Właściwości mechaniczne i elektryczne ciał stałych

(1)

WYKŁAD 8-9 WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE I ELEKTRYCZNE CIAŁ STAŁYCH

WŁAŚCIWOŚCI

MECHANICZNE

I ELEKTRYCZNE

(2)

TEORIA

(3)

Atomy tworzące sieć krystaliczną pozostają w równowadze w wyniku wzajemnej kompensacji sił przyciągania i odpychania. Pod wpływem działania zewnętrznej siły odkształcającej następuje zmiana położenia atomów. Prowadzi to do naruszenia równowagi pomiędzy siłami wzajemnego oddziaływania i w związku z tym w strukturze sieci pojawiają się wewnętrzne siły sprężystości przeciwdziałające siłom zewnętrznym. Jeżeli po ustaniu zewnętrznej siły odkształcającej sieć krystaliczna powraca do pierwotnego kształtu, to odkształcenie takie nazywamy

sprężystym (elastycznym). Jeżeli siła odkształcająca przekroczy pewną wartość krytyczną, następuje trwałe odkształcenie kryształu. Deformacja sieci krystalicznej jest wówczas tak duża, że atomy zajmują nowe trwałe położenia, w których następuje ponowna równowaga sił odpychania i przyciągania. Odkształcenie materiału poddanego takim dużym,

krytycznym siłom nazywamy odkształceniem trwałym (plastycznym).

(4)

Dalsze zwiększanie wartości oraz czasu trwania siły może spowodować nieodwracalne zerwanie wiązań między molekułami czyli rozerwanie (zniszczenie) materiału. Z punktu widzenia właściwości mechanicznych możemy podzielić materiały na kruche i plastyczne. Materiały kruche ulegają zniszczeniu przy bardzo niewielkich odkształceniach. Materiały plastyczne ulegają zniszczeniu przy znacznych odkształceniach. Do pierwszej kategorii materiałów można zaliczyć przykładowo: żeliwo, kamień, szkło, gips. Do drugiej kategorii zaliczamy np. miedź, złoto, stal niskowęglową. Podział na ciała kruche i plastyczne jest względny, gdyż istnieją materiały, które w wysokiej temperaturze i przy wolno działającej sile są plastyczne, a stają się kruche w miarę obniżania temperatury i przy szybko działającej sile. Ze względu na zmianę geometrii ciał wprowadzamy pojęcia odkształcenia postaciowego, w którego trakcie zmienia się jedynie kształt ciała i odkształcenia objętościowego, kiedy to zmienia się objętość ciała bez zmiany kształtu. W rzeczywistych procesach zachodzą na ogół obydwa odkształcenia jednocześnie.

(5)

W końcu XVII w. angielski fizyk Robert Hooke na drodze doświadczeń, odkrył prawo opisujące zjawisko występujące w ciele odkształcanym sprężyście. Hooke stwierdził, że siła oporu sprężystego rośnie liniowo wraz z odkształceniem. Ilościowo tę zależność wyraża się równaniem:

ODKSZTAŁCENIA

gdzie:

ε_x – odkształcenie względne dla określonego kierunku,

k – współczynnik proporcjonalności zależny od sposobu odkształcania i rodzaju ciała stałego,

x

k

(6)

Odkształcenia osiągamy przez: rozciąganie, ściskanie, zginanie, skręcanie i ścinanie. W odkształconym ciele stałym powstają siły wewnętrzne przeciwdziałające siłom zewnętrznym powodującym odkształcenie. Przy ściskaniu ujawniają się siły wzajemnego odpychania cząsteczek, a przy rozciąganiu – siły przyciągania. Te siły

wewnętrzne F_w, przypadające na jednostkę powierzchni S pola

przekroju prostopadłego do ich kierunku działania są naprężeniem

wewnętrznym σ. NAPRĘŻENIA w

F

S





(7)

Aby zobrazować prawo Hooke’a rozważymy najprostszy przypadek, czyli rozciąganie ciała stałego (np. pręta):

PRAWO HOOKE’A

Gdzie:

l₀ jest długością początkową pręta,

∆l - przyrostem długości pręta, F - siłą powodującą wydłużenie,

(8)

Wiedząc, że zgodnie z prawem akcji i reakcji F_w = F to prawo Hooke’a

możemy zapisać: PRAWO HOOKE’A 0

l

F

k

l

S



_{ }

gdzie k jest współczynnikiem proporcjonalności dla danego materiału a

∆l /l₀ stanowi względny przyrost długości, zwany także wydłużeniem

(9)

Dla rozważanego przypadku możemy napisać prawo Hooke’a w postaci wzoru na naprężenie wewnętrzne σ.

PRAWO HOOKE’A

0

1 l

k l







Jeżeli przyjmiemy, że E=1/k , to ostatecznie możemy zapisać:

0

l

E

l







gdzie E jest współczynnikem proporcjonalności, zwanym modułem

(10)

Moduł Younga jest więc wielkością charakterystyczną dla danej substancji i jest równy naprężeniu, przy którym następuje podwojenie długości ciała. Na ogół podwojenie długości ciał nie udaje się, ponieważ zwykle zanim to nastąpi, ciało ulega rozerwaniu. Wymiarem

modułu Younga, zwanym także modułem sprężystości, jest N/m2.

Moduł Younga używany jest do określenia właściwości sprężystych ciał, a jego wielkość określa wytrzymałość materiału na różne czynniki mechaniczne.

(11)

Podczas rozciągania ciała zmniejsza się jego pole przekroju poprzecznego (nie uwzględnione na rysunku), mierzone w kierunku prostopadłym do kierunku działania siły; mówimy, że następuje 3 przewężenie ciała. Stosunek względnego przewężenia do względnego

wydłużenia nosi nazwę współczynnika Poissona i jest wielkością

charakterystyczną dla danego materiału. Np. dla pręta o przekroju kołowym o promieniu r i długości l współczynnik Poissona v wyrażamy:

WSPÓŁCZYNNIK POISSONA

r l

r

l











(12)

WYKŁAD 8-9 WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE I ELEKTRYCZNE CIAŁ STAŁYCH ROZCIĄGANIE

(13)

WYKŁAD 8-9 WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE I ELEKTRYCZNE CIAŁ STAŁYCH ROZCIĄGANIE

Przedział 0 – A na wykresie jest zakresem sprężystości, w którym ze względu na liniowy charakter stosuje się prawo Hooke’a.

Punkt B oznacza koniec zakresu sprężystości.

Przedział B – C jest zakresem plastyczności materiału.

Punkt D stanowi granicę wytrzymałości materiału, której przekroczenie powoduje rozerwanie drutu czy pręta. Materiały o stosunkowo dużym przedziale 0 – B

nazywamy materiałami sprężystymi (np. stal, guma).

Dla niektórych materiałów najdłuższa część wykresu zawiera się pomiędzy punktami B – C. Takie materiały

nazywamy plastycznymi (np. ołów, cyna).

(14)

Kiedy na ciało stałe działamy siłą ulega ono deformacji zmieniając swój kształt. Ma ono jednak także zdolność do przeciwstawiania się deformacji mechanicznej.

O ciele stałym możemy powiedzieć, że jest elastyczne jeżeli jego

deformacja znika natychmiast po ustaniu działania siły. W obszarze elastycznym odkształcenia są wprost proporcjonalne do przyłożonej siły. Inaczej mówiąc składniki tensora odkształceń są wprost proporcjonalne do składników tensora naprężeń.

Nieelastyczne zachowanie jest typem zachowania mechanicznego, w którym naprężenia i odkształcenia nie są wzajemnie powiązane z powodu efektów relaksacyjnych.

(15)

Kiedy siły zewnętrzne działają na ciało, wewnątrz tego ciała pojawia się naprężenie. Dla ciała będącego w równowadze mechanicznej zewnętrzne siły jakimi działamy na to ciało są zrównoważone siłami pochodzącym od naprężeń wewnętrznych. Odpowiedzią ciała na

generowane naprężenie  jest jego odkształcenie .

Aby zdefiniować pojęcie naprężenia przeanalizujmy sytuację, w której siła zewnętrzna działa na element ciała stałego

(16)

WYKŁAD 8-9 WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE I ELEKTRYCZNE CIAŁ STAŁYCH NAPRĘŻENIA

Wewnętrzne siły i naprężenia działające w elemencie V przy działaniu siły zewnętrznej.

(17)

Rozpatrzmy siły działające na niewielki element objętości V=xyz

znajdujący się wewnątrz ciała. Siła działająca na powierzchnię

A_x=x_yx_z wywierana jest przez materiał. Element V jest na tyle

mały, że siła F_x działa jednolicie na powierzchnię A_x. Składniki siły

F_x działającej wzdłuż osi x, y i z możemy zapisać jako F_xx, F_xy i

F_xz. Trzy składowe _ij naprężenia możemy wówczas zdefiniować

jako: NAPRĘŻENIA x xx xx

A

F







x xy xy

A

F







x xz xz

A

F







(18)

Kierunki _xx, _xy, _xz przedstawia poniższy rysunek Odpowiadają

one kierunkom składowych sił (tzn. pierwszy element wskaźnika dolnego pokazuje kierunek normalnej do powierzchni, na którą działa naprężenie zaś element drugi kierunek składowej przyłożonej siły).

(19)

Jeżeli siła F_xx powoduje wydłużenie elementu V, _xx jest wówczas

naprężeniem rozciągającym w kierunku osi x. Jeżeli odwrócimy teraz

kierunek działania siły F_xx, _xx będzie naprężeniem ściskajacym.

Nastąpi wtedy skrócenie elementu V w tym kierunku. Składniki _xy i

_xz nazywamy naprężeniami ścinającymi, powodującymi deformację

elementu V. W dalszej części do wyrażenia tego naprężenia używać

(20)

Podobnie ma się rzecz w przypadku dwóch pozostałych powierzchni w rozpatrywanym elemencie objętości. Uzyskane w ten

sposób dziewięć składników _ij możemy zebrać w macierz zwaną

tensorem naprężeń:















zz

zy

zx

yz

yy

yx

xz

xy

xx



ˆ

(21)

Ze względu na to że tensor naprężeń jest tensorem symetrycznym możemy wprowadzić następujące oznaczenia:

x

xx







xy





yx





z

y

yy







_yz





_zy





_x

z

zz







_zx





_xz





_y

(22)















z x y x y z y z x











ˆ

gdzie _x, _y, _z to naprężenia normalne (ściskające lub rozciągające),

zaś _x, _y, _z to naprężenia styczne (ścinające).

W obszarze elastycznym, naprężenia mogą być obliczone analitycznie dla przyłożonych do ciała sił. W praktyce jednak aktualna wielkość naprężenia w ciele stałym nie jest łatwa do wyznaczenia. Jedyną możliwością określenia naprężeń jest znajomość rezultatów

(23)

WYKŁAD 8-9 WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE I ELEKTRYCZNE CIAŁ STAŁYCH ODKSZTAŁCENIA

Po zdefiniowaniu naprężenia pojawiającego się wewnątrz ciała przy

działaniu sił zewnętrznych, następnym krokiem jest opis odkształcenia 

będącego reakcją na obecność naprężenia.

Odkształcenie elementu V

Element V₀ przed (linia przerywana pomarańczowa) i po deformacji

(linia ciągła niebieska).

(24)

Początkową objętość oznaczmy przez V₀=x₀y₀z₀. Deformację możemy

opisać w następujący sposób:

x

u

x



₀



y



y

₀



u

_y

_z



_z

₀



_u

_z

gdzie x₀, y₀ i z₀ oraz x, y i z są długościami krawędzi boków elementu

V₀ przed i po odkształceniu. Wektory u_x, u_y i u_z są natomiast

przemieszczeniami odpowiadającymi zaistniałej deformacji. Składniki

przemieszczenia u_x wzdłuż poszczególnych osi współrzędnych

(25)

Zatem składniki odkształcenia _ij przyjmą postać:

0

x

u

_xx xx x









0

y

u

_yy yy y









u

_zz zz z









(26)

Odkształcenia _i definiowane są jako niewielkie zmiany w długości.

Deformację, dla której _i > 0 nazywamy wydłużeniem, _i < 0 skróceniem.

Zdefiniujmy na podstawie ostatnich 3 równań względne odkształcenie :





0 0 0

l

_

















_















_













ln

1 ln

1

0 0 0 0 0 r 0

l

dl

l l

Pod względem zmian w stosunku do długości l rzeczywiste

(27)

Dla  << 1 odkształcenia nominalne i rzeczywiste są sobie równe.

Taka definicja rzeczywistego odkształcenia (_rc) pozwala na sumowanie

odkształceń rzeczywistych dla poszczególnych kierunków:

0

0 r

r

ln

l

y

x

y

x

y

x

c

















Wyrażenie powyższe nie jest jednak prawdziwe dla sumy

(28)

Zdefiniujmy teraz odkształcenia ścinające

Składowe ścinające odkształcenia elementu V w płaszczyźnie xz.

Przedstawiana tu deformacja odpowiada przemieszczeniu u_zx końca

boku z₀ w kierunku osi x. Odpowiednikiem takiej deformacji jest obrót

o kąt 

(29)

WYKŁAD 8-9 WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE I ELEKTRYCZNE CIAŁ STAŁYCH ODKSZTAŁCENIA Zdefiniujemy ją jako: zx zx zx zx

z

u







tan



0

Powyższa zależność jest prawdziwa dla u_zx/z₀ << 1. Dla małych

odkształceń całkowite przemieszczenie jest odpowiednikiem obrotu boku z₀ lub x₀ o kąt _zx +_xz(Rys c).

(30)

Całkowite odkształcenie ścinające zapiszemy jako:

0

0 y

u

z

u

_zy

_yz

yz

zy

x













0

0 x

u

z

u

_zx

_xz

xz

zx

y













0

0 x

u

y

u

_yx

_xy

xy

yx

z













(*)

(31)

Uzyskane w ten sposób dziewięć składników _ij możemy podobnie jak w

przypadku składowych naprężeń _ij zebrać w macierz zwaną tensorem

odkształceń, który również jest tensorem symetrycznym:















zz

zy

zx

yz

yy

yx

xz

xy

xx



ˆ

(32)

Po uwzględnieniu równań (*) tensor odkształceń przyjmie postać:















z

x

y

x

y

z

y

z

x











ˆ

(33)

WYKŁAD 8-9 WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE I ELEKTRYCZNE CIAŁ STAŁYCH ZWIĄZEK MIĘDZY TENSOREM NAPRĘŻEŃ I ODKSZTAŁCEŃ

Zgodnie z prawem Hooka, elementy obu tensorów są ze sobą powiązane macierzą elementów zależnych od stałych materiałowych danego ośrodka. Dla ciała elastycznie izotropowego występują zależności:























z x y



z z x y y z y x x

E











































1

z z y y x x

E































1

oraz

(34)

Rozważając naprężenia w cienkich warstwach przyjmuje się kilka dodatkowych założeń:

1) W kierunku prostopadłym do płaszczyzny warstwy naprężenia nie

występują (_z = 0).

2) Naprężenia działające w płaszczyźnie warstwy są takie same w każdym kierunku (_x = _y =  ).

(35)

Uwzględniając powyższe warunki nasze równania przybiorą postać



















E

z

y

x

2

1

1 











(36)

Odkształcenia w osiach x i y płaszczyzny warstwy są sobie równe, dlatego do opisu, przy wymienionych wyżej założeniach, stosuje się zależność:











1 E



1 





E

gdzie  jest naprężeniem dwuosiowym w warstwie.

Wyrażenie nazywamy dwuosiowym modułem

(37)

BUDOWA

PASMOWA

SUBSTANCJI

(38)

• Nośnikiem ładunku są elektrony, które wewnątrz metalu są swobodne, tworząc gaz elektronowy.

• Pole elektrostatyczne przyspiesza elektrony, które jednak co jakiś czas zderzają się z atomami sieci, tracąc przy tym swoją energię. Ustala się stan pewnej równowagi – elektron dryfuje przez metal w kierunku wymuszanym przez pole ze stałą prędkością średnią.

• Wady teorii:

- Wartość ciepła właściwego metali jest dużo mniejsza od przewidywanej przez teorię.

- Podatność magnetyczna przewidywana przez teorię (dla substancji nie będących ferromagnetykami) jest mocno zawyżona

- Teoria nie potrafi wyjaśnić bardzo szybkiego wzrostu przewodnictwa metali wraz ze spadkiem temperatury.

KLASYCZNA TEORIA PRZEWODNICTWA W METALACH ( TEORIA DRUDEGO )

(39)

• Rozpatrzmy kryształ metalu o wartościowości równej 1, uwzględniając efekty kwantowe. W pojedynczych atomach takiego metalu wartości energii elektronów na poszczególnych orbitach są równe, a ponadto na ostatniej powłoce znajduje się tylko jeden elektron.

• W sieci krystalicznej atomy oddziałują ze sobą i nie bardzo można rozpatrywać każdy atom osobno.

• Na skutek oddziaływania między atomami, każdy poziom energetyczny atomu zostaje rozszczepiony na szereg podpoziomów. Im silniejsze jest to oddziaływanie (im mniejsza odległość między atomami), tym silniejsze jest to rozszczepienie.

(40)

Każdy poziom energetyczny w pojedynczym atomie tworzy pasmo. Ilość poziomów

energetycznych w paśmie jest równa ilości atomów w krysztale, a na każdym poziomie mogą być dwa elektrony. Sąsiednie stany energetyczne w paśmie mają bardzo bliskie wartości energii. W rozpatrywanym metalu na paśmie odpowiadającym elektronom walencyjnym nie wszystkie dozwolone stany są obsadzone. Elektron

stosunkowo łatwo może zmienić swoją energię (zacząć się

poruszać), bo potrzebuje do tego niewiele energii.

(41)

Teoria pasmowa nie ma tych problemów, które miała teoria klasyczna:

- Nie ma zawyżenia wartości ciepła właściwego, bo nie wszystkie elektrony z pasma walencyjnego poruszają się.

- Nie ma problemu z zawyżoną podatnością magnetyczną: uporządkowanie spinów wymagałoby dużo energii.

- Łatwo można wytłumaczyć także duże wartości przewodności w niskich temperaturach, bo w obrazie kwantowym elektron nie traci energii przy zderzeniach z siecią, a jedynie z zaburzeniami sieci (jej wadami i drgającymi w niej atomami).

(42)

Wzajemne ułożenie pasm energetycznych i ich zapełnienie przez elektrony jest podstawą podziału ciał stałych na metale, półprzewodniki i dielektryki.

W przypadku metali pasmo energetyczne zapełnione jest tylko częściowo. (rys a)

Poniżej wszystkie pasma są zajęte, powyżej - wszystkie puste. Np. sód – pasmo 3s jest zapełnione tylko do połowy.

Pasmo zapełnione częściowo może także powstać w wyniku nałożenia się pasm całkowicie zapełnionych z pasmami pustymi lub częściowo obsadzonymi:

• np. atomy drugiej grupy układu okresowego,

• magnez – pasma 3s i 3p nakładają się tak, że część elektronów przechodzi z pasma 3s do 3p i oba pasma są zapełnione tylko częściowo [rys b].

Wewnątrz częściowo zapełnionego pasma elektrony mogą łatwo przechodzić do nowych, niezapełnionych stanów. Elektrony mogą być zatem pobudzone zewnętrznym polem elektrycznym.

(43)

Półprzewodnikami nazywamy takie ciała stałe w których w temperaturze 0 K pasmo walencyjne (i pasma niższe) są całkowicie zapełnione, a pasmo przewodnictwa całkowicie puste; przy czym przerwa energetyczna E_g między pasmem walencyjnym a pasmem przewodnictwa jest niewielka – około 1 eV [rys. c].

Półprzewodnikami przyjęto nazywać ciała, których przerwa energetyczna jest mniejsza od 3 eV. W większości półprzewodników już w temperaturze pokojowej koncentracja elektronów jest dostatecznie duża i kryształ wykazuje znaczną przewodność elektryczną. Pole elektryczne nie jest w stanie nadać elektronom energii wystarczającej do pokonania przerwy energetycznej. Jeśli bowiem średnia droga swobodna elektronu wynosi około 10–8_{m, to w polu}

elektrycznym o natężeniu 104 V/m uzyskuje on energię 10–4 eV.

Jeżeli przerwa energetyczna jest duża (powyżej 3 eV) wzbudzenia elektronów praktycznie nie występują i ciało jest izolatorem (rys. d). Jedynie w bardzo silnym polu elektrycznym (≈ 108 V/m) może nastąpić przebicie

(44)

(45)

Najwyższe pasmo jest pasmem przewodnictwa półprzewodnika, pasmo znajdujące się bezpośrednio pod nim jest pasmem walencyjnym. Niższe pasma nie interesują nas, ponieważ w warunkach normalnych są one całkowicie zapełnione i nie mają wpływu na właściwości elektryczne i optyczne półprzewodnika. W temperaturze 0K pasmo walencyjne jest całkowicie obsadzone przez elektrony, a pasmo przewodnictwa – puste. W wyższych temperaturach elektrony obsadzają poziomy znajdujące się w pobliżu dna tego pasma. Z tego powodu w paśmie przewodnictwa interesuje nas wyłącznie jego dolny odcinek.

Pasmo w którym wszystkie stany kwantowe z wyjątkiem jednego są obsadzone przez elektrony, można potraktować jako obsadzone przez pewną quasi-cząstkę, którą nazywamy dziurą. Tej niby-cząstce

(46)

Dziura zachowuje się tak jak ”normalna” cząstka, ma bowiem dodatnią masę efektywną. Podobnie jak elektron w paśmie przewodnictwa, dąży do tego aby zająć stan o najniższej energii. Należy zwrócić uwagę, że pojęcie dziury wprowadziliśmy tylko w przypadku pasm całkowicie zapełnionych. Przy rozpatrywaniu działania większości elementów półprzewodnikowych nie zachodzi konieczność posługiwania się zależnościami dyspersyjnymi. Do tego celu wystarcza najczęściej uproszczony model pasmowy półprzewodnika pokazany na poniższym rysunku. W takim modelu można również pokazać wzbudzenie elektronu z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa.

(47)

WYKŁAD 8-9 WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE I ELEKTRYCZNE CIAŁ STAŁYCH DOMIESZKOWANIE PÓŁPRZEWODNIKÓW

W sieć krystaliczną czystego

półprzewodnika można wbudować

atom, posiadający na ostatniej powłoce więcej elektronów (donor) lub mniej

elektronów (akceptor) niż atomy

półprzewodnika.

Domieszki mogą stać się źródłem

nośników ładunków: donory –

elektronów (półprzewodnik typu n), a akceptory – dziur (półprzewodnik typu

(48)

• Zwróćmy uwagę, że gdy do złącza p-n przyłożymy napięcie tak, że do

półprzewodnika typu n dołączymy ujemny biegun źródła, a do półprzewodnika typu p – dodatni, to przez złącze popłynie prąd. Przy odwrotnym podłączeniu biegunów prąd nie popłynie.

• Zauważmy, że elektron przechodząc z półprzewodnika typu n do półprzewodnika typu p bardzo chętnie zapełni dziurę, emitując przy tym foton (każda dioda półprzewodnikowa „świeci”, chociaż nie koniecznie w świetle widzialnym).

• Dodając rezonator, możemy zwiększyć liczbę aktów emisji wymuszonej ponad liczbę aktów emisji spontanicznej i mamy laser półprzewodnikowy (diodowy).

(49)

WYKŁAD 8-9 WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE I ELEKTRYCZNE CIAŁ STAŁYCH LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation:

wzmocnienie światła poprzez wymuszoną emisję promieniowania.

(50)

Działanie lasera opiera się na dwóch zjawiskach: inwersji obsadzeń i emisji wymuszonej. Emisja wymuszona zachodzi gdy atom wzbudzony zderza się z fotonem o takiej częstotliwości, ze jego energia kwantu jest równa różnicy energii poziomów miedzy stanem wzbudzonym a podstawowym. Foton uderzający nie ulega pochłonięciu, ale przyspiesza przejście atomu ze stanu wzbudzonego do podstawowego i dlatego z atomu wylatują w tym samym kierunku dwa spójne, to znaczy zgodne w fazie fotony o tej samej energii wiec i częstotliwości

Aby mogła zachodzić w dużych ilościach emisja wymuszona należy w ośrodku wzmacniającym stworzyć odpowiednie warunki, to znaczy spowodować, by więcej elektronów było w stanie wzbudzonym niż w stanie podstawowym. Taki proces nosi nazwę inwersji obsadzeń (odwrócenia obsadzeń).

(51)

WYKŁAD 8-9 WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE I ELEKTRYCZNE CIAŁ STAŁYCH LASERY-BUDOWA

1. Ośrodek czynny

2. Układ pompujący

3. Zwierciadło rezonatora

4. Drugie zwierciadło rezonatora 5. Wiązka laserowa

(52)

Ośrodek czynny lasera pozwala na wzbudzenie silnej fali

elektromagnetycznej. Elektrony molekuł ośrodka czynnego w pierwszym etapie są wzbudzane na wyższy poziom energetyczny (tzw. pompowanie), po czym gwałtownie powracają do stanu podstawowego wyzwalając impuls elektromagnetyczny o wysokiej energii. Powtarzanie pompowania i

wyzwalania powoduje powstawanie promienia laserowego.

Zadaniem układu pompującego jest przeniesienie jak największej liczby

elektronów w substancji czynnej do stanu wzbudzonego. Układ musi być wydajny tak by doszło do inwersji obsadzeń. Pompowanie lasera odbywa się poprzez błysk lampy błyskowej (flesza), błysk innego lasera, przepływ prądu (wyładowanie) w gazie, reakcje chemiczna, zderzenia atomów,

(53)

Rezonator optyczny pełni rolę sprzężenia zwrotnego dla wybranych częstotliwości, dzięki czemu laser generuje światło tylko o jednej częstotliwości. Układ optyczny składający się zazwyczaj z dwóch zwierciadeł, z czego przynajmniej jedno jest częściowo przepuszczalne. Dokładnie wykonane i odpowiednio ustawione zwierciadła stanowią rezonator dla wybranej częstotliwości fali i określonego kierunku ruchu - tylko te fotony, dla których układ optyczny jest rezonatorem wielokrotnie przebiegają przez ośrodek czynny wywołując emisje kolejnych fotonów spójnych z nimi. Pozostałe fotony zanikają w ośrodku czynnym lub układzie optycznym.

(54)

Światło, które wpada do cylindrycznego wnętrza lasera, zostaje przechwycone przez dwa zwierciadła. Odbijając się od nich, przekazuje swoja energie wypełniającej cylinder substancji (gazu lub kryształu). Atomy kryształu lub gazu zostają wzbudzone poprzez absorpcje fotonów światła. Kiedy wzbudzone atomy zderzają się z kolejnymi fotonami, emitują energie w postaci światła. Wyemitowane światło ma jednakowa częstotliwość fali, stad nazywa się je światłem spójnym. Długość takiej fali zależna jest od materiału z jakiego laser został wykonany.

(55)

Ze względu na rodzaj ośrodka czynnego: Lasery gazowe:

He-Ne helowo-neonowy (543 nm lub 633 nm)

Ar argonowy (jonowy) (458 nm, 488 nm lub 514,5 nm) Azotowy (impulsowy - 308 nm)

Kryptonowy (jonowy 647nm, 676 nm) Na dwutlenku wegla (10,6 μm )

Lasery na ciele stalym:

Rubinowy (643 nm)

Neodymowy na szkle (ok. 750nm)

Neodymowy na YAG-u (Nd:YAG) (1064nm) Erbowy na YAG-u (Er:YAG) (1645 nm)

Tulowy na YAG-u (Tm:YAG) (2015 nm)

(56)

WYKŁAD 8-9 WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE I ELEKTRYCZNE CIAŁ STAŁYCH Ze względu na sposób promieniowania:

-promieniowanie w sposób ciągły o mocach od µW do kW

-promieniowanie w postaci pojedynczych impulsów o czasie trwania rzędu ms - ps i mocach od kW do TW

-promieniowanie w postaci ciągu impulsów o częstotliwosciach powtarzania od Hz do MHz

(57)

Medycyna i kosmetyka: prostata, usuwanie żylaków, leczenie naczyniaków, zmiękczanie blizn, powstrzymywanie koloidów, do usuwania tatuaży, znamion oraz włosów, ciecia , koagulacji obróbki mechanicznej

Elektronika: wskaźniki laserowe, drukarki laserowe, CD/DVD, czytnikach kodu kreskowego

Metalurgia: Ciecia, spawania

Poligrafia: w naświetlarkach filmów , w naświetlarkach offsetowych form drukowych, w naświetlarkach zintegrowanych z maszyna drukarska

Technologia wojskowa: naprowadzanie , bron energetyczna

Muzyka: harfa laserowa

Telekomunikacja: laser telekomunikacyjny