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Lezione 9 GuadagnoAmplificazione. Francesco Adduci Fisica della Materia 2 Sistema a due livelli 1 2 1 2.

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Presentazione sul tema: "Lezione 9 GuadagnoAmplificazione. Francesco Adduci Fisica della Materia 2 Sistema a due livelli 1 2 1 2."— Transcript della presentazione:

1 Lezione 9 GuadagnoAmplificazione

2 Francesco Adduci Fisica della Materia 2 Sistema a due livelli

3 Francesco Adduci Fisica della Materia 3 Sistema a due livelli

4 Francesco Adduci Fisica della Materia 4 Guadagno

5 Francesco Adduci Fisica della Materia 5 Guadagno L’intensità aumenta via via che aumenta il percorso all’interno del mezzo!! L’intensità in uscita è maggiore di quella in entrata: in pratica si ottiene una amplificazione della intensità incidente.

6 Francesco Adduci Fisica della Materia 6 Guadagno Si definisce coefficiente di guadagno g Affinché si abbia un aumento di intensità deve essere g>1 e di conseguenza N 2 >N 1 Quando ciò accade si dice che è avvenuta una: Inversione di Popolazione

7 Francesco Adduci Fisica della Materia 7 Sistemi a due livelli E’ impossibile invertire la popolazione. Non ci sarà mai amplificazione.

8 Francesco Adduci Fisica della Materia 8 Sistemi a tre livelli 1 2 3

9 Francesco Adduci Fisica della Materia 9 Sistemi a tre livelli 1 2 3

10 Francesco Adduci Fisica della Materia 10 Sistemi a tre livelli 1 2 3

11 Francesco Adduci Fisica della Materia 11 Sistemi a tre livelli 1 2 3

12 Francesco Adduci Fisica della Materia 12 Sistemi a tre livelli 1 2 3

13 Francesco Adduci Fisica della Materia 13 Sistemi a tre livelli 1 2 3

14 Francesco Adduci Fisica della Materia 14 Sistemi a tre livelli 1 2 3

15 Francesco Adduci Fisica della Materia 15 Sistemi a tre livelli 1 2 3

16 Francesco Adduci Fisica della Materia 16 Sistemi a tre livelli Si ha inversione di popolazione solo se: In queste iporesi si ha:

17 Francesco Adduci Fisica della Materia 17 Esercizio Si consideri un listello di rubino illuminato da un’intensità di pompaggio I 1 e da un’intensità I 2 i cui fotoni hanno energia pari a E 2 -E 1. Calcolare l’intensità sull’altra faccia

18 Francesco Adduci Fisica della Materia 18 Storia del Laser Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation

19 Francesco Adduci Fisica della Materia 19

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21 Francesco Adduci Fisica della Materia 21 Storia del Laser 1917 Einstein Descrizione teorica del processo interazione luce-materia. Emissione stimolata. Teorema di Einstein. Amplificazione della radiazione elettromagnetica in un fascio a elevatissima intensità Definizione dei livelli energetici atomici e molecolari

22 Francesco Adduci Fisica della Materia 22 Storia del Laser Townes ottenne nel 1954 l'inversione di popolazione nell'ammoniaca NH 3 raffreddata nell'azoto liquido a 78K, separando fisicamente gli atomi in uno stato energetico superiore adatto ed immettendoli in una cavità risonante, dove amplificavano il segnale esterno che fungeva da innesco per il processo di emissione stimolata. Il segnale amplificato aveva una frequenza di 24GHz e quindi apparteneva alla regione delle microonde. Per questo amplificatore Townes coniò il nome MASER.

23 Francesco Adduci Fisica della Materia 23 Storia del Laser

24 Francesco Adduci Fisica della Materia 24 Storia del Laser I MASER sono tuttora utilizzati come amplificatori preliminari in strumenti atti a ricevere segnali estremamente deboli nel campo della radioastronomia e alla ricezione radar.

25 Francesco Adduci Fisica della Materia 25 Storia del Laser Townes e Schawlow nel 1958 rivisitarono l'apparato teorico della tecnologia maser prendendo in considerazione il fenomeno dell'emissione spontanea, usarono come cavità risonante un interferometro Fabry-Perot. Per l'amplificatore alla frequenze ottiche in fase di studio fu coniato il nome di LASER, Townes e Schawlow

26 Francesco Adduci Fisica della Materia 26 Storia del Laser Townes e Schawlow non completarono la scoperta del laser, poiché non riuscirono ad individuare né un materiale né l'eventuale modo per eccitarlo al fine di ottenere emissione stimolata alle frequenze ottiche. La scoperta avvenne nel 1960 ad opera di Maiman, il quale utilizzò come mezzo attivo dei cristalli di rubino irradiati dalla luce di una lampada flash allo xenon. Maimann ed il primo Laser

27 Francesco Adduci Fisica della Materia 27 Storia del Laser

28 Francesco Adduci Fisica della Materia 28 Storia del Laser

29 Francesco Adduci Fisica della Materia 29 Storia del Laser PREMI NOBEL RIGUARDANTI IL LASER

30 Francesco Adduci Fisica della Materia 30 LASER

31 Francesco Adduci Fisica della Materia 31 Componenti essenziali di un laser

32 Francesco Adduci Fisica della Materia 32 MEZZO ATTIVO CAVITA’ SPECCHIO RIFLETTENTE 100% MEZZI DI ECCITAZIONE (pompaggio ottico, elettrico, chimico, …) SPECCHIO SEMIRIFLETTENTE Componenti essenziali di un laser

33 Francesco Adduci Fisica della Materia 33 Mezzo attivo Equilibrio termico: piu’ atomi nello stato fondamentale Atomi sono pompati in stati eccitati per creare inversione di popolazione Si ha una cascata di radiazione quando un fotone emesso ne stimola l’emissione di un altro fotone

34 Francesco Adduci Fisica della Materia 34 Cavità

35 Francesco Adduci Fisica della Materia 35 I0I0 R1R1 R2R2 R1R1 R2R2 Cavità R1R1 R2R2

36 Francesco Adduci Fisica della Materia 36 R2R2 R1R1 E così via fino a quando la radiazione incidente diventa proprio I 0 All’equilibrio si avrà:

37 Francesco Adduci Fisica della Materia 37 Posto si ha: Cavità

38 Francesco Adduci Fisica della Materia 38 Posto Perdita logaritmica interna La condizione di stazionarietà si ottiene quindi: Single pass loss Se R 1 =1 e R 2 =0,99 si ha che l’1% fuoriesce dallo specchio e questi fotoni hanno la stessa fase, direzione e verso dell’emissione stimolata Cavità


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