ZASTOSOWANIE NADPRZEWODNIKÓW.pdf

Laser - zasada działania, nadprzewodzące przewody, nadprzewodnik, niebieski laser p...

Page 1 of 6

Technologie

Zastosowanie nadprzewodników - nadprzewodz ą ce przewody

Wniektórychmateriałachwbardzoniskichtemperaturach,

poniŜejtakzwanejtemperaturykrytycznejprądpłyniebez

oporu czyli nie ma Ŝadnych strat. Taki stan nazwano

nadprzewodnictwem, a substancje w których to następuje

nadprzewodnikami.NadprzewodnikimoŜnapodzielićnadwie

grupy:nadprzewodnikiniskotemperaturowe(nadprzewodniki

pierwszego rodzaju) i wysokotemperaturowe

(nadprzewodnikidrugiegorodzaju).

Nadprzewodnikiniskotemperaturowe,odkrytew1911roku,

mają własności nadprzewodzące w temperaturach poniŜej

30K(240°C)inaleŜądonichmetaleistopymetali.Niestety

aby utrzymać ich własności trzeba je nieustannie chłodzić

ciekłym helem, który jest drogi). Własności tej grupy

nadprzewodnikówmoŜnawytłumaczyćzapomocąteoriiBSC,

którazakłada,ŜeponiŜejtemperaturykrytycznejelektrony

łącząsięwparyCoopera,dziękiczemumogąsięprzemieszczaćbezrozpraszaniaenergii.W2001

rokuodkryto,ŜenadprzewodnikiempierwszegorodzajujestrównieŜdwuborekmagnezu(diborek

magnezu) w temperaturze 40K (233°C). Jest to bardzo obiecujący materiał bowiem taką

temperaturęmoŜnaosiągnąćoziębiającmateriałwciekłymneonielubciekłymwodorze,anawet

wchłodziarcezzamkniętymobiegiemcojesttańszeniŜchłodzenieciekłymhelem.

Nadprzewodnictwowysokotemperaturowe(ichtemperaturykrytycznesąwyŜszeod40K)odkryte

w 1986 roku, wykazują materiały składające się z tlenków miedzi o charakterze ceramik.

NajwyŜszątemperaturękrytyczną,wynoszącąokoło130K(143°C)matlenekrtęciowobarowo

wapniowomiedziowy.TemateriałymoŜnachłodzićciekłymazotemotemperaturze78K(195°

C), który jest bardzo tani. Materiały ceramiczne niestety mają wady, z powodu budowy

warstwowej są kruche i łatwo korodują, co utrudnia ich przemysłowe zastosowanie. Mimo

wysiłkówdotejporyniezdołanowytłumaczyćdlaczegotlenkimiedzisąnadprzewodnikami.

Zastosowanie nadprzewodnictwa ograniczało

siędotejporygłówniedosferykosztownych

urządzeń badawczych: budowy silnych

elektromagnesów, w akceleratorach cząstek

elementarnych do badań jądrowych, w

tomografach medycznych wykorzystujących

zjawisko magnetycznego rezonansu

jądrowego, a takŜe w superszybkich

pociągach, lewitujących nad torami no

poduszkach magnetycznych, wytwarzanych

przez nadprzewodzące elektromagnesy. W

pracowniachnaukowcówjuŜ projektujesięi

konstruuje nowe urządzenia wykorzystujące

nadprzewodnictwo, w rodzaju

wysokosprawnych silników elektrycznych i

generatorów.

Szczególne zainteresowanie budzi moŜliwość

przesyłania prądu bez strat. Od maja 2001

roku w Danii energia elektryczna zaczęła

docierać do 15 000 domów za pośrednictwem kabli nadprzewodzących, zainstalowanych w

podstacjiKopenhagi.Odlistopadaokoło30000domówwDetroitposzłoślademDuńczyków.W

projektach z Kopenhagi i Detroit wykorzystano kable energetyczne, w których specjalna

nadprzewodząca ceramika (nadprzewodnik wysokotemperaturowy) jest chłodzona ciekłym

azotem.WzwykłychkablachzŜyłąmiedzianąwystępująstratywynikającezokreślonejwartości

opornościwłaściwejtychmateriałów.Stratytewynosząnawetparęprocentprzesyłanejenergii.

ZmniejszenietychstratjestmoŜliwepoprzezzmniejszanieopornościkabliprzesyłowych,cow

przypadkumiedzilubaluminiumwymagazwiększaniaprzekrojuŜył,azatemichmasy.Dlatego

teŜchociaŜkosztprodukcjikablinadprzewodzącychjestwyŜszy,aniŜelikablitradycyjnych,to

potrzebaichznaczniemniej.Zakładającdalszyrozwójtejnowoczesnejtechnologiiipotanienie

kablinadprzewodzących,wmiaręzwiększaniaichprodukcjimasowej,moŜnaliczyćnato,Ŝe

Przewodynadprzewodzące:1Taśmaoplatającachronikabelprzy

pracachinstalacyjnych;2Izolacjaelektryczna;3Izolacjacieplna;

4Taśmanadprzewodząca;5Elastycznykanałdlaciekłegoazotu

http://www.fizyka.net.pl/aktualnosci/aktualnosci_t.html

2008-03-29

ZaleŜnośćoporunadprzewodnikaod

temperaturynaprzykładziedwuborku

magnezu

Laser - zasada działania, nadprzewodzące przewody, nadprzewodnik, niebieski laser p...

Page 2 of 6

stanąsięoneniebawemsilnąkonkurencjądlamiedzi.

Zasada działania lasera

Działanielaseraopierasięnadwóchzjawiskach:inwersjiobsadzeńiemisji

wymuszonej.Emisjawymuszonazachodzigdyatomwzbudzonyzderzasięz

fotonemotakiejczęstotliwości,ŜejegoenergiakwantujestrównaróŜnicy

energii poziomów między stanem wzbudzonym a podstawowym. Foton

uderzającynieulegapochłonięciu,aleprzyspieszaprzejścieatomuzestanu

wzbudzonegodopodstawowegoidlategozatomuwylatująwtymsamym

kierunkudwaspójne,toznaczyzgodnewfaziefotonyotejsamejenergii

więc i częstotliwości (rysunek po lewej stronie). Proces taki przewidział

teoretycznieEinsteinw1917roku.Pierwszylaser,któregonazwapochodzi

od pierwszych liter angielskiego zwrotu Light Amplification by Stimulated

EmissionofRadiationcowpolskimtłumaczeniubrzmi"Wzmocnienieświatła

przewymuszonąemisjępromieniowania"zbudowałdopierow1960rokuprzezT.Maimana.

Aby mogła zachodzić w duŜych ilościach emisja

wymuszona naleŜy w ośrodku wzmacniającym stworzyć

odpowiedniewarunki,toznaczyspowodować,bywięcej

elektronów było w stanie wzbudzonym niŜ w stanie

podstawowym.Takiprocesnosinazwęinwersjiobsadzeń

(odwrócenia obsadzeń). Wtedy rezonansowy foton

wyzwalaemisjewielufotonównarazotejsamejfaziei

częstotliwości. Aby to dokonać trzeba znaleźć taki

materiał aby na pewnym poziomie wzbudzonym (na

rysunku po prawej poziom E 3 ) czas przebywania

elektronubyłdostateczniedługi.Takipoziomnazywamy

poziomemmetastabilnym.Dotejporyzbudowanowiele

typów laserów i uzyskano efekt laserowy w setkach ośrodków czynnych (stałych, ciekłych i

gazowych). Odwrócenie obsadzeń uzyskuje się za pomocą oświetlenia światłem (pompowanie

optyczne), innym laserem, światłem błyskowym, wyładowaniem prądu w gazach, reakcjami

chemicznymialbowykorzystaćrekombinacjęwpółprzewodnikach.

Wzmacniaczlaserowyzamieniasięwgenerator,gdyośrodekwzmacniającyzostanieumieszczony

w rezonatorze. Wówczas promieniowanie wprowadzone wzdłuŜ osi rezonatora odbija się od

zwierciadłaumieszczonegonajednymkońcurezonatoraorazodpółprzeźroczystegozwierciadła

na drugim końcu. Pomiędzy zwierciadłami fale są wzmacniane wskutek emisji wymuszonej.

Promieniowanie wychodzi z rezonatora przez półprzeźroczyste zwierciadło w postaci spójnej,

monochromatycznej,równoległejwiązkiświatłaoduŜejmocy.Emitowanawiązkajestdoskonale

równoległa, bowiem fale, które nie wędrują tam i z powrotem między zwierciadłami, szybko

uciekająnabokiośrodkadrgającegobezwzmocnienia.

Lasery znalazły wiele zastosowań; są na przykład uŜywane do spawania, w medycynie np.

chirurgii, holografii, drukarkach, telekomunikacji optycznej oraz do odczytywania informacji

cyfrowej.

Zasadadziałanialaserarubinowego

Laser rubinowy

Rubinjestto kryształ tlenkuglinu

(AL 2 O 3 ),wktórymniektóreatomy

glinu są zastąpione atomami

chromu. Atomy chromu nadają

rubinowi charakterystyczną

czerwoną barwę poniewaŜ

absorbują one Ŝółtozieloną część

widma. Rolę aktywną a laserze

rubinowym spełniają tylko jony

chromu. Monokryształ sztucznego

rubinu szlifowany jest do postaci

cylindraośrednicy5mmidługości

5do10cm,któregopodstawysą

http://www.fizyka.net.pl/aktualnosci/aktualnosci_t.html

2008-03-29

Emisjawymuszona

Laser - zasada działania, nadprzewodzące przewody, nadprzewodnik, niebieski laser p...

Page 3 of 6

polerowane płasko, równolegle do

siebie. Jedna z tych powierzchni

jest pokryta warstwą odbijającą o blisko stuprocentowym współczynniku odbicia, druga ma

odbicieokoło50%.Takprzygotowanykryształumieszczonyjestwlampiebłyskowej.Schemat

poziomów energetycznych w rubinie przedstawia animacja zamieszczona wyŜej. Ksenonowa

lampabłyskowapowodujewzbudzenieelektronówzpoziomuE 1 wstanE 2 ,którytworzypasmo

energetyczne o sporej szerokości dlatego łatwo fotony z kość szerokiego przedziału mogą

wzbudzaćelektrony.ŚredniczasprzebywanianapoziomieE 2 jestkrótkiiwynosijedynie0,05

ElektronywracająwięcdostanówniŜszych.Wieleznichprzechodzibezpromieniście(energia

zostajeprzekazanasiecikrystalicznejidlategotakilaser

musibyćchłodzony)napoziomE 3 .ŚredniczasŜyciana

poziomieE 3 jestdośćdługiwynosiokoło3msidlatego

nazywamy go metastabilnym. Oświetlenie więc rubinu

światłem białym powoduje masowe przechodzenie

elektronów do stanu E 3 . Proces taki nazywamy

pompowaniemoptycznym.Następujeinwersjaobsadzeń.

Aby uzyskać silną emisję wymuszoną, konieczne jest

utworzenieoptycznejkomoryrezonansowej.Takąkomorę

tworzy sam kryształ rubinu w postaci pręta, którego

powierzchnie czołowe są wypolerowane i pokryte powłokami odbijającymi. Wystarczy wtedy

pojawieniesięwpręciejednegotylkofotonuoczęstotliwościrezonansowej,poruszającegosię

równolegle do osi pręta, aby rozpoczął się proces narastania emisji wymuszonej. Foton ten

wymuszabowiememisjęwatomachpołoŜonychwzdłuŜjegodrogi,apowstałaprzytymwiązka

fotonówodbijającsięwielerazyodprzeciwległychpowierzchnilustrzanychoddziałujeznowymi

wzbudzonymi atomami i wyzwala coraz więcej fotonów. Prowadzi to do lawinowego wzrostu

natęŜeniapromieniowanialaserowego.

Światłowysyłaneprzezlaserrubinowymakolorczerwony,

odpowiadającydługościfaliA=694,3nm.Laserrubinowy

pracujeimpulsowo.

Obecnie częściej buduje się lasery oparte na innych

materiałach.Przykłademjestlaserneodymowygdzieszkło,

kryształyfluorkuwapnialubinnemateriałydomieszkowane

są neodymem. W pracy istotne są cztery poziomy

energetyczne. Akcja laserowa zachodzi wtedy między

poziomamiE3iE4iuzyskanieodwróceniaobsadzeńjest

znaczniełatwiejsze,achłodzenieośrodkaczynnegociekłym

azotem pozwala na uzyskanie pracy ciągłej. Laser

neodymowynapodłoŜuYAG(granatitrowoglinowy)pozwalanauzyskaniewimpulsieduŜych

mocy.Wpodobnysposóbjaklaserneodymowydziałająlasery,wktórychwróŜnychosnowach

krystalicznychcentamisąjonymetaliziemrzadkich.

Laser gazowy

Odwrócenie obsadzeń poziomów jako przygotowanie do akcji laserowej w gazach moŜe być

uzyskaneprzezwyładowanieelektryczne.Ogromneznaczeniemająwówczasatomywstanach

metatrwałych, ich energia moŜe być przekazana w zderzeniach atomom lub cząsteczkom

właściwego ośrodka laserującego. Tak jest właśnie w laserze helowoneonowym (HeNe), w

którymciałemroboczymjestmieszaninaheluineonuociśnieniucząstkowymheluokoło130Pai

neonuok.13Pa.Wyładowanieelektryczneprowadzonewtejmieszaniniewzbudzaatomyhelui

neonudoróŜnychstanów.NajwaŜniejszejednakdlauzyskaniaakcjilaserowychjestwzbudzenie

atomówheludodwóchstanówmetatrwałych.

http://www.fizyka.net.pl/aktualnosci/aktualnosci_t.html

2008-03-29

Schematlaserarubinowego

Laser - zasada działania, nadprzewodzące przewody, nadprzewodnik, niebieski laser p...

Page 4 of 6

BudowęlaseraHeNeprzedstawiaschematycznierysunekpowyŜej.Ruralaserowa(szklanalub

kwarcowa)zamkniętajestdoskonalepłaskorównoległymiokienkaminachylonymidoosirurypod

kątem Brewstera (w celu minimalizacji strat przy odbiciu); jej typowe wymiary: długość

kilkanaściecmdokilkum,średnicawewnętrznakilkadokilkunastumm.Dorurywlutowanesą

elektrody, do których przykłada się napięcie powodujące wylądowanie. Rezonator tworzą

zewnętrznezwierciadła(płaskielubsferycznewustawieniuwspółogniskowym),zktórychjedno

ma pewną, niewielką przepuszczalność, co umoŜliwia wyprowadzenie wiązki laserowej na

zewnątrz.

WczasietrwaniaakcjilaserowejwyładowaniestalepodtrzymujeróŜnicęobsadzeń,otrzymujesię

zatemoakcjęlaserowąodziałaniuciągłym.Innymilaseramigazowymisąlaserargonowyilaser,

któregoczynnikiemroboczymjestdwutlenekwęgla.

Paser półprzewodnikowy

LaserpółprzewodnikowyczylidiodalaserowadziałapodobniejakdiodyświecąceLED(skrótod

angielskiegolightemittingdiode).LEDzamieniająenergięelektrycznąnaświatłowidzialnelub

promieniowanie podczerwone. Źródłem światła jest złącze półprzewodnikowe np. Światło

powstajewwynikutego,Ŝeelektronywpaśmieprzewodnictwasąpobudzanedorekombinacjiz

dziurami w paśmie walencyjnym. Gdy zachodzi to zjawisko, elektrony oddają energię

odpowiadającąprzerwiewzbronionejinastępujeświecenie.Dotychcelówprzydatnesątakie

materiałyjakarsenekgalulubazotekgalu,aobecnieczęściejcienkiewarstwypółprzewodników.

Diody LED wysyłają światło niespójne i nie do końca monochromatyczne. Aby powstał laser

naleŜytakuformowaćukładabypowstałrezonatoroptyczny.Gdydozłączabędąwstrzykiwane

duŜeładunkitomoŜewnimpowstaćproceslaserowyiwwynikuwymuszonychprzejśćzpasma

przewodnictwadowalencyjnegogenerujesięspójnawiązkaświatła.Zwierciadłamilaseramogą

być krawędzie kryształu. Lasery półprzewodnikowe mogą być miniaturowe i nie przekraczają

długości1mm.Niejesttonaogóljednakwiązkaskupionaiostosunkowomałejmocy.

Omówimy obecnie budowę najprostszego lasera półprzewodnikowego dostępnego w sklepach

elektrycznych.

Średnica soczewki

(około 5 mm) określa

maksymalną średnicę

skolimowanej wiązki.

Dioda ma ustalone

połoŜenie, połoŜenie

soczewki moŜe być

regulowane przez

zmianę połoŜenia

wkręcanej przesłony

kołowej (przesłona ta

ogranicza równieŜ

średnicęwiązkidookoło

2,53mm).Zewnętrzna,

wymienna nasadka słuŜy do wyświetlania rozmaitych rysunków. Działa na zasadzie siatki

dyfrakcyjnej (kwadratowa sieć jednakowych symboli graficznych). Podstawowym elementem

konstrukcyjnym lasera jestmetalowy korpus, w którym umocowana jest płytkadrukowana z

http://www.fizyka.net.pl/aktualnosci/aktualnosci_t.html

2008-03-29

Laser - zasada działania, nadprzewodzące przewody, nadprzewodnik, niebieski laser p...

Page 5 of 6

diodą laserową, a z przedniej strony wkręcona jest przesłona kołowa i nakręcona wymienna

nasadka.Wewnętrzukorpusuumieszczonajestsoczewka(dociskanadoprzesłonykołowejza

pomocąspręŜyny).Korpusumocowanyjestnawciskwaluminiowejrurcestanowiącejobudowę

zewnętrzną.Diodajestzasilananapięciem4,5VztrzechbateriipastylkowychprzezspręŜynę

kontaktową,niestabilnymikrowyłącznikirezystor.

Istniejewieleinnychrodzajówlaserówtakichjak:jonowe,molekularne,barwnikowe,chemiczne,

którychtutajnieomawiamy.

Przyopracowaniutematunajwięcejkorzystanoznastępującychpublikacji:

PeterLafferty,Siłynatury;

Encyklopediafizykiwspółczesnej;

CzesławBobrowski,Fizykakrótkikurs;

ZygmuntPrzeniczny,Naprzykładziekawałkarubinu,FizykawSzkole1/2003;

LeszekKotlarz,Doświadczeniazlaserem,FizykawSzkole1/2003.

Pierwszy laser krzemowy

Krzem jest półprzewodnikiem stosowanym we

współczesnejelektronice,międzyinnymizniegorobi

siękomputerowemikroprocesory.Alewszędzietam,

gdzie potrzebne jest laserowe światło, a więc w

komunikacji światłowodowej, czy w odtwarzaczach

CD,dotejporystosowanoinnepółprzewodniki,np.

arsenek galu czy fosforek indu. Są one dobrym

źródłem światła ze względu na swoje własności

fizyczne,leczsąduŜodroŜszeitrudniejszewobróbce

niŜkrzem.

W "tradycyjnych" laserach gromadzi się energię,

która słuŜy do przyspieszenia skupionej wiązki.

Krzem jednak rozprasza i absorbuje światło. Na

przeszkodziestałfakt,Ŝeniektóreelektronyzkrzemu

absorbują energię konieczną do nadania wiązce

odpowiedniego przyspieszenia. InŜynierowie Intela

zbudowali więc urządzenie, które usuwało

"przeszkadzające" elektrony. Po raz pierwszy

zaprezentowano taki laser wykorzystujący krzem w

drugiejpołowie2004roku.Eksperymentalneurządzeniewytwarzałojednakwiązkępulsacyjną,a

dozałoŜonychprzezinŜynierówIntelacelówkoniecznybyłlaserzwiązkąciągłą.Wkońcuna

początku2005rokubadaczezlaboratoriumIntelaskonstruowalilaserzkrzemudziałającyzfalą

ciągłą.Intelkontynuujebadanianadlaserem,ajegospecjaliścipracująteŜnadpołączeniemgoz

opracowanymwcześniejkrzemowymmodulatoremoptycznym,coumoŜliwizastosowanielasera

wobecniewykorzystywanejinfrastrukturzetelekomunikacyjnej.

Tozapowiedźrewolucjiwkomputerachitelekomunikacji.Dziękitemuwkrótcemogąpowstać

duŜotańszenadajnikiorazwzmacniaczeświatłauŜywanewtelekomunikacyjnychświatłowodach.

Innym zastosowaniem wynalazku byłyby lepsze komputery. śeby zwiększyć szybkość ich

działania, inŜynierowie starają się dziś upchać w mikroprocesorze coraz więcej tranzystorów

(milionynajednymcentymetrzekwadratowym).AlejuŜzakilkalatdotrądogranicymoŜliwości

takiego upakowania. Winne są temu elektroniczne sygnały, które biegną po miedzianych

połączeniach między milionami tranzystorów nie będą w stanie nadąŜyć z obsługą

elektronicznego ruchu. Wyjściem byłoby zastąpienie metalowych połączeń światłowodami, bo

wtedy sygnały rozchodziłyby się w mikroprocesorze z prędkością światła, czyli największą

moŜliwąwnaturze.Dotegojednakpotrzebaźródełświatła,którebędziemoŜnawykonaćnatej

samejkrzemowejpłytceiwtejsamejtechnologiicocałymikroprocesor.Itowłaśniejestteraz

celempracnaukowcówzIntela.

Opracowano na podstawie internetowych informacji zamieszczonych w: w serwisie naukowym

Gazety Wyborczej inastronie http://newsroom.chip.pl/news_125131.html

Krzemowelaserydziałającezfaląciągłą

Niebieski laser półprzewodnikowy

http://www.fizyka.net.pl/aktualnosci/aktualnosci_t.html

2008-03-29

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: