Lezione 9 Guadagno Amplificazione.

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1 Lezione 9 Guadagno Amplificazione

2 Sistema a due livelli 1 2 Francesco Adduci Fisica della Materia

3 Sistema a due livelli 1 2 Francesco Adduci Fisica della Materia

4 Guadagno 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. Francesco Adduci Fisica della Materia

6 Inversione di Popolazione
Guadagno Si definisce coefficiente di guadagno g Affinché si abbia un aumento di intensità deve essere g>1 e di conseguenza N2>N1 Quando ciò accade si dice che è avvenuta una: Inversione di Popolazione Francesco Adduci Fisica della Materia

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

17 Esercizio Si consideri un listello di rubino illuminato da un’intensità di pompaggio I1 e da un’intensità I2 i cui fotoni hanno energia pari a E2-E1. Calcolare l’intensità sull’altra faccia Francesco Adduci Fisica della Materia

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

19 Francesco Adduci Fisica della Materia

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21 Storia del Laser 1917 Einstein 1930-1940
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 Francesco Adduci Fisica della Materia

22 Storia del Laser Townes ottenne nel 1954 l'inversione di popolazione nell'ammoniaca NH3 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. Francesco Adduci Fisica della Materia

23 Storia del Laser 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. Francesco Adduci Fisica della Materia

25 Townes e Schawlow 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 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 Francesco Adduci Fisica della Materia

27 Storia del Laser Francesco Adduci Fisica della Materia

28 Storia del Laser Francesco Adduci Fisica della Materia

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

30 LASER Francesco Adduci Fisica della Materia

31 Componenti essenziali di un laser
Francesco Adduci Fisica della Materia

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

34 Cavità Francesco Adduci Fisica della Materia

35 Cavità I0 R1 R2 R1 R2 R1 R2 Francesco Adduci Fisica della Materia

36 E così via fino a quando la radiazione incidente diventa proprio I0
All’equilibrio si avrà: Francesco Adduci Fisica della Materia

37 Cavità Posto si ha: Francesco Adduci Fisica della Materia

38 Cavità Posto Perdita logaritmica interna
La condizione di stazionarietà si ottiene quindi: Single pass loss Se R1=1 e R2=0,99 si ha che l’1% fuoriesce dallo specchio e questi fotoni hanno la stessa fase, direzione e verso dell’emissione stimolata Francesco Adduci Fisica della Materia