Ogólne cechy ośrodków laserowych

Transkrypt

1 Ogólne cechy ośrodków laserowych Gazowe Cieczowe Na ciele stałym Naturalna jednorodność Duże długości rezonatora Małe wzmocnienia na jednostkę długości ośrodka czynnego Pompowanie prądem (wzdłużne i poprzeczne) Konieczność stosowania kapilary i ucieczka gazu (He) Wysoka jakość wiązki zwykle TEM 00. Wyjątek laser azotowy i lasery ekscymerowe Trudności z uzyskaniem jednorodnego ośrodka Małe długości rezonatora Duże wzmocnienia na jednostkę długości ośrodka czynnego Pompowanie przez naświetlanie (wzdłużne i poprzeczne). Wyjątek laser półprzewodnikowy Deformacje pręta przez gradienty temperatur Niska jakość wiązki, problem radiacji

2 Ogólne cechy ośrodków laserowych cd Gazowe Cieczowe Na ciele stałym Generalnie z punktu widzenia wzmocnienia pośrednie cechy Barwnikowe Dobra jednorodność ośrodka Łatwa zmiana koncentracji Łatwy proces chłodzenia przez przepływ cieczy Szerokie pasma absorpcyjne i emisyjne Parowanie płynu przy dużych mocach wiązki laserowej

3 Lasery gazowe Atomowe typowy He-Ne Zderzenie elektronów z atomami He Hel zderzenia atomów He z Ne 1.15 μm zderzenia ze ściankami kapilary Neon 3.39 μm μm μm 1961 Javan (USA) λ = 1.15 μm 1962 λ = nm Napięcie wzdłuż osi kapilary Długości fal w nm Praca ciągła Mieszanina λ = 633 nm 1.15 μm He:Ne 5:1 9:1 Moce mw Szerokość połówkowej linii dla λ = 633 nm Δλ L = nm Na zamówienie światło spolaryzowane liniowo mod TEM 00 Budowa zwarta typu kompakt czas pracy 20 tys. godzin

4 Budowa kompaktowa lasera He-Ne

5 Lasery gazowe cd Jonowe przejścia między poziomami energetycznymi jonów Przepływ prądu powoduje jonizację ośrodka, a zderzenia elektronów z jonami przejście jonów w stan energetycznie wzbudzony Laser argonowy i kryptonowy (gazy szlachetne) Pompowanie wzdłuż kapilary o wysokich gęstościach natężenia prądu A/cm 2 w gazie o niskim ciśnieniu Inwersja obsadzeń dzięki szybkiemu opróżnianiu poziomu dolnego Wiele linii Ar nm Kr nm Szerokości połówkowe linii nm Praca ciągła do 25 W dla wielu linii, 10 W Ar dla λ = 488 nm Impulsowa z synchronizacją modów, szerokość 500 ps z repetycją MHz Energia impulsu do 100 mj Konieczność chłodzenia (przepływ wody) Drogi czas życia kapilary 2 lata

6 Selekcja linii w laserach na gazach szlachetnych Ośrodek czynny Obrotu pryzmatu i zwierciadła niezależne, tak aby na płaszczyzny prymatu promienie wiązki generowanej padały pod kątem Brewstera

7 Lasery gazowe cd Jonowe na parach metali Cd + schładzanie + - grzejnik Jony wyparowanego metalu przemieszczają się w stronę katody i są osadzane w obszarze schładzania Laser He-Cd Pompowanie na He, zderzenia He z Cd C, emisja laserowa na kadmie Długości fal nm cw Moce mw Mieszanina He:Cd 100:1 Szerokość połówkowa linii Δλ L = 0.1 nm Po włączeniu lasera oczekiwanie kilku minut na parowanie metalu

8 Laser kadmowy

9 Lasery kadmowe cw HeCd λ [nm] moce [mw] jednocześnie dla dwóch długości fal

10 Lasery gazowe cd Na parach metali Laser Cu Pompowanie wzdłużne, para Cu C Długości fal nm Praca impulsowa 1 50 mj Szerokości impulsu ns Średnia moc 5 70 W Częstotliwość repetycji khz Szerokość połówkowej linii Δλ L = nm Podobne rozwiązania dla laserów na parach złota nm ołowiu nm

11 Lasery gazowe cd Lasery molekularne Przejścia między wibracyjno-rotacyjnymi poziomami energetycznymi molekuł Laser CO 2 Mieszanina gazów CO 2 :N 2 0.8:1 w temperaturze C Pompowanie na azocie, akcja laserowa na CO 2 zasilanie Zasilacz Wiązka lasera Szybki przepływ gazu (usuwanie zużytych molekuł i ich chłodzenie) Laser TEA Transverse Electric Atmospheric

12 Lasery gazowe Laser CO 2 zderzenia molekuł N 2 i CO 2 cd Zderzenie elektronów z molekułami N 2 λ = 10.6 μm zderzenia ze ściankami kapilary Długości fal linie 10.6 μm w paśmie 22 nm N 2 CO 2 Praca impulsowa 15 μs 45 ns Ciśnienie atmosferyczne ciągła (cw) obniżone 50 x Średnia moc 1 kw typowa 5 kw (do 100 kw) Energia do 10 kj z repetycją 1 khz w impulsie Praca wielomodowa lub TEM 00 Wyjątkowo wysoka sprawność do 30% do 20 %

13 Lasery gazowe cd Laser CO podobny w działaniu do CO 2 emisja laserowa w paśmie 5 6 μm Laser N 2 tani ośrodek λ = nm dla generacji w UV szeroka linia Δλ L = 0.1 nm Pompowanie impulsowe poprzeczne Praca impulsowa z repetycją do 200 Hz Szerokość impulsu nanosekundy Średnia moc kilka W Energia w impulsie kilka J Zła jakość wiązki generowanej z uwagi na zjawisko irradiacji

14 Lasery gazowe cd Lasery ekscymerowe Ośrodek czynny z mieszaniny gazów (głównie He) z ekscymerami związki fluoru i chloru, przykładowo XeCl, KrF, ArF Poprzeczne pompowanie impulsowe Praca impulsowa kilka ns z repetycją 10 Hz 1 khz Lasery UV dużej średniej mocy (1 100 W) i energii impulsu (100 mj 10 J) Długości fal XeCl 308 nm KrF 248 nm ArF 193 nm Szerokości linii widmowych nm Chłodzenie wodą duże zużycie gazu niebezpiecznego dla zdrowia Zła jakość wiązki generowanej z uwagi na zjawisko irradiacji

15 Lasery na ciele stałym Typowe rezonatory Wpływ temperatury na trwałość powłok α B Kąt padania osi wiązki na ścianki pręta pod kątem Brewstera α B Możliwość wstawienia modulatorów itp Konieczność zjustowania elementów Dopasowanie geometryczne Pompowanie poprzeczne Lampa wyładowcza Pręt laserowy Zwierciadło eliptyczne Lekko matowana powierzchnia aby uniknąć irradiacji i poprawić jednorodność pompowania

16 Lasery na ciele stałym Dopasowanie geometryczne cd Zwierciadło: odbicie λ p częściowa transmisja λ las Pompowanie wzdłużne Dioda Promieniowanie pompy λ p λ las Zwierciadło: transmisja λ p odbicie λ las Dopasowanie widmowe Widmo lampy wyładowczej powinno być dopasowane do widma absorpcyjnego pręta laserowego w celu zoptymalizowania sprawności układu pompującego

17 Lasery na ciele stałym cd Pręt laserowy nośnik (osnowa pręta) + atomy (jony) jako centra aktywne kryształy: YAG, korund, forsteryt, YVO i inne szkło ceramika Nd Cr Ti Er i inne Problem technologiczny: czystość chemiczna i jednorodność optyczna Dążenie do wysokiej jakości generowanej wiązki M 2 < 5 i wyższej sprawności > 10 %

18 Lasery na ciele stałym cd Laser Nd:YAG w granacie jony Nd 3+ Granat itrowo-aluminiowy YAG ma dobrą przewodność cieplną i jednorodność (defekty) zależną od technologii Pompowanie lampą wyładowczą (np. kryptonową) lub diodą laserową λ = 808 nm Długość fali λ = μm Szerokość linii widmowej nm zależną od koncentracji Nd 3+ Praca ciągła impulsowa Moc 100 W 1 kw impuls ns do 250 W ps do 30 W Energia Częstotliwość repetycji do 100 J do 50 mj do 50 khz do 100 Hz Sprawność do 1 % do 4 % Konieczność chłodzenia obiegiem wody, lub przy mniejszych mocach powietrzem

19 Laser Nd:YVO w krysztale YVO 4 jony Nd 3+ Pompowanie wzdłużne diodą laserową λ = 809 nm Długości fal λ = i μm Praca ciągła impulsowa Moc do 40 W impuls ns do 5 W Energia do 0.5 mj Częstotliwość repetycji do 30 khz Sprawność do 4 % Konieczność chłodzenia obiegiem wody

20 Laser Nd na szkle w szkle jony Nd 3+ Niska przewodność cieplna szkła praca lasera z repetycją 10 Hz Duże średnice i długości prętów Długości fal λ = μm Praca impulsowa ms ns 10 ps Moc średnia do 1 W Energia 0.5 kj do 0.2 kj do 10 mj M 2 bliskie TEM 00 Sprawność do 1 % Konieczność chłodzenia obiegiem wody

21 Laser rubinowy w korundzie jony Cr 3+ Maiman 1960 Długość fali nm Szerokość linii widmowej 0.5 nm Praca impulsowa, częstotliwość repetycji do 10 Hz Duża energia pompowania z powodu trójpoziomowego układu kwantowego ze środkowym poziomem metastabilnym Średnia moc do 50 W Jakość wiązki M 2 < 10 Energia w impulsie do kilku J Konieczność chłodzenia obiegiem wody