LASERY

1. LASERY • Zasada pracy • Przekształcanie wiązki • Zastosowania (wg. fragmentu wykładu prof.. R. Jóżwickiego „Podstawy Inżynierii Fotonicznej”)

2. E 2 2 h01 h01 identyczne fotony 1 1 Absorpcja i emisja spontaniczna Emisja wymuszona E • Obsadzenie poziomów energetycznych zbioru atomów w stanie termodynamicznie ustalonym • • • • • • • • • • • • Im wyższy poziom energetyczny tym mniejsze prawdopodobieństwo obsadzenia Poglądowy rysunek Transmisja i absorpcja fotonów przez ośrodek

3. N3 Obsadzenie=liczba atomów wzbudzonych do poziomui N2 Ni– obsadzenie poziomu i N1 Rozkład (Ludwig’a) Boltzmann’a Ei– energia i-tego poziomu k – stała Botzmann’a T – temperatura [K] E • • • • • • • • • • • • • W stanie energetycznie ustalonym im wyższy poziom energetyczny tym mniej atomów na tym poziomie Obsadzenie poziomów

4.   0 = h  d W stanie równowagi termicznejakty absorpcji bardziej prawdopodobne Wzmocnienie  konieczna inwersja obsadzeń,kiedy bardziej prawdopodobna emisja wymuszona niż absorpcja Transmisja fotonów przez ośrodek (Alfred)Kastler (1902-1984) odkryłzjawisko pompowania1966 – nagroda Nobla (T.H.)Maiman 1960 pierwszy laser rubinowy

5. pompa h13 3 przejście bezpromieniste h12 h12 rubin poziom metastabilny 2 h12 poziom podstawowy 1 Pompowanie przez naświetlanie fotonami13 Układ poziomów energetycznych lasera rubinowego - korund domieszkowany jonami Cr3+ Wzmocnienie między poziomami2  1 pompa h13 Laserypompowanie lasera rubinowego Energia bezpromienistego przejścia zamienia się na ciepłoniekorzystne zjawisko

6. zderzenia atomów 2He 3Ne  = 0.63 m 2Ne zderzenie z elektronami zderzenia ze ściankami kapilary 1He 1Ne Hel Neon Laserypompowanie lasera gazowego na przykładzie laseraHe-Ne Przepływ prądu w mieszaninie dwóch gazówHe-Ne Znacznie więcej atomów He niż Ne Elektrony zderzają się przede wszystkim się z He. Pompowanie na He Hel przekazuje energię do neonu podczas zderzeniaPrzejścia laserowe w neonie Dobór optymalnego prądu. Zbyt duży prąd zaludnia poziom 2Ne

7. pompa 1 2 las Zasada pracy lasera Zwierciadła 1 i 2 tworząrezonator 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 Laser jest samowzbudnym generatorem promieniowania Zwierciadła rezonatora są sferyczne, aby uniknąć krytycznego warunku na równoległość zwierciadeł płaskich

8. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation  Opticzeskij Kwantowyj Genierator OKG oddaje sens fizyczny lasera AkronimL A S E R wywodzi się z masera jest mylący Maser był tylko wzmacniaczem

9. las Oscylacyjna propagacja promieniowania w rezonatorze tworzy zbiór interferujących wiązek. Ich wzmacnianie jest możliwe tylko przy pełnej zgodności faz między nimi Dla wygody rozróżnia się : mody poprzeczne– rozkłady przestrzenne TEM mody podłużne– widmo wiązki dla danego modu poprzecznego Modowość wiązki laserowej Rozkłady pola nie spełniające warunku zgodności fazsą tłumione Konfiguracje pola spełniające warunek zgodności faz dla określonej długości falinazywamymodami TEM– poprzeczne (Transverse) poleElektryczne i Magnetyczne

10. Poszczególne mody są numerowane TEMmnm, n = 1, 2, 3, . . Warunek zgodności faz interferujących wiązek 1, 2, 3 w rezonatorze 1 2 3 czoła fali pokrywają się z powierzchnią zwierciadeł d przewężenie TEM00 wiązka gaussowska czoła fali Kształt wiązki laserowejmody poprzeczne Różne wartości amplitud na czole fali – wyniki interferencji

11. I Iz Iz/e2 W każdym przekroju(dla każdego z) gaussowski rozkład intensywności r 0 2w przewężenie  r 2w o obrotowej osi symetrii Iz– intensywność na osi z Wiązka gaussowska 2w- średnica wiązki w przekroju

12. przewężenie  2w0– średnica przewężenia wiązki podawana przez producentów lasera r 2w 2 2w0 Parametr konfokalny wiązki z Wyznaczenie rozkładu intensywności I(r,z) i kształtu wiązki Iz– rozkład intensywności na osi wiązki I(0,0) – w środku przewężenia 2w – średnica wiązki w danym przekroju (definiuje kształt wiązki) Kąt rozbieżności wiązki (pojęcie użyteczne dla dużych odległości z >> D) Wiązka gaussowska

13. dla z << D dlaz >> D relacja geometryczna gdyż 2w 2 z Kształt wiązki laserowejmody poprzeczne cd Przybliżenia dla średnic wiązki w różnych odległościach z

14. K !! Dla laseraHe-Ne i = 0.6328 mi typowej średnicy przewężenia2w0 = 1 mm kąt rozbieżności2 = 0.000806 = 2.77’ Niezmiennik wiązki gaussowskiej Zmniejszenie średnicy przewężenia 2w0 powoduje jednoczesne powiększenie kąta rozbieżności 2 Jednoczesne zmniejszanie2w0i2jest możliwe tylko przez wybór lasera generującego promieniowanieo krótszej długości fali 

15. Rozkłady intensywności kilku pierwszych modówTEMmn Wadą jest niejednorodność wiązki Mody poprzeczne wyższych rzędów Laser może generować jednocześnie różne modyTEMmn Przy zakupie lasera gazowego zaznaczać pracę jednomodową Warunek nie do spełnienia w laserach na ciele stałym a szczególnie w laserach półprzewodnikowych

16. W rezonatorze interferencja promieni 1, 2, 3, ... 1 Warunek zgodności faz dla K-tego modu 2 3 K – liczba całkowita d KażdeKmoże być generowanedla spełnionego warunku generacji Odległość w widmie między sąsiednimi modami K = 1 Widmo wiązki laserowejmody podłużne Dla lasera He-Ne 0.6328.. m i długości rezonatora 0.5 m Kjest rzędu1.6106i dokładnienie może być znane

17. Linie widmowe lamp spektralnych sód wodór rtęć hel neon Długość fali 600 550 500 450400 nm

18. odległość międzymodowa   - szerokość modu Linia widmowaNe Dla długości rezonatorad = 0.5 mi = 632.8 nm potencjalne mody poziom generacji   K+2 K-2 K K+3 K+1 K-3 K-1 L  210-3nm Szerokość połówkowa liniiNe  = 633 nm Dla lasera z jednym modem szerokość widma bardzomała, ale 0 Laserpotoczniezwanyjednoczęstotliwościowym Widmo wiązki laseraHe-Ne Generacja kilku modów podłużnychNa rysunku 7 modów odK-3doK+3Wartość K nieznana Lasernie jestźródłem światła monochromatycznegoK!!

19. płaszczyzna przewężenia n = 1 n = 1 2w’0 F 2w 2w0 F’ 2w’  ’ -xp x’p x’ -x Obrazem płaszczyzny  jest płaszczyzna ’, a więc gdyż wyznaczenie położenia’ wyznaczenie kształtu wiązki obrazowej Przekształcanie wiązki przez układy optyczne ZnamyD(parametr konfokalny) ixppołożenie przewężeniawiązki przedmiotowej.Znaleźć D’ i x’p wiązki obrazowej Aby wyznaczyć położenia płaszczyzny przewężenia w przestrzeni obrazowej należy znaleźć takiex’, dla którego2w’ = min

20. n = 1 n = 1 2w’0 F 2w 2w0 F’ 2w’  ’ -xp x’p -z x’ -x Ponieważ Po uwzględnieniu relacji i po przekształceniach Z warunku Przekształcanie wiązki przez układy optycznecd

21. Podstawiając x’ = x’p znajdziemy 2w’ = 2w’0 Ponieważ D’ = kw’02 ,ostatecznie oznaczając parametry wiązki przekształconej położenie przewężenia parametr konfokalny Przekształcanie wiązki przez układy optycznecd

22. Ob F Obraz ogniska przedmiotowegoF  Dla fali sferycznej f’ Dla wiązki gaussowskiej, gdy płaszczyzna przewężenia pokrywa się z ogniskiem przedmiotowymF obiektywu Ob Ob Ponieważ F F’ przewężenie przewężenie f’ f’ xp = 0 Przekształcanie wiązki przez układy optycznecd Wiązkę gaussowską nie można traktować jako fali sferycznej ani płaskiej Paradoks ogniskowania Przewężenie wiązki obrazowejnie jestobrazemprzewężenia wiązki przedmiotowej

23. Średnica przewężenia wiązkiobrazowej małeD’ 2w’0 Najprościej krótka ogniskowa f’ obiektywumikroskopowego 2’ F’ 2’ Laser Dla dużych kątów niezmiennik Małe2w’0duży kąt rozbieżności2’ Ogniskowanie wiązki Realnie2w’0min2’max  400

24.  ponieważ D’max należy przyjąć ponieważ przewężenie przewężenie Z niezmiennika F 2w’0 2’ 2w0 F’ małe 2’ duże 2w’0 f’ f’ Minimalizacja kąta rozbieżności Aby uzyskać 2’min należypokryć przewężenia wiązki lasera zogniskiem F układu (xp = 0) i zastosować układ o odpowiednio długiej ogniskowej f’

25. Typowy laser He-Ne = 0.6328 m Średnica przewężenia 2w0 = 0.5 mm, z niezmiennikamamydla wiązki lasera 2 = 1.610-3 Zadanie: Zaproponowaćtaki układ optyczny, aby na księżycu średnica oświetlonejpowierzchni wynosiła 1 km Odległość do księżyca z =370 tys. km Wiązka samego lasera daje plamkę o średnicy Niezbędny kąt rozbieżności Dla obiektywu o ogniskowej f’ będzie Więc wymaganaogniskowa obiektywu Problem księżycowy układ technicznienie do zrealizowania

26. Zgodnie z relacją w celu skrócenia ogniskowej należy przekształcać wiązkę o mniejszej średnicy przewężenia 2w0 F’1 pinhol 2w01 Laser 21 2w’02 2’2 • F2 f’1 f’2 Jeżeli f’1 = 8 mm wystarczy ale wtedy rozszerzacz wiązki Problem księżycowycd Dlatego stosuje się układy bezogniskowezłożone z dwóch elementów, przy czym pierwszy ma za zadanie zogniskować wiązkę do małej średnicy przewężenia

27. Powszechnie stosowany w badaniach i technice, szczególnie optycznej i fotonicznej Laser He-Ne Moce od kilku do nawet 100 mW Zwarta budowa, czas pracy 20 tys. godzin. Na żądanie czysty mod TEM00 Zewnętrzny rezonator. Przez płytkę Brewstera jedna ze składowych polaryzacji przechodzi bezstratnie Światło spolaryzowane liniowo 1– zwierciadła2- elektrody 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

28. Budowa kompaktowa laseraHe-Ne

29. Długości fal10.6 m Wyjątkowo wysoka sprawność20 – 30 % laser do celów technologicznych B Moce w pracy cw od 10 W do wielu kW Długości fal1.06 m Laser na ciele stałym Nd:YAG Pompowanie przez naświetlanie pręta Pręt laserowy Lampa wyładowcza Zwierciadło eliptyczne Moce do 30 W Częstotliwość do 100 kHz Typowa budowa rezonatora Laser do celów technologicznych Lasery gazowyCO2 Pompowanie na molekułach N2 akcja laserowa na CO2

30. 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

31. Anihilacja pary elektron – dziura – powrót elektronu do pasma walencyjnego połączony z emisją fotonu lub zamiany na energię drgań siatki krystalicznej h Generacja pary elektron – dziura – przejście elektronu do pasma przewodnictwa Półprzewodniki W termicznej równowadze na skutek termicznych oddziaływań jednocześnie dwa procesy Proces emisyjnej rekombinacji

32. Pompowanie elektryczne przez wstrzyknięcie elektronów Krawędzie odbijające w celu wywołania generacji za pomocą emisji wymuszonej LED Light emitting diode laser + - p n Ścianki odbijające rezonator Lasery półprzewodnikowe Porównanie diody i lasera Dla współczynnika załamania GaAs(3.5) współczynnik odbicia ścianki (31%) bez pokrycia wystarczający do wywołania akcji laserowej

33. InxGaxAsxPx GaAsxPzx GaN GaInPAs  = 1,3 – 1.55 m GaAs GaPN PbSnTe i PbSSe  = 3 – 30 m [m] 0.4 0.9 1.0 1.3 0.6 0.7 najbardziej popularne diody niebieskie LEDy cd Emisja spontaniczna duży kąt rozbieżnościszerokie widmo

34. Oświetlenie kasyna Breda w Holandii Na podstawie Photonics Spectra, styczeń 2005, str. 81

35. Oświetlenie dekoracyjne mostu w Los Angeles 160 LED o mocy 19.5 W każda generujących światło niebieskie Na podstawie Oemagazine, October 2005, str.10

36. Pompowanie prądem Warstwa falowodowa o grubości 2mi szerokości 10 m Duże kąty rozbieżności odpowiednio 30 x 50 Symetria wiązki uzyskiwana przez dodatkowe układy cylindryczne lub pryzmatyczne Laser półprzewodnikowy Perspektywiczny dla fotoniki

37. Struktury wielozłączowe Laser InGaN/GaN Technologia półprzewodnikowa Laser półprzewodnikowy cd

38. Prąd powyżej progu generacji - laser Zawężenie widma Mody podłużne lasera InGaAsP duża odległość międzymodowa  Krótki rezonator  Laser półprzewodnikowycd

39.  Rozwój techniki lata

40. Moce od mW nawet do kilkudziesięciu Wcw Małe wymiary Łatwość sterowania prądem o częstotliwościach rzędu GHz Pasmo od 400 nm do 10 m Zastosowania w telekomunikacji światłowodowej do twardych dysków itp. Macierze mikrolaserów Średnice od 1 do 5 m Laser półprzewodnikowy cd

41. Laser półprzewodnikowycd Wady Duży kąt rozbieżności2różny w różnych przekrojach Nieregularny rozkład przestrzenny wiązki Silny wpływ temperaturyna moc generowaną i generowaną długość fali Wpływ pasożytniczego promieniowania na charakterystykę Konieczność stosowania izolatorów optycznych Łatwość uszkodzeń przy przekroczeniu dopuszczalnego prądu

42. Niektóre zastosowania laserów (nie tylko półprzewodnikowych)

43. utwardzanie znakowanie W/cm2 109 drążenie cięcie spawanie przetapianie 107 Gęstość mocy szkliwienie 105 hartowanie 103 [s] 10-8 10-6 10-4 10-2 100 Szerokość impulsu Laserowa obróbka materiałów

44. Lidar

45. Niwelowanie terenu Obrót pryzmatu odbiornik Laser Laser Drążenie tunelu Zastosowanie w geodezji przykłady Wskaźniki kierunku; niwelatory pionowniki

46. W/cm2 Rozerwanie 1012 109 1 J/cm2 Odparowanie Gęstość mocy 106 Wpływ fotojonizacyjny Zwęglanie Wpływ fototermiczny Koagulacja 103 Przegrzanie 1 He-Ne półprzewodnikowy barwnikowy Wpływ fotobiochemiczny [s] 10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 100 103 Szerokość impulsu Medycyna cd Współzależność gęstości mocy i szerokości impulsu

47. Zastosowanie w stomatologii - ciekawostka Pomiar uszkodzeń szkliwa zębów u dzieci spowodowanych piciem napojów bezalkoholowych lub używaniem zbyt ziarnistej pasty

48. Kąt rozbieżności Źródło klasyczne 2 2a Małe 2  duże straty energetyczne f’ Różnicemiędzy promieniowaniem lasera a promieniowaniem źródeł klasycznych Laser generuje promieniowanie w małym kącie rozbieżności

49. Źródło klasyczne Wąski przedział  monochromator M Duże straty energetyczne   Różnicemiędzy promieniowaniem lasera a promieniowaniem źródeł klasycznych Laser generuje promieniowanie w wąskim przedziale 

50. Analogiczne wnioski dla generacji impulsów W klasycznym źródle krótki impuls uzyskiwany przez migawkę - modulator minimumt  0.1ns ns = 10-9 s Różnicemiędzy promieniowaniem lasera a promieniowaniem źródeł klasycznych Cała energia promieniowania lasera w impulsie współcześniet  pojedyncze fmfm = 10-15 s