbe su obavezne. Vježbe: 1. Određivanje indeksa loma materijala mjerenjem kuta devijacije laserskog snopa na prizmi. 2. Određivanje koeficijenta apsorpcije otopine mjerenjem snage laserskog snopa. 3. Određivanje promjera laserskog snopa. 4. Faradayev efekt

Konzultacije

Konzultacije se održavaju u dogovoru s nastavnikom.

Seminari

Izrada seminara je obavezna.

Stručni posjeti

Posjet tvtci Dok-ing i Insitutu za fiziku. (ako je moguće)

Način ocjenjivanja

Kontinuirana nastava Ispitni rok
Vrsta provjere Prag Udio u ocjeni Napomena / komentar Udio u ocjeni
Laboratorijske vježbe 0 % 16 % 0 % 16 %
Sudjelovanje u nastavi 0 % 5 % 0 % 5 %
Seminar/Projekt 0 % 15 % 0 % 15 %
Međuispit: Pismeni 0 % 32 % 0 %
Završni ispit: Pismeni 0 % 32 %
Ispit: Pismeni 0 % 32 %
Ispit: Usmeni 32 %

Tjedni plan nastave

  1. Kronologija događaja u fizici koji su prethodili razvoju lasera. Neke karakteristike svjetlosti: dualizam val-čestica. Uvod: osnovni dijelovi lasera. Lasersko hlađenje atoma.
  2. Atom kao kvantni sustav. Kvantni brojevi. Izborna pravila. Emisija i apsorpcija svjetlosti. Primjeri i zadaci.
  3. Oblik i širina spektralne linije. Lorentzov model apsorpcije i emisije. Dopplerovo širenje spektralnih linija. Primjeri. Pokus: atomski i molekulski spektri.
  4. Širenje spektralnih linija u sudaru. Zračenje crnog tijela. Einsteinove vjerojatnosti prijelaza za spontanu i stimuliranu emisiju, te apsorpciju. Primjeri.
  5. Inverzija naseljenosti u sustavima s dvije i tri energijske razine. Ponašanje elektromagnetskih valova u šupljini. Gustoća modova u šupljini. Fabri Perot interferometar. Primjeri.
  6. Pojačanje u laseru. Uvjet laserske akcije. Modovi elektromagnetskog zračenja: Gaussovi, Hermite-Gaussovi, Laguerre-Gaussovi, te Besselovi modovi. Primjeri.
  7. Povratna veza u laserima: višeslojne dielektrične površine. Laserski rezonatori: stabilni i nestabilni. Faktor dobrote laserskog rezonatora.
  8. Međuispit.
  9. Energijska pobuda aktivnog sredstva u laseru. Optičko pumpanje. Elektronska pobuda. Sraz drugog reda. Jednomodni laseri. Spektralna moć razlučivanja prizme, optičke rešetke i Fabry-Perot etalona. Primjeri.
  10. Višemodni laseri. Pulsni laseri (Q prekidanje, sprezanje modova). Karakteristike laserske svjetlosti: monokromatičnost, usmjerenost, sjaj, prostorna i vremenska koherencija. Pulsni laseri. Maser. Plinski laseri: He-Ne, Ar ionski.
  11. N2 laser. Molekulski spektri. CO2 laseri. .
  12. Excimerski laseri: ArF, KrF. Kemijski laseri. Laseri s organskim bojama. Laseri čvrstog stanja: rubinski, Nd:Yag, optički. Ugodljivi laseri čvrstog stanja.
  13. Poluvodički laseri: GaAs. Laseri u X području. Laseri sa slobodnim elektronima.Optički laseri. Detektori laserskog zračenja.
  14. Holografija. Snimanje i rekonstrukcija holograma. Matematički opis. Vrste holograma. Materijali za snimanje. Primjene: interferometrija, optička obrada signala, holografske memorije. Pokus: rekonstrukcija holograma.
  15. Završni ispit.

Studijski programi

Automatika -> Elektrotehnika i informacijska tehnologija (Profil)

Elektrotehnički sustavi i tehnologija -> Elektrotehnika i informacijska tehnologija (Profil)

Elektroenergetika -> Elektrotehnika i informacijska tehnologija (Profil)

Elektroničko i računalno inženjerstvo -> Elektrotehnika i informacijska tehnologija (Profil)

Elektronika -> Elektrotehnika i informacijska tehnologija (Profil)

Obradba informacija -> Informacijska i komunikacijska tehnologija (Profil)

Telekomunikacije i informatika -> Informacijska i komunikacijska tehnologija (Profil)

Radiokomunikacijske tehnologije -> Informacijska i komunikacijska tehnologija (Profil)

Programsko inženjerstvo i informacijski sustavi -> Računarstvo (Profil)

Računalno inženjerstvo -> Računarstvo (Profil)

Računarska znanost -> Računarstvo (Profil)

Literatura

V. Henč-Bartolić, L. Bistričić (2001.), Predavanja i auditorne vježbe iz fizike lasera, Element
W. Demtröder (2008.), Laser spectroscopy, Springer
O. Svelto (1998.), Principles of lasers, Plenum Press
P.W. Milonni, J.H. Eberly (1988.), Lasers, John Willey & Sons
S. Lugomer (1990.), Laser Techology: Laser-Driven Processes, Prentice Hall

Bodovi i izvedba

4 ECTS
R1 Engleski jezik
R1 E-učenje
45 Predavanja
0 Auditorne vježbe
4 Laboratorijske vježbe

Ocjenjivanje

85 izvrstan
75 vrlo dobar
60 dobar
50 dovoljan