Modern Fizik · 7. Ünite: Çok Elektronlu Atomlar

Atomik Lazerler

Lazer (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation), atomların uyarılmış emisyonuyla ışığı yükselten ve bir optik kavite içinde geri besleyen bir kaynaktır. Bu konuda soğurma, kendiliğinden ve uyarılmış emisyonu Einstein katsayılarıyla tanımlayacak, nüfus tersinmesinin neden üç ve dört seviyeli şemalar gerektirdiğini, kavitenin eşik koşulunu ve lazer ışığının üç ayırt edici özelliğini (koherans, tek renklilik, yönlülük) göreceksin. Sonunda He-Ne ve Nd:YAG gibi lazerlerin eşiğini, boylamsal modlarını ve verimini hesaplayabileceksin.

Öğrenme hedefleri

Konu anlatımı

  1. Bağlam: Işığın Yükseltilmesi

  2. Soğurma, Kendiliğinden ve Uyarılmış Emisyon: Einstein Katsayıları

  3. Nüfus Tersinmesi: İki, Üç ve Dört Seviyeli Şemalar

  4. Optik Kavite, Eşik Koşulu ve Modlar

  5. Lazer Işığının Özellikleri ve Örnek Lazerler

  6. Çözümlü Örnekler

  7. Simülasyon Köprüsü ve Model Notu

  8. Sık Yapılan Hatalar ve Kavram Yanılgıları

Anahtar terimler

Uyarılmış emisyon (stimulated emission)
Üst düzeydeki bir atomun, gelen bir fotonun etkisiyle aynı frekans, faz, yön ve polarizasyonda ikinci bir foton yayması.
Einstein A ve B katsayıları
$A_{21}$ kendiliğinden emisyon hızı ($\text{s}^{-1}$); $B_{12}=B_{21}$ soğurma/uyarılmış emisyon katsayısı; $A/B = 8\pi h\nu^3/c^3$.
Nüfus tersinmesi (population inversion)
Üst düzeyin alt düzeyden daha dolu olduğu ($N_2 > N_1$), termal dengede imkânsız olan durum; ışık yükseltmesinin ön koşulu.
Pompalama (pumping)
Kazanç ortamına dışarıdan enerji verip tersinmeyi oluşturma ve koruma işlemi (elektrik boşalması, flaş lambası, diyot lazer).
Optik kavite (optical cavity)
Işığı kazanç ortamından defalarca geçiren, biri kısmen geçirgen iki aynalı geri besleme düzeneği; boylamsal modları $\nu_q = qc/2L$ belirler.
Eşik koşulu
Kazancın kayıplara eşit olduğu sınır: $g_{\text{eş}} = \alpha + \ln(1/R_1R_2)/2L$; pompa eşiği aşınca lazer ışıması başlar.
Üç / dört seviyeli lazer
Alt lazer düzeyi tabansa (yakut) 3, boş bir ara düzeyse (He-Ne, Nd:YAG) 4 seviyelidir; 4 seviyede eşik çok daha düşüktür.
Koherans (coherence)
Fotonların eş fazlı olması; koheranslık uzunluğu $L_c = c/\Delta\nu$.
Kuantum verimi sınırı
Pompa fotonu başına en fazla bir lazer fotonu çıktığından $\eta_{\max} = h\nu_L/E_{\text{pompa}}$.

Örnek soru

He-Ne lazerinin yaydığı fotonun dalga boyu $632{,}8\,\text{nm}$'dir. Bir fotonun enerjisi kaç eV'dir? ($hc = 1239{,}84\,\text{eV}\cdot\text{nm}$)

  1. 0,98 eV
  2. 1,24 eV
  3. 1,58 eV
  4. 1,96 eV
  5. 3,92 eV

Doğru cevap: D

Çözüm

1. $E = hc/\lambda = 1239{,}84\,\text{eV}\cdot\text{nm}/632{,}8\,\text{nm}$.
2. $E = 1{,}959\,\text{eV}$, yani 1,96 eV.
Çeldiriciler: $1{,}58$ $\lambda$'yı μm yazıp $1/\lambda$ almaktır ($hc$ yerine $1\,\text{eV}\cdot\mu\text{m}$ kullanılmış); $1{,}24$ $hc$'yi $1000\,\text{nm}$'ye bölmektir; $0{,}98$ ve $3{,}92$ enerjinin yarısı ve iki katıdır.

Modern Fizik: tüm konular