LASERY NA CIELE LASERY NA CIELE STASTAŁŁYMYM

BERNARDBERNARD ZIZIĘĘTEKTEK

2

Lasery na ciele stałym – lasery, których ośrodek czynny jest:- kryształem i ciałem amorficznym (również proszkiem),- dielektrykiem i półprzewodnikiem.

3

Podział

Neodym

4

Jon Cr3+ w polu krystalicznym

5

Metody pompowania- Lampami błyskowymi

6

- Laserami półprzewodnikowymi

Pompowanie podłużne poprzeczne

Pompowanie laserów światłowodowych

Sprzęgacze kierunkowe

7

Laser rubinowyPierwszy laser 1960 – T. Maiman

Al2O3 + Cr3+

Schemat poziomów

Widmo absorpcji

Przy dużych stężeniach:

8

Laser tytanowo - szafirowyAl2O3 + Ti3+

9

Laser neodymowy

Schemat poziomów

Widmo absorpcji

10

Zalety: - pełen zakres widma i mocy- szerokie pasma emisji i wzmocnienia - praca ciągła i impulsowa - możliwość generacji impulsów femtosekundowych- duża gęstości promieniowania w rdzeniu - prostota konstrukcji- długi rezonator – duża liczba modów- wysoka jakość wiązki w laserach jednomodowych- moce na poziomie kW pracy ciągłej (HPFL)- wykorzystanie konwersji częstości

Wady:- obecność niepożądanych procesów nieliniowych- silne niejednorodne poszerzenie linii - krótszy niż w kryształach czas życia- zwiększone prawdopodobieństwo relaksacji bezpromienistych

z udziałem fononów- nieustalony stan polaryzacji światła- problemy ze wzbudzaniem od czoła- możliwość uszkodzenia włókna

Lasery i wzmacniacze światłowodowe

11

Światłowody

12

13

14

15

Szkło fluorowe ZBLAN (ZrF4 –BaF2 –LaF3 –AlF3 -NaF)- niska energia fononów- mała tłumienność w obszarze widzialnym

Tłumienność szkła kwarcowego (a) i szkła ZBLAN (b)

16

Sprzęgacze kierunkowe światłowodowe

L

Obszaroddziaływania

Pole elektryczne fali

W przybliżeniu wolnozmiennej amplitudy

Uwzględniającsprzężenie między światłowodami

Szukamy rozwiązań i

gdzie

17

Przy warunkach początkowych

otrzymujemy

gdzie

Występuje wymiana energii między światłowodami z okresem

Łatwo sprawdzić, że

18

Zwierciadła i przełączniki pętlowe

1. Zwierciadło pętlowe (ang. nonlinear-optical loop mirror - NOLM)

gdzie stosunek podziału natężenia pól: α/(1-α)

19

powoduje przesunięcie fazy na drodze L

Optyczny efekt Kerra (K – nieliniowy współczynnik Kerra)

Ewej wchodzi do portu „1" . Po przejściu drogi L pola E3 i E4 wynoszą

Stąd

20

Jeśli:1. α = 1/2 to

0|| 202 =E czyli

2201 |||| wejEE =

Otrzymaliśmy ZWIERCIADŁO

2. α = 1/2 to

jeśli

dla m parzystych

Otrzymaliśmy PRZEŁĄCZNIK i NASYCAJĄCY SIĘ ABSORBER

dla m nieparzystych

2202 |||| wejEE =

21

2. Wzmacniające zwierciadło pętlowe (ang. nonlinear amplifying loop mirror - NALM)

Jeśli G jest wzmocnieniem, to przesunięcia faz falw kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara i przeciwnie wynosi

Maksymalne przełączanie między portami występuje dla

22

Rezonatory laserów światłowodowych

Mogą być:liniowe i pierścieniowe

23

24

Wzmacniacze EDFA i PDFA

Wzbudzeniei emisja wzmacniacza Pr3+

Schemat poziomów energetycznych Er3+ (a)i emisja w różnych szkłach (b)

25

Równania stacjonarne

Gęstość centrów luminescencyjnych

gdzie obsadzenia stanówlaserowych

Równanie kinetyczne

p – pompowane, s - sygnał

lub

gdzie

W warunkach stacjonarnychgdzie a

czyli

26

Natężenia w funkcji drogi z:

jeśliz normą

Stąd zmiana mocy sygnału na drodze z wynosi

27

Zalety:

- duża wydajność kwantowa (do 90%),- szerokie pasmo wzmocnienia 1530 - 1600 nm,- pasma wzmocnienia dopasowane do pasm telekomunikacyjnych,- niski poziom szumów dochodzący do teoretycznej 3 dB,- wielkości współczynnika szumów,- izotropowość ośrodka, tak że wzmocnienie nie zależy od stanu polaryzacji,- długi czas życia w stanie wzbudzonym,

(np. czas życia górnego stanu laserowego Er³wynosi 10.2 ms,- niewielkie zapotrzebowanie energetyczne,- wyższa moc nasycenia niż we wzmacniaczach laserowych,- brak odbić i strat na odbicia,- duża niezawodność układu,- elastyczność systemu laserowego polegająca na tym, że układ działa poprawnie przy modulacji analogowej i cyfrowej.

28

Wzmacniacz Er+3

Przejście laserowe 2 4I15/24I13/2

Pompowanie – do pewnego poziomu 3 stanu 4I13/2

relaksacja do poziomu 2stanu 4I13/2

1:

Równania kinetyczne (układ trójpoziomowy)

gdzieprawdopodobieństwaprzejść spontanicznych

prawdopodobieństwaprzejść wymuszonych

Rozwiązanie stacjonarnegdzie

W T = 293 K Praktycznie = 0 przy pompowaniu 980 nm

29

Warunek progowy

Maksymalna inwersja

Zalety pompowania linia 980 nm1. β = 0,2. minimalny szum

Wada:mała szerokość linii absorpcyjnej

30

Wzbudzenie wzmacniaczy przez sprzężenie:

a)od czoła,b)boczne.

31

Lasery z przemianą częstości

Wzbudzeniedwufotonowe

Wzbudzeniez przejściem lawinowym

WzbudzenieZ transferem energii

Mechanizmy

32

Schemat poziomówi pompowania lasera Tm3+

z przemianą częstości

Schemat konwersji wzbudzenia przez dwustopniową absorpcję jonu Nd3+

i widmo emisji przy wzbudzeniu 514nm

Wzbudzenie Er3+

przy wzbudzeniutrzema fotonami

Schemat wzbudzenialasera Pr3+ z przemianączęstości

33

Lasery na ośrodkach nieuporzadkowanych

Ośrodek czynny- cząsteczki ośrodka czynnego,- cząsteczki rozpraszacza w ośrodku czynnym

34

Mikrolasery

35

Lasery na centrach barwnychDefekty

36

Metody otrzymywania centrów:- Zabarwienie fotochemiczne,- Barwienie addytywne,- Barwienie wiązkami elektronowymi.