LASERY NA CIELE STAŁYM BERNARD ZIĘTEK

Transkrypt

1 LASERY NA CIELE STAŁYM BERNARD ZIĘTEK TEK

2 Lasery na ciele stałym lasery, których ośrodek czynny jest: -kryształem i ciałem amorficznym (również proszkiem), - dielektrykiem i półprzewodnikiem. 2

3 Podział Neodym 3

4 Jon Cr 3+ w polu krystalicznym 4

5 Metody pompowania -Lampami błyskowymi 5

6 - Laserami półprzewodnikowymi Pompowanie podłużne poprzeczne Pompowanie laserów światłowodowych Sprzęgacze kierunkowe 6

7 Pierwszy laser 1960 T. Maiman Laser rubinowy Schemat poziomów Al 2 O 3 + Cr 3+ Przy dużych stężeniach: Widmo absorpcji 7

8 Al 2 O 3 + Ti 3+ Laser tytanowo - szafirowy 8

9 Laser neodymowy Schemat poziomów Widmo absorpcji 9

10 Lasery i wzmacniacze światłowodowe Zalety: -pełen zakres widma i mocy - szerokie pasma emisji i wzmocnienia - praca ciągła i impulsowa -możliwość generacji impulsów femtosekundowych -duża gęstości promieniowania w rdzeniu - prostota konstrukcji -długi rezonator duża liczba modów -wysoka jakość wiązki w laserach jednomodowych - moce na poziomie kw pracy ciągłej (HPFL) - wykorzystanie konwersji częstości Wady: -obecność niepożądanych procesów nieliniowych - silne niejednorodne poszerzenie linii - krótszy niż w kryształach czas życia -zwiększone prawdopodobieństwo relaksacji bezpromienistych z udziałem fononów - nieustalony stan polaryzacji światła - problemy ze wzbudzaniem od czoła -możliwość uszkodzenia włókna 10

11 Światłowody 11

12 12

13 13

14 14

15 Szkło fluorowe ZBLAN (ZrF 4 BaF 2 LaF 3 AlF 3 -NaF) - niska energia fononów -mała tłumienność w obszarze widzialnym Tłumienność szkła kwarcowego (a) i szkła ZBLAN (b) 15

16 Sprzęgacze kierunkowe światłowodowe Obs zar odd ziaływania W przybliżeniu wolnozmiennej amplitudy Pole elektryczne fali L Uwzględniając sprzężenie między światłowodami Szukamy rozwiązań i gdzie 16

17 Przy warunkach początkowych otrzymujemy gdzie Występuje wymiana energii między światłowodami z okresem Łatwo sprawdzić, że 17

18 Zwierciadła i przełączniki pętlowe 1. Zwierciadło pętlowe (ang. nonlinear-optical loop mirror -NOLM) gdzie stosunek podziału natężenia pól: α/(1-α) 18

19 Optyczny efekt Kerra (K nieliniowy współczynnik Kerra) powoduje przesunięcie fazy na drodze L E wej wchodzi do portu 1". Po przejściu drogi L pola E 3 i E 4 wynoszą Stąd 19

20 Jeśli: 1. α = 1/2 to 2 E02 = 0 czyli 2 2 E 01 = E wej Otrzymaliśmy ZWIERCIADŁO 2. α = 1/2 to 2 2 E 02 = E wej jeśli dla m nieparzystych dla m parzystych Otrzymaliśmy PRZEŁĄCZNIK i NASYCAJĄCY SIĘ ABSORBER 20

21 2. Wzmacniające zwierciadło pętlowe (ang. nonlinear amplifying loop mirror -NALM) Jeśli G jest wzmocnieniem, to przesunięcia faz fal w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara i przeciwnie wynosi Maksymalne przełączanie między portami występuje dla 21

22 Rezonatory laserów światłowodowych Mogą być: liniowe i pierścieniowe 22

23 23

24 Wzmacniacze EDFA i PDFA Schemat poziomów energetycznych Er 3+ (a) i emisja w różnych szkłach (b) Wzbudzenie i emisja wzmacniacza Pr 3+ 24

25 Równania stacjonarne Gęstość centrów luminescencyjnych Równanie kinetyczne gdzie obsadzenia stanów laserowych lub p pompowane, s - sygnał W warunkach stacjonarnych gdzie gdzie a czyli 25

26 Natężenia w funkcji drogi z: jeśli z normą Stąd zmiana mocy sygnału na drodze z wynosi 26

27 Zalety: -duża wydajność kwantowa (do 90%), - szerokie pasmo wzmocnienia nm, - pasma wzmocnienia dopasowane do pasm telekomunikacyjnych, - niski poziom szumów dochodzący do teoretycznej 3 db, - wielkości współczynnika szumów, - izotropowość ośrodka, tak że wzmocnienie nie zależy od stanu polaryzacji, -długi czas życia w stanie wzbudzonym, (np. czas życia górnego stanu laserowego Er³wynosi 10.2 ms, - niewielkie zapotrzebowanie energetyczne, -wyższa moc nasycenia niż we wzmacniaczach laserowych, - brak odbić i strat na odbicia, -duża niezawodność układu, - elastyczność systemu laserowego polegająca na tym, że układ działa poprawnie przy modulacji analogowej i cyfrowej. 27

28 Wzmacniacz Er +3 Pompowanie do pewnego relaksacja do poziomu 2 poziomu 3 stanu 4 I 13/2 stanu 4 I 13/2 Przejście laserowe 2 1: 4 I 13/2 4 I 15/2 Równania kinetyczne (układ trójpoziomowy) gdzie prawdopodobieństwa przejść spontanicznych prawdopodobieństwa przejść wymuszonych Rozwiązanie stacjonarne gdzie W T = 293 K Praktycznie = 0 przy pompowaniu 980 nm 28

29 Warunek progowy Maksymalna inwersja Zalety pompowania linia 980 nm 1. β = 0, 2. minimalny szum Wada: mała szerokość linii absorpcyjnej 29

30 Wzbudzenie wzmacniaczy przez sprzężenie: a)od czoła, b)boczne. 30

31 Lasery z przemianą częstości Mechanizmy Wzbudzenie dwufotonowe Wzbudzenie Z transferem energii Wzbudzenie z przejściem lawinowym 31

32 Schemat poziomów i pompowania lasera Tm3+ z przemianą częstości Schemat konwersji wzbudzenia przez dwustopniową absorpcję jonu Nd 3+ i widmo emisji przy wzbudzeniu 514nm Wzbudzenie Er 3+ przy wzbudzeniu trzema fotonami Schemat wzbudzenia lasera Pr 3+ z przemianą częstości 32

33 Lasery na ośrodkach nieuporzadkowanych Ośrodek czynny -cząsteczki ośrodka czynnego, -cząsteczki rozpraszacza w ośrodku czynnym 33

34 Mikrolasery 34

35 Lasery na centrach barwnych Defekty 35

36 Metody otrzymywania centrów: - Zabarwienie fotochemiczne, - Barwienie addytywne, - Barwienie wiązkami elektronowymi. 36