Technika laserowa, otrzymywanie krótkich impulsów Praca impulsowa

Transkrypt

1 Praca impulsowa Impuls trwa określony czas i jest powtarzany z pewną częstotliwością; moc w pracy impulsowej znacznie wyższa niż w pracy ciągłej (pomiędzy impulsami może magazynować się energia) Ablacja (odparowanie, sublimacja) dzięki laserom impulsowym możemy krótkim impulsem o dużej mocy modyfikować materiał w małym obszarze (bez wpływu na sąsiedztwo); obróbka materiałów; chirurgia Nieliniowe zjawiska optyczne potrzebne duże moce Transmisja danych, odczyt danych Badanie dynamiki reakcji chemicznych (np. lepsze zrozumienie procesów zachodzących w DNA)

2 Praca impulsowa - realizacja Impulsowe pompowanie (np. impulsowe pole elektryczne, lampa błyskowa, impulsowy laser pompujący); niektóre lasery nie mogą działać w trybie ciągłym (zbyt szybkie narastanie populacji dolnego poziomu laserowego; lasery ekscymerowe, pary niektórych metali) Q-switching (manipulowanie dobrocią rezonatora), czas impulsu rzędu ns Mode-locking (interferencja modów), czas impulsu rzędu fs

3 Q-switching Współczynnik wzmocnienia γ (ν )=σ Δ N=σ (N 2 N 1 ) Warunek progowy (na inwersję przy pracy ciągłej) γ κ L ln ( 1 R 1 R 2) Czas życia fotonu w rezonatorze (czas, po którym energia w rezonatorze malałaby e-krotnie, gdyby nie było emisji wymuszonej) 1 τ =κ c+ c c 2 L ln ( 1 2) R 1 R

4 Q-switching Q dobroć rezonatora Q=2π ν W(t) energia modu energia modu energia tracona w jednostce czasu Rozwiązanie W (t) Q=2π ν dw (t )/dt W (t)=w (0)exp( 2π ν t Q ) Q=2π ν τ c Duże straty ( ) lub małe współczynniki odbicia niska dobroć

5 Q-switching Migawka zamknięta duże straty, mała dobroć, mało emisji wymuszonej; trwa pompowanie narasta inwersja Migawka otwarta małe straty, duża dobroć, dużo fotonów, intensywna emisja wymuszona obniżająca inwersję; chwilowa moc znacznie większa niż przy pracy ciągłej

6 Q-switching Straty Dobroć Inwersja moc

7 Q-switching Przykładowy laser Nd-YAG: Energia impulsu: 850 mj Czas impulsu: 6 ns (całkowita energia / moc maksymalna) Moc maksymalna: 140 MW Częstotliwość impulsów: 10 / s

8 Q-switching Realizacja Q-switchingu: Q-switching aktywny (zewnętrzna zmiana parametrów ukł. opt.) Mechaniczne obracanie lustra, przesłony itp. - nieefektywne, maks. kilkadziesiąt tys. / s, zmiana Q nie jest natychmiastowa Zjawisko elektrooptyczne wywoływanie dwójłomności polem elektrycznym Zjawisko akustooptyczne osłabianie wiązki poprzez ugięcie na przestrzennej siatce dyfrakcyjnej (laboratorium, ćwiczenie 4), Q-switching pasywny Absorpcja nasyceniowa

9 Q-switching poprzez zjawisko elektrooptyczne Brak pola w modulatorze światło spolaryzowane liniowo Pole w modulatorze po przejściu polaryzacja kołowa, zmiana skrętności po odbiciu od zwierciadła, po przejściu przez modulator polaryzacja prostopadła do wyjściowej zatrzymanie na polaryzatorze, niska wartość Q

10 Q-switching poprzez absorpcję nasyceniową Roztwory niektórych barwników, niektóre kryształy - absorpcja maleje ze wzrostem natężenia, po osiągnięciu pewnej wartości progowej bardzo mała Natężenie narasta stopniowo, wzrasta inwersja Ośrodek staje się przezroczysty, uwolnienie energii, spadek inwersji cykliczność

11 Sąsiednie częstotliwości różnią się o: c / (2nL) poszerzenie widmowe; liczba modów: N= Δν c/(2nl) Mode-locking Widmo emisji ośrodka czynnego (poszerzenie widmowe) a mody rezonatora

12 Mode-locking Przykład: laser rubinowy = Hz Długość rezonatora L = 0,5 m Liczba modów N = 200 Brak zależności fazowych pomiędzy modami przypadkowość, wyjściowy sygnał stały Wymuszenie sprzyjających zależności fazowych pomiędzy modami szansa na okresowe uzyskanie konstruktywnej interferencji

13 Mode-locking Rozpatrzmy mod o częstotliwości q Różnica częstotliwości sąsiednich modów (FSR) niech wynosi Zmieniamy parametry rezonatora (podobnie jak w przypadku Q- switching), amplituda modu modulowana częstotliwością Zależność pola od czasu (dla tego modu) ( A+Bcos(2π δ ν t))cos(2π ν q t)=acos(2π ν q t )+ B 2 cos[2π (ν q+δ ν )t ] Pojawiły się częstotliwości modów sąsiednich Analogicznie pozostałe mody + B 2 cos[2π (ν q δ ν )t ] t = 0 ta sama faza, co 1/ (przez rezonator tam i z powrotem)

14 Mode-locking, analiza natężenia światła Powtarzalność impulsów co t r = 1/ = 2nL/c Czas impulsu (FWHM): 1 / ; szersze widmo = krótszy impuls

15 Mode-locking Realizacja mode-locking: Aktywny mode-locking: zjawisko elektrooptyczne, akustooptyczne; wpływ zewnętrznego pola na element układu optycznego Pasywny mode-locking: absorpcja nasyceniowa

16 Mode-locking zjawisko akustooptyczne Ultradźwięk częstotliwość f jeśli powstaje fala stojąca częstotliwość modulacji natężenia: 2f jeśli = 2f będzie mode-locking