Technika laserowa, ośrodek czynny. Moc (bezpieczeństwo) Sposób pracy (ciągłe, impulsowe) Długość fali Ośrodek czynny Zastosowania

Transkrypt

1 Kryteria podziału laserów Moc (bezpieczeństwo) Sposób pracy (ciągłe, impulsowe) Długość fali Ośrodek czynny Zastosowania Podział laserów ze względu na ośrodek czynny Lasery na ciele stałym Lasery gazowe (w tym ekscymerowe) Lasery cieczowe Lasery półprzewodnikowe (na ciele stałym) Lasery na swobodnych elektronach

2 Lasery na ciele stałym Domieszkowane kryształy lub ciała amorficzne (kilkaset) Ciało stałe struktura pasmowa, szerokie pasma absorpcji Pompowanie lampami wyładowczymi lub innymi laserami Pasma emisji zarówno wąskie jak i szerokie

3 Lasery na ciele stałym Wymagane właściwości ośrodka czynnego: Korzystny układ stanów energetycznych (co najmniej 2 poziomy) Odpowiednie czasy życia stanów, umożliwienie inwersji Dostateczna szerokość pasma (pasm) absorpcji (pompowanie optyczne) Wąski poziom metastabilny mała szerokość linii widmowej Jednorodność, symetria struktury materiału Czystość (bez zanieczyszczeń, pęcherzy powietrza); tworzenie kryształów osobny problem technologiczny Przewodność cieplna

4 Laser na ciele stałym - rubinowy Pompowanie: lampa błyskowa (ksenon, krypton) wokół lub wzdłuż pręta praca impulsowa, kilka/sek do 100J / impuls problem z chłodzeniem Holografia Pomiary odległości (pompowanie laserów) (medycyna) (drążenie, mikrospawanie) Współcześnie - wypierane

5 Laser na ciele stałym - rubinowy

6 Laser na ciele stałym - neodymowy Pompowanie: lampa błyskowa, laser diodowy Nd-YAG (granat itrowo - aluminiowy), Nd-szkło (nieco różne długości fali) Praca ciągła do kilku kw praca impulsowa kilkadziesiąt khz, kilkadziesiąt J / impuls Spawanie, drążenie otworów medycyna

7 Laser na ciele stałym tytanowo szafirowy Ti:Al 2 O 3 Pompowanie: laser argonowy lub diodowy Przestrajalne w zakresie nm Szerokie pasmo emisji ultrakrótkie impulsy (fs)

8 Lasery gazowe Gazy (mieszaniny) Węższe pasma energetyczne Pompowanie: Lampy (błyskowe, ciągłe) Rury wyładowcze zderzenia Z elektronem (atomy gazów szlachetnych) Atom atom (Ne w laserach He-Ne) Dysocjacja (gaz szlachetny - tlen) Jonizacja (jony gazu szlachetnego)...

9 Lasery gazowe He-Ne He Ne w zamkniętej rurze wyładowczej Ciśnienie ok 150 Pa, stos. He Ne 10:1 Poziomy He i Ne zbliżone, stosunek ciśnień zapewnia selektywne wzbudzenie Ne i inwersję

10 Lasery gazowe He-Ne Wyładowanie elektrony Elektron wzbudza hel Poziomy F2 i F3, czasy życia 10-4 s i 10-6 s Zderzenia He Ne, wzbudzenie poziomów E6 i E4 E6 E3 633 nm E6 150 ns, E3 10 ns E2 metastabilny, absorbuje fotony i zmniejsza inwersję Przejście z E2 do st. pods. - zderzenia ze ściankami (korzystna mała średnica)

11 Lasery gazowe He-Ne Osiągalne długości fali: 633 nm, 1.15 m i 3.39 m 633 nm i 3.39 m ten sam górny poziom, rywalizacja, straty Elementy optyczne absorbujące podczerwień Moc do 50 mw Poszerzenie dopplerowskie 1.5 GHz Praca ciągła lub impulsowa (do 1 khz, czas impulsu - mikrosekunda) Zastosowanie naukowe, demonstracyjne; odczyt danych z nośników niektórych pamięci Liniowa polaryzacja (rola okienka Brewstera w laserze He-Ne i nie tylko?)

12 Laser jonowy argonowy Ar w zamkniętej chłodzonej cieczą rurze wyładowczej Ciśnienie ok 100 Pa Pole magnetyczne (przestrzenne rozłożenie jonów i elektronów) Duże natężenia prądu; katoda żarzona Kilkadziesiąt przejść laserowych Najsilniejsza linie: 488 nm, nm Moc do kilkudziesięciu W

13 Laser jonowy argonowy Wzbudzanie dwustopniowe, jednostopniowe, kaskadowe Wiele możliwych górnych poziomów laserowych Dwa dolne poziomy laserowe Główne zastosowanie: pompowanie innych laserów Wada skończony czas życia rur wyładowczych

14 Laser gazowy CO 2 Przejście laserowe nie między stanami elektronowymi atomu a pomiędzy stanami wibracyjnymi molekuły CO 2 trzy niezależne mody wibracji: rozciągający symetryczny, deformacyjny (degeneracja 2 kierunki) i rozciągający niesymetryczny Poziom wibracyjny (co najmniej) 3 liczby, np. 001

15 Laser gazowy CO 2 W rurze wyładowczej: ok. 2.5 kpa; CO 2, N 2, He (ok. 1:2:3, albo np. 1:1:8) + inne

16 Laser gazowy CO 2 Energia drgań danego modu E(n 1 )=hν 1( n ), n 1=0,1,2,... Całkowita energia drgań E(n 1,n 2,n 3 )=hν 1( n ) +hν 2( n ) +hν 3( n ) Poziomy rotacyjne Reguły wyboru dozwolone są tylko niektóre przejścia.

17 Laser gazowy CO 2

18 Laser gazowy CO 2 Zderzenie elektronu z molekułą azotu pierwszy poziom wibracyjny, metastabilny (w azocie tylko jeden mod); wzbudzona molekuła homoatomowa nie może emitować fotonu Zderzenie azotu i CO 2 wzbudzenie E5 (001) Przejście na E4 (100) lub E3 (020). Powrót na stan podstawowy przez stan E2 (010), ułatwia to hel (dobrze przewodzi ciepło) Poziomy i przejścia rotacyjne silny wpływ na widmo emisji CO 2 (oscylacje)

19 Laser gazowy CO 2 Dobra efektywność (moc wyjściowa ok 20 % mocy pompowania) Moce do kilkuset kw w pracy ciągłej, do GW w pracy impulsowej Wyższe moce inna konstrukcja: gaz przepływa pod dużym ciśnieniem (kilka atm) i prędkością ok 200 m/s; system elektrod wyładowczych prostopadle do osi przepływu Cięcie materiałów, spawanie metali, hartowanie, wyżarzanie itp. Chirurgia, medycyna estetyczna

20 Lasery ekscymerowe Lasery impulsowe Wykorzystanie ekscymerów molekuł istniejących tylko w stanie wzbudzonym Ściśle: ekscymery molekuły homoatomowe, ekscypleksy - heteroatomowe Mieszanina zawierająca gaz szlachetny (Ar, Kr lub Xe) i atomu halogenku (Fl, Cl, Br lub I) Gaz porusza się pod dużym ciśnieniem w rurze wyładowczej, pompowanie krótkimi (nanosekundowymi) wyładowaniami Przykładowe reakcje prowadzące do powstania ekscymerów

21 Lasery ekscymerowe Czas życia górnego poziomu kilkadziesiąt ns, czas dysocjacji molekuł w stanie podstawowym < 1 ps Energia potencjalna oddziaływania atomu gazu szlachetnego z halogenkiem Podobnie 2 atomy gazu szlachetnego Mogą istnieć słabe i niestabilne minima w stanie podstawowym IJAPBC Vol. 2(3), Jul-Sep, 2013

22 Lasery ekscymerowe Wybrane lasery ekscymerowe stosowane w inżynierii materiałowej

23 Lasery ekscymerowe Obróbka materiałów, zwłaszcza półprzewodniki (odparowanie, drążenie wąskich otworów od mikrometra, nakładanie cienkich warstw itd.), produkcja chipów elektronicznych Wydajne źródła światła w zakresie ultrafioletu Impulsy do 1 khz z energią do 10 kj/impuls niewygodne gazy (gazy szlachetne drogie, halogenki aktywane chemicznie, korozja)

24 Lasery cieczowe (barwnikowe) Barwniki związki organiczne (np. rodamina) Rozpuszczalniki woda, alkohole Pompowanie lampy błyskowe, lasery Przejścia pomiędzy stanami singletowymi, wpływ poziomów wibracyjnych, poszerzenie zderzeniowe szerokie pasmo emisji Łączne widmo: nm; jeden roztwór kilkadziesiąt nm Wybór długości fali pryzmat, siatka odbiciowa (siatka dyfrakcyjna odbijająca światło o różnej długości fali pod różnymi kątami)

25 Lasery cieczowe (barwnikowe) Część molekuł ucieka na stan trypletowy strata inwersji Odpowiedni system przepływu obniżenie obsadzenia stanu trypletowego (długi czas życia)

26 Lasery cieczowe (barwnikowe) -anti-rabbit-igg lang=pl&region=pl

27 Lasery cieczowe (barwnikowe) Praca impulsowa i ciągła Medycyna Spektroskopia (widma, skład chemiczny) Chemia badanie wiązań chemicznych

28 Lasery półprzewodnikowe (diody laserowe) Półprzewodniki: pasma walencyjne i przewodzenia T = 0K wszystkie elektrony w pasmie walencyjnym T > 0K część elektronów w pasmie przewodnictwa, w pasmie walencyjnym zostają dziury Półprzewodniki domieszkowane typu n, poziomy donorowe, w pasmie przewodzenia jest nadmiar elektronów Półprzewodniki samoistne mało nośników ładunków Półprzewodniki domieszkowane typu p, poziomy akceptorowe, wolne poziomy w pasmie walencyjnym dziury (niedobór elektronów) Elektron z pasma przewodzenia + dziura z pasma walencyjnego = rekombinacja ciepło, a w niektórych złączach światło

29 Elektron wszedł na poziom akceptorowy, dziura w pasmie walencyjnym W pasmie przewodzenia pojawia się elektron z poziomu donorowego

30 Lasery półprzewodnikowe Napięcie: dziury w obszarze p (p. walencyjne) płyną do i, elektrony w obszarze n (p. przewodnictwa) płyną do i ; rekombinacja, fotony (spontanicznie, różne kierunki) w obszarze i ; jak dioda LED Maksymalizacja liczby przejść, inwersja (w i więcej elektronów jest w p. przewodnictwa niż w walencyjnym), rezonator (różne rozwiązania), rekombinacja wymuszona (foton

31 Lasery półprzewodnikowe Obszar czynny (małe lasery) kilka kilkanaście m (efektywne utrzymanie inwersji; większe rozmiary problem z chłodzeniem, moce do kilkudziesięciu W) Wiązka - eliptyczna (można ją zaokrąglić układem optycznym )

32 Lasery półprzewodnikowe (diody laserowe) nm Tanie, trwałe, efektywność rzędu 50 % (moc wyjściowa / wejściowa) Mogą być przestrajalne (szerokość linii kilka nm) Spora rozbieżność kątowa wiązki Duży wpływ temperatury na moc wiązki i długość fali (0.3 nm / 1K) Praca ciągła lub impulsowa Napędy blue ray, DVD; transfer danych poprzez światłowód, pompowanie innych laserów, medycyna itp.

33 Lasery na swobodnych elektronach (Free Electron Laser) Wiązka wysokoenergetycznych elektronów (z akceleratora) wprowadzona do undulatora lub wigglera (pole magnetyczne wytwarzane przez szereg naprzemianległych magnesów) Zakrzywianie toru elektronu emisja fotonów Fotony oddziałują z elektronami tworząc z nich paczki Długość fali od 1 nm do 1 cm Praca impulsowa i ciągła Silne wiązki o dobrej jakości Badania naukowe; fizyka, chemia, biologia (np. procesy zachodzące w komórkach) Ogromne stanowiska, kilka km

34 Lasery na swobodnych elektronach (Free Electron Laser) Ośrodek DESY (Hamburg), akceleratory, różne stanowiska FLASH laser FEL, impulsy ok 100 fs, 10 nm, moc rzędu GW