Fizyka Laserów wykład 11. Czesław Radzewicz

Transkrypt

1 Fizyka Laserów wykład 11 Czesław Radzewicz

2 Lasery na ciele stałym (prócz półprzewodnikowych) matryca + domieszki izolatory=kryształy+szkła+ceramika metale przejściowe metale ziem rzadkich Matryca: kryształy tlenkowe: korund (Al 2 O 2 ) aleksandryt (BeAl 2 O 4 ) YAG garnet aluminiowo-itrowy (Y 3 Al 5 O 12 ) kryształy fluorkowe: LISAF (LiSrAlF 6 ) YLF (YLiF 4 ) kryształy typu tungstate KY(WO 4 ) 2 KGd(WO 4 ) 2 Parametry matrycy: przewodnictwo termiczne soczewkowanie termiczne własności mechaniczne FOM, FOM = α p α l dn dt

3 domieszki metale przejściowe lantanowce

4 domieszki Ti:Al 2 O 3 Definicja metali przejściowych: atomy z niezapełnioną powłoką d przykład : Ti:Al 2 O 3 konfiguracja elektronowa atomu Ti: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 2 4s 2 = Ar+3d 2 4s 2 W krysztale korundu atom tytanu jest 3-krotnie zjonizowany Ar + 3d 1 przejścia optyczne wzbudzenia elektronu 3d Ponieważ ten elektron jest na zewnętrznej orbicie to jego poziomy energetyczne zależą od otoczenia: (1) częstości przejść zależą od matrycy, (2) możliwe jest bardzo silne sprzężenie z drganiami sieci - fononami Definicja lantanowców (metali ziem rzadkich): atomy z niezapełnioną powłoką f przykład : Nd:YAG konfiguracja elektronowa atomu Nd: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4d 10 4f 4 5s 2 5p 6 6s 2 = Xe+4f 4 5s 2 5p 6 6s 2 W krysztale YAG atom neodymu jest 3-krotnie zjonizowany: Xe+4f 3 5s 2 5p 6 przejścia optyczne wzbudzenia elektronu 4f Ponieważ ten elektron jest na wewnętrznej orbicie to jego poziomy energetyczne praktycznie nie zależą od otoczenia. Nd:YAG λ l =1,064 μm Nd:YLF λ l =1,047 μm

5 materiały domieszkowane neodymem struktura energetyczna Nd 3+ Nd:YAG - Y 3 Al 5 O 12 :Nd 3+ Nd:YLF - YLiF 4 :Nd 3+. YAG YLF szkło przewodnictwo cieplne, W/(m K) dn/dt, 1/K τ, ms λ l, mm σ, cm Δν, cm

6 Nd:YAG struktura energetyczna Nd 3+

7 Nd:YAG Kryształy laserowe są pompowane światłem: inny laser lampa wyładowcza światło słoneczne???? widmo absorpcji kryształu Nd:YAG widmo fluorescencji kryształu Nd:YAG

8 aleksandryt (ang. alexandrite) BeAl 2 O 4 :Cr 3+ nasycający strumień energii ok. 40J/cm 2!

9 szafir (ang. Ti:Sapphire) Al 2 O 3 :Ti 3+ zakres strojenia nm! fs!

10 materiały z iterbem np. Yb 3+: YAG materiały z erbem EDA (Erbium Doped Amplifier) wzmacniacze i lasery światłowodowe bardzo mały defekt kwantowy

11 Nd:YAG pompowanie lampami błyskowymi lustro eliptyczne lampa błyskowa pręt laserowy

12 σ e, j.u. σ a, j.u. Nd:YAG pompowanie lampami błyskowymi, c.d. unormujmy widmo lampy i widmo absorpcji: σ a (λ) dλ = 1, σ e (λ) dλ = 1 widmo absorpcji kryształu Nd:YAG wtedy całka przekrywania η p = σ e λ σ a λ dλ 1 jest dobrą miarą dopasowania widma lampy do widma absorpcji kryształu. W przypadku Nd:YAG i lampy kryptonowej (najlepiej pasuje)mamy η p 1 Dodatkowo, absorpcja krótkofalowa prowadzi do silnego grzania kryształu. widmo emisji lampy kryptonowej

13 Nd:YAG pompowanie diodami Widmo absorpcji Nd:YAG jest charakterystyczne dla wielu kryształów laserowych dominują wąskie piki z dużą absorpcją i obszary pomiędzy nimi o małym współczynniku absorpcji. Dlatego najlepiej jest pompować je promieniowaniem ze źródeł laserowych z długością fali dopasowaną do konkretnego piku absorpcyjnego ośrodek czynny λ p [nm] laser diodowy Nd:YAG 808 GaAlAs Yb:YAG 941 InGaAs Nd:YVO GaAlAs Nd:YLF 798 GaAlAs Cr:LiSAF 670 AlGaInP Yb:KYW 975 InGaAs

14 pompowanie diodami, c.d. pompowanie podłużne monolityczny Nd:YAG T. J. Kane, R. J. Byer, Opt. Lett.10, 65 (1985) P. Wasylczyk and C. Radzewicz, Laser Physics 19, 129 (2009)

15 pompowanie diodami, c.d. niedomieszkowana obszar czapeczka domieszkowany wydajność światło-światło 48% nachylenie 60% czapeczki zapewniają równe chłodzenie na całej długości pręta laserowego laser diodowy 550W, 3x4mm 2, NA=0.42 polerowany pręt światłowód dla wiązki lasera pompującego podwójne przejście pompy przez pręt mały gradient temperatury wzdłuż osi licha wiązka, M 2 =80

16 pompowanie diodami, c.d. pompowanie poprzeczne

17 Komercyjne DPSSL (Diode-Pumped Solid State Laser)

18 Komercyjne lasery Nd:YAG pompowane lampami

19 Komercyjne lasery Nd:YAG pompowane lampami

20 zarządzanie ciepłem w krysztale laserowym Główne ograniczenie na moc lasera grzanie kryształu Geometria objętościowa pręt. Skalowanie: moc termiczna L 3 moc odprowadzana proporcjonalna do powierzchni L 2 wydajność chłodzenia 1 L Geometria płaska dysk o stałej grubości. Skalowanie: moc termiczna L 2 moc odprowadzana proporcjonalna do powierzchni L 2 wydajność chłodzenia nie zależy od rozmiarów dysku kryształ chłodnica

21 geometria cylindryczna kryształ w kształcie długiego pręta (długość = L >> 2r 0 = średnica) chłodzenie Grzanie w całej objętości, chłodzenie na powierzchni cylindrycznej, temperatura cieczy chłodzącej T 0 moc termiczna na jednostkę objętości Q = P th πr 0 2 L, gdzie P th to moc wydzielana w pręcie w postaci ciepła przewodnictwo termiczne λ th Niech r oznacza odległość od osi cylindra. R-nie dyfuzji ciepła d 2 T dr dt r dr + Q = 0 λ th ma rozwiązanie T r = T 0 + Q 4λ th r 0 2 r 2 maksymalna różnica temperatur to T 0 T r 0 = Qr 0 2 4λ th = P th 4πλ th L W granicy bardzo dużego L mamy laser światłowodowy

22 geometria dysku na chłodnicy 2r p h P p T 0 z 0 P p - moc pompy r p - promień wiązki pompującej η a - wydajność absorpcji pompy η h - wydajność wytwarzania ciepła I th - moc termiczna na jednostkę powierzchni I th = P th πr 2 = P pη a η h p πr 2 p Załóżmy, że grubość kryształu h jest dużo mniejsza niż r p. Wtedy dla danej wartości przewodnictwa termicznego kryształu λ th dostajemy paraboliczny rozkład temperatury w kierunku prostopadłym do powierzchni z T z = I th R th,d h 1 z 2 2 h 2 R th,d = h λ th - oporność termiczna dysku P th 1 2πλ th 2L pręt P th 2πλ th dysk h r p 2 Maksymalna różnica temperatur T h T 0 = 1 2 thr th,d = P thh 2πr 2 p λ th

23 lasery cienko-dyskowe pomysł realizacja techniczna chłodzenia realizacja techniczna pompowania

24 lasery cienko-dyskowe Yb:YAG, 150 mm, I th = 5.4 W/mm 2 (I p = 60 W/mm 2 ) materiały deformacja frontu falowego po odjęciu sferycznej, Yb:YAG, 150 mm, I th = 5.4 W/mm 2 ważne parametry: przewodnictwo termiczne, λ th = 6 Wm -1 K -1 (dla YAG) współczynnik absorpcji defekt kwantowy: η th = 1 λ p λl =0.087 (dla Yb:YAG)

25 lasery jedno-dyskowe, przykładowe osiągi Yb:YAG, praca (prawie)jednomodowa M 2 =1.6 Yb:YAG, praca wielo-modowa

26 lasery wielo-dyskowe, przykładowe osiągi

27 lasery w obszarze MID IR eye safe region

28 lasery MID przykładowy materiał Tm:YAG Tm:YAG fluorescence

29 lasery MID materiały z Ho 3+

30 lasery MID

31 lasery MID przykładowa konstrukcja