Laser He - Ne. Laser helowo-neonowy. Linie laserowe. ] Ne [3p 4. Ne [3s 2. ] λ = 3.39 µm Ne [2s 2. ] λ = 1.15 µm ] λ = 0.63 µm.

Transkrypt

1 PRZEGLĄD LASERÓW - Lasery atomowe (laser He-Ne) - Lasery molekularne (CO2) - Lasery jonowe na gazach szlachetnych (Ar, Kr) - Lasery na mieszaninach par metali i nie-metali oraz gazów szlachetnych (atomowe Cu, Au, jonowe Cd, Se, Cu, Ag rekombinacyjne) - Lasery barwnikowe (cieczowe) - Lasery ciała stałego (rubin, Nd:YAG, inne)

2 Laser He - Ne E [10 4 cm -1 ] S 2 3 S He zderzenia drugiego rodzaju zderzenia z elektronami Laser helowo-neonowy 3s 2s 1s Ne 2 3p µm 1.15µm 0.63µm 2p 4 4 przejscie promieniste dyfuzja do scianek Linie laserowe Ne [3s 2 ] Ne [3p 4 ] λ = 3.39 µm Ne [2s 2 ] Ne [2p 4 ] λ = 1.15 µm Ne [3s 2 ] Ne [2p 4 ] λ = 0.63 µm Pobudzanie górnych poziomów laserowych Ne [3s,2s] bezposrednie Ne + e Ne [3s, 2s] + e selektywne - przez metastabilne stany He [2 1 S i 2 3 S]: He + e He [2 1 S, 2 3 S] + e i zderzenia drugiego rodzaju He [2 1 S, 2 3 S] + Ne He + Ne [3s, 2s]

3 Podstawowy schemat budowy lasera He-Ne okienko Brewstera Rura laserowa Z 0 Anoda Katoda Z T Laser compact

4 Wąskie gardło wytwarzania inwersji obsadzeń - dezaktywacja stanów 1s w Ne. Możliwość przyśpieszenia dezaktywacji - zwiększenie szybkości dyfuzji. Jak: zmniejszenie średnicy rury (τd 1/p D 2 ) Zależność prądowa PL dla małych I, maleje dla dużych I Zamiana izotopu He4 na lżejszy He3 co daje zwiększenie prędkości wzajemnej cząsteczek ośrodka o ok. 15%. Szybkość procesów : zderzeniowych oraz dyfuzji wzrasta o 15%! υ (1/M r ) 1/2 M r M He υ He3 /υ He4 = (4/3) 1/2

5 Lasery molekularne CO 2 Drgania oscylacyjne cząsteczki CO 2

6 Poziomy biorące udział w generacji 961 cm -1 = 10,6 µm, 1064 cm -1 = 9,7 µm czas życia poziomu s, s opróżnianie poziomu dolnego - procesy radiacyjne i zderzeniowe

7 Konstrukcje laserów CO 2

8 Lasery CO 2 małej mocy B

9 Lasery CO 2 o pobudzaniu poprzecznym Lasery TEA (Transversely Excited Atmospheric)

10 Lasery CO 2 pobudzane wyładowaniem w.cz. Laser falowodowy Laser falowodowo-szczelinowy Lasery falowodowe wielokanałowe

11 Lasery jonowe na gazach szlachetnych Ar +, Kr Ar linii w przedziale nm, P L (3-40 W) UV ( nm do 3W) Kr + - linie od 406 do 647 i 676 nm, P L 1/3 P L dla Ar + E [10 3 cm - 1 ] 4s 2 S 0 1/ p 2 P 0 3/2 1/2 4p 2 D 0 4p 4 D 0 3/2 5/2 3/2 5/ s 2 P 1/2 3/2 Schemat przejść laserowych dla Ar +

12

13 Selekcja linii widmowych w laserach Ar + i Kr + Pryzmat Brewstera Selekcja linii widmowych lasera Ar Widok układu pryzmat zwierciadło dla lasera Ar Pryzmat Brewstera - kąty przy podstawie α B = arctg(n). ΣP L z selekcją linii jest większa niż dla jednoczesnej generacji

14 Mechanizmy wytwarzania inwersji Ar + 3p 4 4d, 5s, 5d, 6s 3p 4 4p 3p 4 4s Ar +met 3p 4 3d E [ev] 35.5 zderzenia z elektronami przejścia promieniste (720 Å) 3p przejścia laserowe Ar met 3p 5 4s Ar 3p 6 0 Ar + e Ar + + e; Ar + + e Ar +* (4p) + e Czas życia poziomów Ar +* (4p) > Ar +* (4s) Inwersja N n e n j n 2 j 2 bo j = env Cechy wyładowania elektrycznego: duża koncentracja ładunków, duża energia elektronów niskociśnieniowe wyładowanie łukowe!

15 Zależność mocy lasera od I a Ciśnienie rośnie prąd progowy rośnie Załamanie mocy dla małych p - zmniejszenie koncentracji gazu w kanale wyładowczym - elektroforeza (przepompowywanie gazu)

16 Przepływ prądu w gazie I a exp[ = I0 d γ{exp[ 0 d 0 α( x) dx] α( x) dx] 1} 1 γ [exp d 0 α( x) dx 1] = 1 I 0 natężenie prądu od czynnika zewnętrznego, d odl. katoda-anoda α elektronowa jonizacja zderzeniowa, I-szy współcz. Townsenda, γ emisja elektronów wtórnych z katody, II-gi współcz. Townsenda.

17 Strefy wyładowania a) b) c) d) K U E ρ ρ j x x A 1 - ciemnia Astona 2 - poświata katodowa 3 - ciemnia katodowa 4 - jarzenia ujemne 5 - ciemnia Faradaya 6 - kolumna dodatnia 7 - ciemnia anodowa 8 - jarzenie anodowe e) j d k ρ e j e j j x x b - rozkład potencjału c - rozkład natężenia pola elektr. d - rozkłady ładunków e - rozkłady gęstości prądu jonowego i elektronowego

18 Parametry plazmy argonowej Temperatura atomów T a I 1 + 0,9 300 RK = a 3/ 2 Koncentracja gazu n a = n T a Droga swobodna jonów l j Ta 0, p 0 Koncentracja elektronów n e = 10 j 0 ark p Ta 1/ 2 Ważny parametr - średnia energia elektronów inaczej temperatura elektronowa 1eV = K

19 Wyznaczenie temperatury elektronowej l j << R K teoria dyfuzji ambipolarnej Schottky`ego l j >>R K teoria swobodnego spadku Tonksa-Langmuira kt eu e j 1 eu exp kt e j = 62,8cU j M n N a L R K M = 40g/mol dla Ar c = 0,71 dla Ar N L = 3,54x10 16 at/cm 3 U j =15,75 dla Ar

20 Radialny spadek potencjału Gęstości prądu jonowego i elektronowego na ściankach (teoria Tonksa-Langmuira) j = 0, 328ne jw kt m e j j V j ew ew W = ne kt ev exp = e W me kte = j ew kt e e ln 1,045 m m j e 5,65 kt e e Dla Ar V W 30V - silne bombardowanie jonowe i erozja materiału ścianek kapilary!

21 Osiowe pole magnetyczne Zmniejszenie radialnego spadku potencjału i rozpylania ścianek! Dodatkowo - wzrost mocy lasera! Dla H < H opt P L bo n(r=0) Dla H > H opt P L bo T e O wielkości T e decyduje E rad dla R K =0,15 cm i V W 30V mamy: E z = 0,65/R K 4,3 V/cm i średnie E rad ok. 200 V/cm. Dla współczesnych laserów Ar + H opt Gs

22 Efekt przepompowania gazu Przekazywanie pędów nabytych przez elektrony i jony w polu elektrycznym atomom gazu. Pędy nie równoważą się! Na ostatniej drodze przed zderzeniem jony oddają pęd ściance - przewaga pędów w kierunku anody. Transport jonów do katody oznacza przesunięcie jonów. Zmniejszenie efektu - obieg powrotny zewnętrzny lub wewnętrzny! Niebezpieczne przepompowanie w kierunku katody. Dla V Kat >> V Anoda p A 0 oscylacje plazmy, zabrudzenie okienek Brewstera!

23 Konstrukcje laserów jonowych Ar + i Kr + Laser z dielektryczną rurą wyładowczą -kwarc lub ceramika BeO. Obieg powrotny zewnętrzny. Kwarc: j max 350 A/cm 2 BeO: j max 1000 A/cm 2 a Laser z segmentową kapilarą wyładowczą (W, Mo, grafit). Obieg powrotny wewnętrzny, j max 750 A/cm 2

24 Konstrukcje laserów jonowych Ar + i Kr + Ceramiczno metalowa rura wyładowcza, tzw. INNOVA Całkowita kompensacja efektu przepompowywania! Obieg powrotny wewnętrzny; j max 1000 A/cm 2. Stabilność wyładowania lepsza niż dla rury z ceramiki BeO

25 Konstrukcje laserów jonowych Ar + i Kr + Laser Ar + chłodzony powietrzem dla zastosowań w poligrafii. Moc rzędu mw na przejściu 488 nm.

26 Lasery atomowe na parach metali MVL Są to lasery wyłącznie impulsowe! Współczesne lasery Cu - moce średnie W z wzmacniaczami i kilka MW w impulsie

27 Wytwarzanie inwersji obsadzeń Dolne poziomy 2 D są metastabilne! Rozładowanie przez dyfuzję do ścianek - lasery I-szej generacji, obecnie przez zderzenia tzw. super-elastyczne z atomami Ne. Górne poziomy 2 P związane radiacyjnie z poziomem podstawowym konieczna wysoka temperatura i koncentracja par Cu dla uwięzienia tego promieniowania.

28 Układ zasilania lasera Cu Napięcia do kilkunastu kv, prądy do kilkuset A, czasy impulsów od kilkudziesięciu do paruset nsek. Elementy przełączające - tyratrony wodorowe o konstrukcji ceramiczno metalowej. Ich wytrzymałość jest ograniczona - wymieniane po godz.

29 Parametry laserów He-Cu I-szej generacji Zależność mocy lasera od napięcia i temperatury rury Optymalna wartość średniej energii elektronów 3-5 ev. T e V 0 /lnt R V 0 T R

30 Parametry laserów He-Cu I-szej generacji Wpływ częstotliwości repetycji impulsów Optymalne f rep ok. 6 khz dla C 1 = 12 nf współczesne lasery nawet do 100 khz!

31 Parametry laserów He-Cu I-szej generacji Zależność mocy i sprawności lasera od pojemności kondensatora

32 Parametry laserów He-Cu I-szej generacji Zależność mocy lasera od ciśnienia He

33 Lasery Ne-Cu II-giej generacji a b a -przewidywany rozkład temperatury wewnątrz rury bez uwzględnienia efektu naskórkowego; b - gęstość mocy wewnątrz rury w obecności efektu naskórkowego.

34 Lasery Ne-Cu II-giej generacji Rozkład czasowo-przestrzenny promieniowania lasera Przewidywania rozwoju laserów MVL w 1985r

35 Parametry wiązek promieniowania laserów MVL - rozbieżność

36 Parametry wiązek promieniowania laserów MVL - rozbieżność

37 Konstrukcja lasera MVL

38 Laser Au w terapii foto-dynamicznej (onkologia) HpD - hematoporfiryna, HGBN - hemoglobina

39