HeNe Laser in Action .

Absorption of electromagnetic Radiation
photon من المحاضرات السابقة علمنا أن عملية امتصاص فوتون
بواسطة ذرة، فإن حالة الذرة تتغير من ذرة غير مثارة إلى absorption
ذرة مثارة بطاقة تساوي طاقة الفوتون الذي اكتسبته.
وھذا بالفعل ما يحدث عند النظر إلى الذرة في المادة على حدا. ولكن
macroscopic إذا اعتبرنا الحالة الجاھرية لوصف عملية الامتصاص
فإن جزء من الشعاع الكھرومغناطيسي الساقط على المادة system
فإن شدة Thermal Equilibrium سوف يمتص وفي الحالة العادية
الشعاع النافذ أقل من الشعاع الساقط والعلاقة التي تربط شدة الشعاع
Lambert النافذ مع الشعاع الساقط وسمك المادة ھو قانون لامبرت
Law
28/10/1431
3
Physics Academy
Dr. Hazem Falah Sakeek 5
I = Io exp(-?x)
I0 = Intensity of incoming radiation.
? = Absorption coefficient of the material.
It is common to use units of centimeter (10-2 [m]), to measure
the width of the material (x), so the units of the absorption
coefficient (?) are:
[cm-1] = [1/cm].
ومن هذه المعادلة نستنتج أن كلما ازداد سمك المادة كلما كانت شدة الأشعة النافذة
اقل. transmitted
Physics Academy
Dr. Hazem Falah Sakeek 6
Example: Absorption Coefficient (?)
Calculate the absorption coefficient (a) of materials which
transmit 50% of the intensity of the incident radiation on a 10
[mm] width, to the other side.
Solution
Using the exponential absorption law:
?= 1/x * ln(Io/I) = 1/1 * ln(1/0.5) = 0.69 cm-1
Results from the exponential absorption law:
•For every material, absorption depends on the width of the
material. The thicker the material, less radiation will be
transmitted through.
•For a certain width (x) of the material, absorption depends only
on the absorption coefficient (?), which is characteristic of
each material.
28/10/1431
4
Physics Academy
Dr. Hazem Falah Sakeek 7
Small Signal Gain Coefficient
إن ما سبق لا ينتج شعاع ليزر لأن الأشعة النافذة أقل من الأشعة
الساقطة والمطلوب ھو الحصول على شعاع مكبر بعد نفاذه من المادة،
وكما نعلم أن كل من عمليتي الانبعاث التلقائي والأستحثاثي تزيد من
شدة الأشعة، بينما عملية الامتصاص تقلل من شدة الأشعة
النافذة. وللحصول على الليزر يجب أن تكون عملية الانبعاث أكبر من
عملية الامتصاص حتى نحصل على شعاع ليزر.
يوضح الشكل أعلاه ذرة مثارة (السحابة الخضراء) استحثت بواسطة فوتون فكانت النتيجة فوتون مكبر
وقد درس العالم اينشتين تأثير تفاعل الإشعاع الكھرومغناطيسي مع
المادة من خلال عمليات الانتقال الثلاثة
1.Absorption
2.Spontaneous Emission
3.Stimulated Emission
Physics Academy
Dr. Hazem Falah Sakeek 8
Consider a collimated beam of light travelling in z-direction and passing
through an atomic gas, For simplicity assume that there is only a single
radiative transition, which occurs between two energy state E1 and E2
where E2 > E1. The incident light is monochromatic at the transition
frequency
v21 = (E2-E1) / h
28/10/1431
5
Physics Academy
Dr. Hazem Falah Sakeek 9
The light beam is characterized by its irradiance, I,
I? = C ?(?)
Where I? is the irradiance (energy per unit area per sec)
C is the speed of light (m/sec)
?(?) is the energy density (J/m3)
The magnification of I? as it interacts with the atoms in
E1 & E2 along the z-direction is as follow:
Physics Academy
Dr. Hazem Falah Sakeek 10
?I? = + N2*?z*1 (I?/C) B21 g(?) * h?
- N1*?z*1 (I?/C) B12 g(?) * h?
+ N2*?z*1 A21 g(?) * h?
Stimulated emission
Absorption
Spontaneous emission
يمكن تجميع المعادلة بالصورة التالية
28/10/1431
6
Physics Academy
Dr. Hazem Falah Sakeek 11
حيث أن عملية الانبعاث التلقائي تحدث بوجود أو عدم وجود فوتونات ساقطة على المادة أي
لذا فإنها تهمل في المعادلة. I إنها لا تعتمد على
تكون قيمة سالبة إذا كانت z نلاحظ أيض اً أن قيمة التغير في شدة الأشعة بالنسبة للمسافة
N1>N2 وهذا ما يحدث في الطبيعة، وهنا لا نحصل على تكبير، ولذلك إذا أردنا تكبير
وهذا ما يعرف بانقلاب N2>N الأشعة لنحصل على ليزر فإنه من الضروري أن تكون 1
لنعود إلى المعادلة السابقة ونستخدم معادلات .Population Inversion التعداد
اينشتين السابق الذكر وهما:
Physics Academy
Dr. Hazem Falah Sakeek 12
وبذلك ينتج أن
باستخدام