LASERY

LASERY

• Zasada pracy • Przekształcanie wiązki• Zastosowania

(wg. fragmentu wykładu prof.. R. Jóżwickiego „Podstawy Inżynierii Fotonicznej”)

Transmisja i absorpcja fotonów przez ośrodek

• • • •

•

• • • • • • • •

E Obsadzenie poziomów energetycznych zbioru atomów

w stanie termodynamicznie ustalonym

Im wyższy poziom energetyczny tym mniejsze prawdopodobieństwo

obsadzeniaPoglądowy rysunek

2

1

h01

Emisja wymuszona

identyczne fotony

1

2h01

Absorpcja i emisja spontaniczna

E

Obsadzenie poziomów

Rozkład (Ludwig’a) Boltzmann’a

kTEexpNN i

0i i

i0 NN

Ei – energia i-tego poziomu k – stała Botzmann’aT – temperatura [K]

• • • •

•

• • • • • • • •

E

N1

N3

N2Ni – obsadzenie poziomu i

Obsadzenie = liczba atomów wzbudzonych do poziomu i

im wyższy poziom energetyczny tym mniej atomów na tym poziomie

W stanie energetycznie ustalonym

Transmisja fotonów przez ośrodek

0 konieczna inwersja obsadzeń, kiedy

bardziej prawdopodobna emisja wymuszona niż absorpcja

Wzmocnienie

(Alfred) Kastler (1902-1984) odkrył zjawisko pompowania 1966 – nagroda Nobla

(T.H.) Maiman 1960 pierwszy laser rubinowy

dexp0

W stanie równowagi termicznej akty absorpcji bardziej prawdopodobne

00

0 = h

d

Lasery pompowanie lasera rubinowego

pompa h13

h12 h12rubin

Pompowanie przez naświetlanie fotonami 13

Wzmocnienie między poziomami 2 1

Energia bezpromienistego przejścia zamienia się na ciepło niekorzystne zjawisko

Układ poziomów energetycznych lasera rubinowego - korund domieszkowany jonami Cr3+

pompa h13

przejście bezpromieniste

3

2

1

h12

poziom podstawowy

poziom metastabilny

Lasery pompowanie lasera gazowego na przykładzie lasera He-Ne

2He 3Ne

1Ne

2Ne

zder

zeni

ez

elek

trona

mi = 0.63 m

1HeHel Neon

zderzenia ze ściankami kapilary

zderzenia atomów

Przepływ prądu w mieszaninie dwóch gazów He-Ne

Znacznie więcej atomów He niż Ne Elektrony zderzają się przede

wszystkim się z He. Pompowanie na He

Hel przekazuje energię do neonu podczas zderzenia Przejścia laserowe w neonie

Dobór optymalnego prądu. Zbyt duży prąd zaludnia poziom 2Ne

Zasada pracy lasera

Zwierciadła 1 i 2 tworzą rezonator Fabry-Perot

Strumień fotonów propagując się oscylacyjnie między zwierciadłami wzmacnia się w napompowanym ośrodku do stanu nasycenia

Przez częściowo przepuszczalne zwierciadło 2 wyprowadzana jest wiązka użyteczna las

Zwierciadła rezonatora są sferyczne, aby uniknąć krytycznego warunku na równoległość zwierciadeł płaskich

Laser jest samowzbudnym generatorem promieniowania

pompa1 2

las

Akronim L A S E R

jest mylący

Opticzeskij Kwantowyj Genierator OKG

oddaje sens fizyczny lasera

Light Amplificationby Stimulated Emission of Radiation

Microwave Amplificationby Stimulated Emission of Radiation

Maser był tylko wzmacniaczem

wywodzi się z masera

Modowość wiązki laserowej

Rozkłady pola nie spełniające warunku zgodności faz są tłumione

Konfiguracje pola spełniające warunek zgodności faz dla określonej długości fali nazywamy modami

TEM – poprzeczne (Transverse) pole Elektryczne i Magnetyczne

Oscylacyjna propagacja promieniowania w rezonatorze tworzy zbiór interferujących wiązek. Ich wzmacnianie jest możliwe tylko przy

pełnej zgodności faz między nimi

las

mody poprzeczne – rozkłady przestrzenne TEM

mody podłużne – widmo wiązki dla danego modu poprzecznego

Dla wygody rozróżnia się :

Kształt wiązki laserowej mody poprzeczne

Różne wartości amplitud na czole fali – wyniki interferencji

d

123

Warunek zgodności faz interferujących wiązek 1, 2, 3 w rezonatorze

czoła fali pokrywają się z powierzchnią zwierciadeł

TEM00

wiązka gaussowska

przewężenie

czoła fali

Poszczególne mody są numerowane TEMmn m, n = 1, 2, 3, . .

Wiązka gaussowska

2w - średnica wiązki w przekroju

przewężenie

z

2w r

r02w

IzI

Iz/e2

W każdym przekroju (dla każdego z) gaussowski rozkład intensywności

Iz – intensywność na osi

2

z wr2expIz,rI

o obrotowej osi symetrii

Wiązka gaussowskaprzewężenie

z

2w r2

2w0

20

20 w2kwD

Parametr konfokalny wiązki

2w0 – średnica przewężenia wiązki

podawana przez producentów lasera

Kąt rozbieżności wiązki (pojęcie użyteczne dla dużych

odległości z >> D)Dw4

Dz21

zw2lim

zw2lim2 0

20

zz

2w – średnica wiązki w danym przekroju (definiuje kształt wiązki)

2

z wr2expIz,rI

20

z ww0,0II

2

0 Dz21w2w2

Wyznaczenie rozkładu intensywności I(r,z) i kształtu wiązki

Iz – rozkład intensywności na osi wiązki I(0,0) – w środku przewężenia

Kształt wiązki laserowej mody poprzeczne cd

Przybliżenia dla średnic wiązki w różnych odległościach z

dla z << D 0w2w2 2

0 Dz21w2w2

dla z >> D

relacja geometryczna

zDw4w2 0

Dw42 0gdyż

2w2

z

zw 22

Niezmiennik wiązki gaussowskiej

Dla lasera He-Ne i = 0.6328 m i typowej średnicy przewężenia 2w0 = 1 mm

kąt rozbieżności 2 = 0.000806 = 2.77’

Zmniejszenie średnicy przewężenia 2w0 powoduje jednoczesne powiększenie kąta rozbieżności 2

Jednoczesne zmniejszanie 2w0 i 2 jest możliwe tylko przez wybór lasera generującego promieniowanie o krótszej długości fali

kD2w2 0 kD

42

4

k82w2 0

K !!

Mody poprzeczne wyższych rzędów

Laser może generować jednocześnie różne mody TEMmn

Rozkłady intensywności kilku

pierwszych modów TEMmn

Wadą jest niejednorodność wiązki

Przy zakupie lasera gazowego zaznaczać pracę jednomodową

Warunek nie do spełnienia w laserach na ciele stałym a szczególnie w laserach półprzewodnikowych

Widmo wiązki laserowej mody podłużne

,.,2,1KKd2

K Każde K może być generowane dla spełnionego warunku generacji

Dla lasera He-Ne 0.6328.. m i długości rezonatora 0.5 m K jest rzędu 1.6106 i dokładnie nie może być znane

Odległość w widmie między sąsiednimi modami K = 1 K

KK

d22

W rezonatorze interferencjapromieni 1, 2, 3, ...

Warunek zgodności faz dla K-tego modu

KKd2 K – liczba całkowitad

123

sód

wodór

rtęć

hel

neon

Linie widmowe lamp spektralnych

Długość fali 600 550 500 450 400 nm

Widmo wiązki lasera He-Ne

- szerokość moduodległość międzymodowa

L 210-3nm Szerokość połówkowa linii Ne = 633 nm

K

K-1K-2

K+1 K-3K+2

poziom generacji

K+3

Linia widmowa Ne

potencjalne mody

egerintKKd2

K

Dla długości rezonatora d = 0.5 m i = 632.8 nm

nm104.0K

3

Generacja kilku modów podłużnych Na rysunku 7 modów od K-3 do K+3

Wartość K nieznana

Dla lasera z jednym modem szerokość widma bardzo mała, ale 0

Laser potocznie zwany jednoczęstotliwościowym

Laser nie jest źródłem światła monochromatycznego K!!

Przekształcanie wiązki przez układy optyczne

Znamy D (parametr konfokalny) i xp położenie przewężenia wiązki przedmiotowej. Znaleźć D’ i x’p wiązki obrazowej

-xp-x

F F’

x’px’

2w 2w0 2w’

n = 1 n = 12w’0

płaszczyzna przewężenia

’

Obrazem płaszczyzny jest płaszczyzna ’, a więc

2'f'xx 22

222 w2'f'xw2'w2

wyznaczenie położenia ’

gdyż'f'x

wyznaczenie kształtu wiązki obrazowej

Aby wyznaczyć położenia płaszczyzny przewężenia w przestrzeni obrazowej należy znaleźć takie x’, dla którego 2w’ = min

Przekształcanie wiązki przez układy optyczne cd

-xp-x

F F’

x’px’

2w 2w0 2w’

n = 1 n = 12w’0

’-z

2

2p2

02

Dxx4

1w2w22

0 Dz21w2w2

xxz p Ponieważ

2p

2222

02 'xx'f'x2D

'Df5.0w2'w2

Po uwzględnieniu relacji'x

'fx2

22

2 w2'f'x'w2

i po przekształceniach

0x'xx'f2'x2D2

'Df5.0w2

'x'w2

ppp2

p

220

2

Z warunkup2

2p

2

p x

2Dx

'f'x


22p

2

g

2Dx

'f

parametry wiązki przekształconej

pgp x'x położenie przewężenia

parametr konfokalnyD'D g

2p

222

202 'xx'f'x2D

'Df5.0w2'w2 p2

2p

2

p x

2Dx

'f'x

Podstawiając x’ = x’p znajdziemy 2w’ = 2w’0

Ponieważ D’ = kw’02 , ostatecznie oznaczając


Przewężenie wiązki obrazowej nie jest obrazem przewężenia wiązki przedmiotowej

Wiązkę gaussowską nie można traktować jako fali sferycznej ani płaskiej

Dla fali sferycznej F

f’

ObObraz ogniska

przedmiotowego F

przewężenie xp = 0

Dla wiązki gaussowskiej, gdy płaszczyzna przewężenia pokrywa się z ogniskiem przedmiotowym F obiektywu Ob

Ob

F F’

przewężenie f’f’

0'x p pgp x'x Ponieważ

Paradoks ogniskowania

Ogniskowanie wiązki

F’

2w’02’

Średnica przewężenia wiązki obrazowej k

'D2'w2 0 22p

2

2Dx

'fD'D

małe D’

Dla dużych kątów niezmiennik

2'sin'w2 0

Małe 2w’0 duży kąt rozbieżności 2’

Realnie 2w’0min 2’max 400

Najprościej krótka ogniskowa f’ obiektywu mikroskopowego

Laser 2’

Minimalizacja kąta rozbieżności

22p

2

2Dx

'fD'D

'kD

4'2 D’max ponieważ

Aby uzyskać 2’min należy pokryć przewężenia wiązki lasera z ogniskiem F układu (xp = 0) i zastosować układ o odpowiednio długiej ogniskowej f’

D'f4'D2

należy przyjąć 0xp

20kwD

'fw2

'f1

kD2'2 0

min ponieważ

F’

F

f’ f’

przewężenie przewężenie

2w0

2w’0 2’

Z niezmiennika

4'2'w2 0

małe 2’ duże 2w’0

Problem księżycowy

Więc wymagana ogniskowa obiektywu

m185'2

w2'f 0

układ technicznie nie do zrealizowania

Zadanie: Zaproponować taki układ optyczny, aby na księżycu średnica oświetlonej powierzchni wynosiła 1 kmOdległość do księżyca z = 370 tys. km

Typowy laser He-Ne = 0.6328 mŚrednica przewężenia 2w0 = 0.5 mm, z niezmiennika

mamy dla wiązki lasera 2 = 1.610-3

4'2'w2 0

Wiązka samego lasera daje plamkę o średnicy km5923706.1z2w2

"557.0107.2000.370

1z

'w2'2 6 Niezbędny kąt rozbieżności

'fw2'2 0

min Dla obiektywu o ogniskowej f’ będzie

Problem księżycowy cd

Dlatego stosuje się układy bezogniskowe złożone z dwóch elementów, przy czym pierwszy ma za zadanie zogniskować wiązkę

do małej średnicy przewężenia

'fw2'2 0

min Zgodnie z relacją

przekształcać wiązkę o mniejszej średnicy przewężenia 2w0

w celu skrócenia ogniskowej należy

12

12 2

'f'f'2 Jeżeli f’1 = 8 mm wystarczy m4'f 2

ale wtedy 02

102 w2

'f'f'w2 rozszerzacz wiązkimm298'w2 02

Laser

•

F’1

F2

f’2f’1

pinhol2’221 2w’02

2w01

Wybrane typy laserów

Najczęściej wykorzystywana linia czerwona = 0.6328 m. Również = 0.594 (żółta linia), 1.15 i 3.39 m (IR)

Wewnętrzny rezonator Światło niespolaryzowane

Laser He-Ne Powszechnie stosowany w badaniach i technice, szczególnie optycznej i fotonicznej

Moce od kilku do nawet 100 mW

Zwarta budowa, czas pracy 20 tys. godzin.Na żądanie czysty mod TEM00

1 – zwierciadła 2 - elektrody

Zewnętrzny rezonator. Przez płytkę Brewstera jedna ze składowych

polaryzacji przechodzi bezstratnieŚwiatło spolaryzowane liniowo

Budowa kompaktowa lasera He-Ne

Lasery gazowy CO2 Pompowanie na molekułach N2 akcja laserowa na CO2

Długości fal 10.6 mWyjątkowo wysoka sprawność 20 – 30 % laser do celów technologicznych

Moce w pracy cw od 10 W do wielu kW

Pompowanie przez naświetlanie pręta

B

Lampa wyładowcza Zwierciadło

eliptyczne

Pręt laserowy

Typowa budowa rezonatora

Laser na ciele stałym Nd:YAG Długości fal 1.06 m

Moce do 30 W Częstotliwość do 100 kHz

Laser do celów technologicznych

Inne lasery

He-Cd jonowy na parach Cd = 441.6 nm jak He-Ne

Argonowy jonowy na parach Ar wiele linii w paśmie widzialnym moc kilka W cw

Półprzewodniki

W termicznej równowadze na skutek termicznych oddziaływań

jednocześnie dwa procesy

Proces emisyjnej rekombinacji

Generacja pary elektron – dziura – przejście

elektronu do pasma przewodnictwa

Anihilacja pary elektron – dziura – powrót elektronu do pasma

walencyjnego połączony z emisją fotonu lub zamiany na energię drgań

siatki krystalicznej

h

Lasery półprzewodnikowe

LED Light emitting diode

laser

Porównanie diody i lasera

p n+ -

Ścianki odbijające

rezonator

Dla współczynnika załamania GaAs (3.5) współczynnik odbicia ścianki (31%) bez

pokrycia wystarczający do wywołania akcji laserowej

Pompowanie elektryczne przez wstrzyknięcie elektronów

Krawędzie odbijające w celu wywołania generacji za pomocą

emisji wymuszonej

Emisja spontaniczna duży kąt rozbieżności szerokie widmo

[m]

InxGaxAsxPx

1.0 1.3

GaAsxPzx

GaAs

0.90.70.60.4

GaPNGaN

najbardziej popularnediody niebieskie

LEDy cd

PbSnTe i PbSSe = 3 – 30 m

GaInPAs = 1,3 – 1.55 m

Oświetlenie kasyna Breda w HolandiiNa podstawie Photonics Spectra, styczeń 2005, str. 81

Na podstawie Oemagazine, October 2005, str.10

Oświetlenie dekoracyjne mostu w Los Angeles

160 LED o mocy 19.5 W każda generujących światło niebieskie

Laser półprzewodnikowy Perspektywiczny dla fotoniki

Pompowanie prądem

Warstwa falowodowa o grubości 2 m i szerokości 10 mDuże kąty rozbieżności odpowiednio 30 x 50

Symetria wiązki uzyskiwana przez dodatkowe układy cylindryczne lub pryzmatyczne

Laser półprzewodnikowy cd

Technologia półprzewodnikowa

Struktury wielozłączowe

Laser InGaN/GaN


Prąd powyżej progu generacji - laser Zawężenie widma

nm6.0m3.1

Mody podłużne lasera InGaAsP

duża odległość międzymodowa Krótki

rezonator

Rozwój techniki

lata

Moce od mW nawet do kilkudziesięciu W cw Małe wymiary

Łatwość sterowania prądem o częstotliwościach rzędu GHzPasmo od 400 nm do 10 m

Zastosowania w telekomunikacji światłowodowej do twardych dysków itp.

Macierze mikrolaserów

Średnice od 1 do 5 m


Duży kąt rozbieżności 2 różny w różnych przekrojach

Nieregularny rozkład przestrzenny wiązki

Silny wpływ temperatury na moc generowaną i generowaną długość fali

Wpływ pasożytniczego promieniowania na charakterystykę

Konieczność stosowania izolatorów optycznych

Łatwość uszkodzeń przy przekroczeniu dopuszczalnego prądu

WadyLaser półprzewodnikowy cd

Niektóre zastosowania laserów(nie tylko półprzewodnikowych)

Laserowa obróbka materiałów

Szerokość impulsu10-8 10-6 10-4 10-2 100 [s]

Gęs

tość

moc

y

103

105

107

109

W/cm2

utwardzanie znakowanie

drążeniecięcie spawanie przetapianie

hartowanie

szkliwienie

Zastosowanie w geodezji przykłady

Wskaźniki kierunku; niwelatory pionownikiLa

ser

Obrót pryzmatuodbiornik

Niwelowanie terenu

Laser

Drążenie tunelu

Medycyna cd

Wpływ fotobiochemiczny He-Ne półprzewodnikowy barwnikowy

10-10

Gęs

tość

moc

y

103

106

109

1012

W/cm2

Szerokość impulsu10-8 10-6 10-4 10-2 100 [s]103

1

1 J/cm 2

Wpływ fototermicznyPrzegrzanie

Koagulacja

Zwęglanie

Odparowanie

Wpływ fotojonizacyjny

Rozerwanie

Współzależność gęstości mocy i szerokości impulsu

Zastosowanie w stomatologii - ciekawostka

Pomiar uszkodzeń szkliwa zębów u dzieci spowodowanych piciem napojów bezalkoholowych lub używaniem zbyt ziarnistej pasty

Różnice między promieniowaniem lasera a promieniowaniem źródeł klasycznych

Laser generuje promieniowanie w małym kącie rozbieżności

f’

2a2

Źródło klasyczne Kąt rozbieżności

'fa22

Małe 2 duże straty energetyczne


Laser generuje promieniowanie w wąskim przedziale

Źródło klasyczne

M

Wąski przedział monochromator

Duże straty energetyczne


Analogiczne wnioski dla generacji impulsów

W klasycznym źródle krótki impuls uzyskiwany przez migawkę - modulator

minimum t 0.1ns ns = 10-9 s

Cała energia promieniowania lasera w impulsie współcześnie t pojedyncze fm fm = 10-15 s

Uzyskano nieznane dotychczas możliwości zagęszczania energii w przestrzeni, widmie i w czasie

Laser - genialne źródło promieniowania

Teoretycznie takie same małe kąty rozbieżności, wąskie widmo i krótkie czasy impulsów

można uzyskać i za pomocą źródeł klasycznychale przy nieosiągalnych mocach źródeł

Laser jest genialnym źródłem Przykład

Laser He-Ne moc Plas = 100 mW = 632.8 nm

Średnica przewężenia 2w0 = 1 mm

Kąt rozbieżności 2 = 0.000806 (2.77’)

Chcemy uzyskać to samo natężenie promieniowania za pomocą źródła klasycznego

Moc źródła klasycznego

4PP lask

- kąt bryłowy wiązki lasera

2w2

z

22

2

24z4

w2

MW5.2

216PP 2lask

Literatura podstawowa poziom wyższy naukowa

Literatura uzupełniająca

R. Jóźwicki Optyka laserów - WNT, Warszawa 1981

H. Klejman Lasery (Biblioteka Problemów) - PWN, Warszawa 1979

R.Jóźwicki: Podstawy inżynierii fotonicznej. Ofic,Wyd. PW, Warszawa 2006

LASERY

Documents

Transcript of LASERY