Praca impulsowa Impuls trwa określony czas i jest powtarzany z pewną częstotliwością; moc w pracy impulsowej znacznie wyższa niż w pracy ciągłej (pomiędzy impulsami może magazynować się energia) Ablacja (odparowanie, sublimacja) dzięki laserom impulsowym możemy krótkim impulsem o dużej mocy modyfikować materiał w małym obszarze (bez wpływu na sąsiedztwo); obróbka materiałów; chirurgia Nieliniowe zjawiska optyczne potrzebne duże moce Transmisja danych, odczyt danych Badanie dynamiki reakcji chemicznych (np. lepsze zrozumienie procesów zachodzących w DNA)
Praca impulsowa - realizacja Impulsowe pompowanie (np. impulsowe pole elektryczne, lampa błyskowa, impulsowy laser pompujący); niektóre lasery nie mogą działać w trybie ciągłym (zbyt szybkie narastanie populacji dolnego poziomu laserowego; lasery ekscymerowe, pary niektórych metali) Q-switching (manipulowanie dobrocią rezonatora), czas impulsu rzędu ns Mode-locking (interferencja modów), czas impulsu rzędu fs
Q-switching Współczynnik wzmocnienia γ (ν )=σ Δ N=σ (N 2 N 1 ) Warunek progowy (na inwersję przy pracy ciągłej) γ κ + 1 2 L ln ( 1 R 1 R 2) Czas życia fotonu w rezonatorze (czas, po którym energia w rezonatorze malałaby e-krotnie, gdyby nie było emisji wymuszonej) 1 τ =κ c+ c c 2 L ln ( 1 2) R 1 R
Q-switching Q dobroć rezonatora Q=2π ν W(t) energia modu energia modu energia tracona w jednostce czasu Rozwiązanie W (t) Q=2π ν dw (t )/dt W (t)=w (0)exp( 2π ν t Q ) Q=2π ν τ c Duże straty ( ) lub małe współczynniki odbicia niska dobroć
Q-switching Migawka zamknięta duże straty, mała dobroć, mało emisji wymuszonej; trwa pompowanie narasta inwersja Migawka otwarta małe straty, duża dobroć, dużo fotonów, intensywna emisja wymuszona obniżająca inwersję; chwilowa moc znacznie większa niż przy pracy ciągłej
Q-switching Straty Dobroć Inwersja moc
Q-switching Przykładowy laser Nd-YAG: Energia impulsu: 850 mj Czas impulsu: 6 ns (całkowita energia / moc maksymalna) Moc maksymalna: 140 MW Częstotliwość impulsów: 10 / s
Q-switching Realizacja Q-switchingu: Q-switching aktywny (zewnętrzna zmiana parametrów ukł. opt.) Mechaniczne obracanie lustra, przesłony itp. - nieefektywne, maks. kilkadziesiąt tys. / s, zmiana Q nie jest natychmiastowa Zjawisko elektrooptyczne wywoływanie dwójłomności polem elektrycznym Zjawisko akustooptyczne osłabianie wiązki poprzez ugięcie na przestrzennej siatce dyfrakcyjnej (laboratorium, ćwiczenie 4), Q-switching pasywny Absorpcja nasyceniowa
Q-switching poprzez zjawisko elektrooptyczne Brak pola w modulatorze światło spolaryzowane liniowo Pole w modulatorze po przejściu polaryzacja kołowa, zmiana skrętności po odbiciu od zwierciadła, po przejściu przez modulator polaryzacja prostopadła do wyjściowej zatrzymanie na polaryzatorze, niska wartość Q
Q-switching poprzez absorpcję nasyceniową Roztwory niektórych barwników, niektóre kryształy - absorpcja maleje ze wzrostem natężenia, po osiągnięciu pewnej wartości progowej bardzo mała Natężenie narasta stopniowo, wzrasta inwersja Ośrodek staje się przezroczysty, uwolnienie energii, spadek inwersji cykliczność
Sąsiednie częstotliwości różnią się o: c / (2nL) poszerzenie widmowe; liczba modów: N= Δν c/(2nl) Mode-locking Widmo emisji ośrodka czynnego (poszerzenie widmowe) a mody rezonatora
Mode-locking Przykład: laser rubinowy = 6 1010 Hz Długość rezonatora L = 0,5 m Liczba modów N = 200 Brak zależności fazowych pomiędzy modami przypadkowość, wyjściowy sygnał stały Wymuszenie sprzyjających zależności fazowych pomiędzy modami szansa na okresowe uzyskanie konstruktywnej interferencji
Mode-locking Rozpatrzmy mod o częstotliwości q Różnica częstotliwości sąsiednich modów (FSR) niech wynosi Zmieniamy parametry rezonatora (podobnie jak w przypadku Q- switching), amplituda modu modulowana częstotliwością Zależność pola od czasu (dla tego modu) ( A+Bcos(2π δ ν t))cos(2π ν q t)=acos(2π ν q t )+ B 2 cos[2π (ν q+δ ν )t ] Pojawiły się częstotliwości modów sąsiednich Analogicznie pozostałe mody + B 2 cos[2π (ν q δ ν )t ] t = 0 ta sama faza, co 1/ (przez rezonator tam i z powrotem)
Mode-locking, analiza natężenia światła Powtarzalność impulsów co t r = 1/ = 2nL/c Czas impulsu (FWHM): 1 / ; szersze widmo = krótszy impuls
Mode-locking Realizacja mode-locking: Aktywny mode-locking: zjawisko elektrooptyczne, akustooptyczne; wpływ zewnętrznego pola na element układu optycznego Pasywny mode-locking: absorpcja nasyceniowa
Mode-locking zjawisko akustooptyczne Ultradźwięk częstotliwość f jeśli powstaje fala stojąca częstotliwość modulacji natężenia: 2f jeśli = 2f będzie mode-locking