w obszarze linii Podziały z różnych punktów widzenia lasery oscylatory (OPO optical parametric oscillator)

Transkrypt

1 Rodzaj przestrajania Lasery przestrajalne dyskretne wybór linii widmowej wyższe harmoniczne w obszarze linii szerokie szerokie pasmo Podziały z różnych punktów widzenia lasery oscylatory (OPO optical parametric oscillator) gazowe cieczowe na ciele stałym półprzewodnikowe impulsowe z repetycją ciągłego działania

2 Lasery przestrajalne Przestrajanie dyskretne Typowy przykład laser argonowy λ [nm] Ośrodek czynny Wybór linii przez obrót pryzmatu i zwierciadła

3 Lasery przestrajalne Przestrajanie dyskretne W laserze He-Ne trudno zrealizować przestrajanie, na przykład, między liniami i 594 wymagane wysokie współczynniki odbicia jednocześnie dla obydwu linii Wybór 3391 lub nm za pomocą metanu absorbującego linię 3.39 μm zderzenia atomów He z Ne Zderzenie elektronów z atomami He 3.39 μm zderzenia ze ściankami kapilary μm He + Ne He + Ne 3.39 μm μm Hel Neon metan

4 Lasery przestrajalne Przestrajanie dyskretne cd Lasery izotopowe CO 2 W paśmie λ = μm około 1500 linii o szerokości Δλ ~ nm Długoterminowa stabilność porównywalna z atomowym zegarem cezowym Szczególne zastosowanie w spektroskopii

5 Generacja wyższych harmonicznych Przykład: Laser Nd:YAG λ 1 = μm II-ga harmoniczna III-cia harmoniczna IV-ta harmoniczna λ 2 = λ 1 /2 = μm λ 3 = λ 1 /3 = μm λ 4 = λ 1 /4 = μm UV V-ta harmoniczna λ 4 = λ 1 /5 = μm Nadfiolet próżniowy

6 Lasery Ramanowskie Przy dużej mocy wiązki padającej (optyka nieliniowa) przy przejściu kwantowym do pośredniego poziomu w wiązce rozproszonej występują dodatkowe symetrycznie przesunięte linie widmowe Trzy impulsy Nd:YAG Modulator dobroci Kryształ generujący rozproszenie Ramana λ = μm λ = μm λ = μm Wykorzystując dodatkowo generację harmonicznych i mieszanie fal można uzyskać promieniowania o długości fal 532, 555, 559, 579, 589 [nm] i innych, co ważne jest w zastosowaniach medycznych

7 λ = 532 nm λ = 579 nm λ = 588 nm

8 Lasery przestrajalne Przestrajanie w obszarze linii ArF λ = 193 Δλ = 2.1 KrF XeCl XeF Lasery ekscymerowe Impulsowe lasery gazowe wysokiej mocy w paśmie UV Przestrajanie temperaturowe zmiana długości optycznej rezonatora wraz z temperaturą Przykładowo zmiana długości fali laserów półprzewodnikowych sterowana prądem zasilania W laserze rubinowym Δλ 0.6nm na C

9 Szerokie przestrajanie Lasery barwnikowe 1964 Widmo absorpcyjne Widmo emisyjne Barwniki związki organiczne np. rodamina Wykorzystuje się oscylacyjne poziomy energetyczne molekuł pompowanie 100 nm hν las λ emisja wymuszona Typowy szerokie krzywe absorpcyjne i emisyjne barwnika Układ poziomów energetycznych szybkie przejścia wolna relaksacja pułapka kwantowa Konieczna wysoka moc pompowania laserem argonowym

10 Lasery barwnikowe cd Zalety: szerokie pasmo ważne dla synchronizacji modów i szerokiego przestrajania łatwość chłodzenia ośrodka Wady: pompa wysokiej mocy, najczęściej impulsowa sprawność Wpływ szerokości impulsu pompującego na sprawność lasera barwnikowego [ns] czas trwania impulsu pompującego

11 Lasery barwnikowe cd Gwałtowny rozwój koniec lat 60-tych setki barwników w całym paśmie widzialnym i bliskiej IR łatwe odprowadzanie ciepła praca cw i impulsowa Szczególne właściwości: zawężanie impulsu do 7fs stabilizacja częstotliwości ~Hz/s Pompowanie laserem argonowym przepływająca struga barwnika Zwierciadło rezonatora Zwierciadło rezonatora wiązka laserowa Przestrojenie przez obrót zwierciadła

12 Lasery barwnikowe właściwości Przestrojenie w paśmie μm wymaga zestawu 10 barwników Wymiana barwników nie jest trudna, ale i kłopotliwa Pompowanie laserem, np. argonowym, ze zogniskowaną wiązką podgrzewa barwnik, który pod wpływem ciepła ulega dysocjacji Wypływ barwnika z dyszy jest pewnym rozwiązaniem, ale współczynnik załamania strugi ulega fluktuacji powodując niestabilność długości fali generowanej wiązki W latach 80-tych ubiegłego stulecia opracowano lasery na ciele stałym mające szerokie pasma emisji Laser tytanowy 1982 P.Moulton z zespołem MIT

13 Początek lat 80-tych - apogeum laserów barwnikowych Tytanowy Szerokość impulsu Lasery barwnikowe OPA Impuls skompresowany Goodbye dye lasers Lata

14 Przestrajalne lasery na ciele stałym Szerokie przestrajanie Przejścia laserowe na jonach metali: Cr Ti i inne Rubinowy Al 2 O 3 :Cr 3+ tylko wąskie przestrajanie Tytanowy Al 2 O 3 :Ti 3+ Forsterytowy Mg 2 SiO 4 :Cr 4+ Czarny YAG YAG:Cr μm Aleksandryt BeAl 2 O 4 :Cr 3+ Praca ciągła, impulsowa i synchronizacja modów Pompowanie laserem argonowym lub neodymowym Rozszerzenie pasma przestrajanie przez drugą harmoniczną Lasery na ciele stałym wypierają barwnikowe

15 Metody przestrajania Szerokie przestrajanie rezonator Wykorzystanie dyspersji pryzmatu Szerokość pasma odpowiadająca kątowi rozbieżności wiązki przestrajanie Δλ = π λ dn 2w 0 dλ dn - dyspersja materiału pryzmatu 2w 0 - średnica wiązki dλ Zmniejszenie szerokości pasma przez zastosowanie kilku pryzmatów Zaleta niskie straty

16 Metody przestrajania Szerokie przestrajanie cd rezonator Odbicie od siatki dyfrakcyjnej pod kątem α α sinα = λ m d przestrajanie d stała siatki m rząd dyfrakcyjny Zmieniając kąt α dla danego rzędu m zmieniamy λ Szerokość pasma Δλ = 8λdcosα πm2w 0 Zwiększenie selektywności zmniejszenie Δλ -przez zwiększenie średnicy wiązki 2w 0 za pomocą układu pryzmatów Zastosowanie rozszerzacza afokalnego wnosi straty fresnelowskie, które i tak są duże odbicie od siatki dyfrakcyjnej

17 Parametryczny wzmacniacz optyczny OPA Optical Parametric Amplifier ν p λ p Pompa ν p λ p Ośrodek nieliniowy ν pos λ pos ν pos = ν p ν s Sygnał ν s λ s ν s λ s Kosztem wiązki pompującej o częstotliwości ν p wzmacniany jest słaby sygnał o częstotliwości ν s i ponadto generowana jest wiązka pośrednicząca (idler) o częstotliwości ν pos Proporcje między trzema wiązkami można zmieniać przez dopasowanie fazowe w krysztale nieliniowym (obrót kryształu) Zaleta: uzyskanie sygnału na innej i zmienianej długości fali Kryształy: BBO beta-barium borate boran beta-barowy KTP potassium titanyl phosphate fosforan tytanylowo potasowy

18 Parametryczny oscylator optyczny Szerokie przestrajanie OPO Optical Parametric Oscillator Pompa ν p λ p ν p ν pos νs ν s = ν p ν pos Kryształ nieliniowy Pompowanie laserem ν p w drodze oscylacji wywołuje promieniowanie pośredniczące ν pos i na drodze mieszania powstaje promieniowanie ν s Zmieniając optyczną długość rezonatora (np. obrót kryształu) zmieniamy płynnie ν pos i tym samym ν s Proporcje między trzema wiązkami zależą od charakterystyki spektralnej rezonatora i ponadto można je zmieniać przez dopasowania fazowe w krysztale nieliniowym (obrót kryształu)

19 Parametryczny oscylator optyczny Szerokie przestrajanie Zakresy widmowe impulsowych OPO na podstawie Photonics Spectra July 93, strony pompa μm pompa μm pompa 1.06 μm λ [μm]

20 Lasery przestrajalne impulsowy ciągłe działanie Wolne elektrony 0.2 μm 1 mm Barwniki Tytan Aleksandryt Forsteryt Ciało stałe Oscylatory Półprzewodniki λ [μm]

21 Laser przestrajany na wolnych elektronach

22 Lasery przestrajalne Szerokie przestrajanie Praca impulsowa cw Energia [J] Moc [W khz] Moc [W] Barwnikowe Tytanowy Aleksandryt > Oscylator BBO > 0.1 Wolne elektrony ~ GW