PRZEGLĄD LASERÓW - Lasery atomowe (laser He-Ne) - Lasery molekularne (CO2) - Lasery jonowe na gazach szlachetnych (Ar, Kr) - Lasery na mieszaninach par metali i nie-metali oraz gazów szlachetnych (atomowe Cu, Au, jonowe Cd, Se, Cu, Ag rekombinacyjne) - Lasery barwnikowe (cieczowe) - Lasery ciała stałego (rubin, Nd:YAG, inne)
Laser He - Ne E [10 4 cm -1 ] 17 16 15 14 13 0 2 1 S 2 3 S He zderzenia drugiego rodzaju zderzenia z elektronami Laser helowo-neonowy 3s 2s 1s Ne 2 3p 2 3.39µm 1.15µm 0.63µm 2p 4 4 przejscie promieniste dyfuzja do scianek Linie laserowe Ne [3s 2 ] Ne [3p 4 ] λ = 3.39 µm Ne [2s 2 ] Ne [2p 4 ] λ = 1.15 µm Ne [3s 2 ] Ne [2p 4 ] λ = 0.63 µm Pobudzanie górnych poziomów laserowych Ne [3s,2s] bezposrednie Ne + e Ne [3s, 2s] + e selektywne - przez metastabilne stany He [2 1 S i 2 3 S]: He + e He [2 1 S, 2 3 S] + e i zderzenia drugiego rodzaju He [2 1 S, 2 3 S] + Ne He + Ne [3s, 2s]
Podstawowy schemat budowy lasera He-Ne okienko Brewstera Rura laserowa Z 0 Anoda Katoda Z T Laser compact
Wąskie gardło wytwarzania inwersji obsadzeń - dezaktywacja stanów 1s w Ne. Możliwość przyśpieszenia dezaktywacji - zwiększenie szybkości dyfuzji. Jak: zmniejszenie średnicy rury (τd 1/p D 2 ) Zależność prądowa PL dla małych I, maleje dla dużych I Zamiana izotopu He4 na lżejszy He3 co daje zwiększenie prędkości wzajemnej cząsteczek ośrodka o ok. 15%. Szybkość procesów : zderzeniowych oraz dyfuzji wzrasta o 15%! υ (1/M r ) 1/2 M r M He υ He3 /υ He4 = (4/3) 1/2
Lasery molekularne CO 2 Drgania oscylacyjne cząsteczki CO 2
Poziomy biorące udział w generacji 961 cm -1 = 10,6 µm, 1064 cm -1 = 9,7 µm czas życia poziomu 00 0 1 10-3 s, 10 0 0 10-4 s opróżnianie poziomu dolnego - procesy radiacyjne i zderzeniowe
Konstrukcje laserów CO 2
Lasery CO 2 małej mocy B
Lasery CO 2 o pobudzaniu poprzecznym Lasery TEA (Transversely Excited Atmospheric)
Lasery CO 2 pobudzane wyładowaniem w.cz. Laser falowodowy Laser falowodowo-szczelinowy Lasery falowodowe wielokanałowe
Lasery jonowe na gazach szlachetnych Ar +, Kr Ar + - 10 linii w przedziale 458-529 nm, P L (3-40 W) UV (330-360 nm do 3W) Kr + - linie od 406 do 647 i 676 nm, P L 1/3 P L dla Ar + E [10 3 cm - 1 ] 4s 2 S 0 1/2 16 0 4p 2 P 0 3/2 1/2 4p 2 D 0 4p 4 D 0 3/2 5/2 3/2 5/2 15 0 14 0 4s 2 P 1/2 3/2 Schemat przejść laserowych dla Ar +
Selekcja linii widmowych w laserach Ar + i Kr + Pryzmat Brewstera Selekcja linii widmowych lasera Ar Widok układu pryzmat zwierciadło dla lasera Ar Pryzmat Brewstera - kąty przy podstawie α B = arctg(n). ΣP L z selekcją linii jest większa niż dla jednoczesnej generacji
Mechanizmy wytwarzania inwersji Ar + 3p 4 4d, 5s, 5d, 6s 3p 4 4p 3p 4 4s Ar +met 3p 4 3d 2 4 6 7 10 E [ev] 35.5 zderzenia z elektronami przejścia promieniste (720 Å) 3p 5 3 5 8 9 12 15.8 przejścia laserowe Ar met 3p 5 4s 11.5 1 11 Ar 3p 6 0 Ar + e Ar + + e; Ar + + e Ar +* (4p) + e Czas życia poziomów Ar +* (4p) > Ar +* (4s) Inwersja N n e n j n 2 j 2 bo j = env Cechy wyładowania elektrycznego: duża koncentracja ładunków, duża energia elektronów niskociśnieniowe wyładowanie łukowe!
Zależność mocy lasera od I a Ciśnienie rośnie prąd progowy rośnie Załamanie mocy dla małych p - zmniejszenie koncentracji gazu w kanale wyładowczym - elektroforeza (przepompowywanie gazu)
Przepływ prądu w gazie I a exp[ = I0 d γ{exp[ 0 d 0 α( x) dx] α( x) dx] 1} 1 γ [exp d 0 α( x) dx 1] = 1 I 0 natężenie prądu od czynnika zewnętrznego, d odl. katoda-anoda α elektronowa jonizacja zderzeniowa, I-szy współcz. Townsenda, γ emisja elektronów wtórnych z katody, II-gi współcz. Townsenda.
Strefy wyładowania a) b) c) d) K U E ρ 123 4 5 6 789 ρ j x x A 1 - ciemnia Astona 2 - poświata katodowa 3 - ciemnia katodowa 4 - jarzenia ujemne 5 - ciemnia Faradaya 6 - kolumna dodatnia 7 - ciemnia anodowa 8 - jarzenie anodowe e) j d k ρ e j e j j x x b - rozkład potencjału c - rozkład natężenia pola elektr. d - rozkłady ładunków e - rozkłady gęstości prądu jonowego i elektronowego
Parametry plazmy argonowej Temperatura atomów T a I 1 + 0,9 300 RK = a 3/ 2 Koncentracja gazu n a = n 0 300 T a Droga swobodna jonów l j Ta 0,05 300 1 p 0 Koncentracja elektronów n e 13 300 = 10 j 0 ark p Ta 1/ 2 Ważny parametr - średnia energia elektronów inaczej temperatura elektronowa 1eV = 11600 K
Wyznaczenie temperatury elektronowej l j << R K teoria dyfuzji ambipolarnej Schottky`ego l j >>R K teoria swobodnego spadku Tonksa-Langmuira 1 + 2 kt eu e j 1 eu exp kt e j = 62,8cU j M n N a L R K M = 40g/mol dla Ar c = 0,71 dla Ar N L = 3,54x10 16 at/cm 3 U j =15,75 dla Ar
Radialny spadek potencjału Gęstości prądu jonowego i elektronowego na ściankach (teoria Tonksa-Langmuira) j = 0, 328ne jw kt m e j j V j ew ew W = ne kt ev exp = e W me kte = j ew kt e e ln 1,045 m m j e 5,65 kt e e Dla Ar V W 30V - silne bombardowanie jonowe i erozja materiału ścianek kapilary!
Osiowe pole magnetyczne Zmniejszenie radialnego spadku potencjału i rozpylania ścianek! Dodatkowo - wzrost mocy lasera! Dla H < H opt P L bo n(r=0) Dla H > H opt P L bo T e O wielkości T e decyduje E rad dla R K =0,15 cm i V W 30V mamy: E z = 0,65/R K 4,3 V/cm i średnie E rad ok. 200 V/cm. Dla współczesnych laserów Ar + H opt 1200-1600 Gs
Efekt przepompowania gazu Przekazywanie pędów nabytych przez elektrony i jony w polu elektrycznym atomom gazu. Pędy nie równoważą się! Na ostatniej drodze przed zderzeniem jony oddają pęd ściance - przewaga pędów w kierunku anody. Transport jonów do katody oznacza przesunięcie jonów. Zmniejszenie efektu - obieg powrotny zewnętrzny lub wewnętrzny! Niebezpieczne przepompowanie w kierunku katody. Dla V Kat >> V Anoda p A 0 oscylacje plazmy, zabrudzenie okienek Brewstera!
Konstrukcje laserów jonowych Ar + i Kr + Laser z dielektryczną rurą wyładowczą -kwarc lub ceramika BeO. Obieg powrotny zewnętrzny. Kwarc: j max 350 A/cm 2 BeO: j max 1000 A/cm 2 a Laser z segmentową kapilarą wyładowczą (W, Mo, grafit). Obieg powrotny wewnętrzny, j max 750 A/cm 2
Konstrukcje laserów jonowych Ar + i Kr + Ceramiczno metalowa rura wyładowcza, tzw. INNOVA Całkowita kompensacja efektu przepompowywania! Obieg powrotny wewnętrzny; j max 1000 A/cm 2. Stabilność wyładowania lepsza niż dla rury z ceramiki BeO
Konstrukcje laserów jonowych Ar + i Kr + Laser Ar + chłodzony powietrzem dla zastosowań w poligrafii. Moc rzędu 100-200 mw na przejściu 488 nm.
Lasery atomowe na parach metali MVL Są to lasery wyłącznie impulsowe! Współczesne lasery Cu - moce średnie 500-2000 W z wzmacniaczami i kilka MW w impulsie
Wytwarzanie inwersji obsadzeń Dolne poziomy 2 D są metastabilne! Rozładowanie przez dyfuzję do ścianek - lasery I-szej generacji, obecnie przez zderzenia tzw. super-elastyczne z atomami Ne. Górne poziomy 2 P związane radiacyjnie z poziomem podstawowym konieczna wysoka temperatura i koncentracja par Cu dla uwięzienia tego promieniowania.
Układ zasilania lasera Cu Napięcia do kilkunastu kv, prądy do kilkuset A, czasy impulsów od kilkudziesięciu do paruset nsek. Elementy przełączające - tyratrony wodorowe o konstrukcji ceramiczno metalowej. Ich wytrzymałość jest ograniczona - wymieniane po 50-150 godz.
Parametry laserów He-Cu I-szej generacji Zależność mocy lasera od napięcia i temperatury rury Optymalna wartość średniej energii elektronów 3-5 ev. T e V 0 /lnt R V 0 T R
Parametry laserów He-Cu I-szej generacji Wpływ częstotliwości repetycji impulsów Optymalne f rep ok. 6 khz dla C 1 = 12 nf współczesne lasery nawet do 100 khz!
Parametry laserów He-Cu I-szej generacji Zależność mocy i sprawności lasera od pojemności kondensatora
Parametry laserów He-Cu I-szej generacji Zależność mocy lasera od ciśnienia He
Lasery Ne-Cu II-giej generacji a b a -przewidywany rozkład temperatury wewnątrz rury bez uwzględnienia efektu naskórkowego; b - gęstość mocy wewnątrz rury w obecności efektu naskórkowego.
Lasery Ne-Cu II-giej generacji Rozkład czasowo-przestrzenny promieniowania lasera Przewidywania rozwoju laserów MVL w 1985r
Parametry wiązek promieniowania laserów MVL - rozbieżność
Parametry wiązek promieniowania laserów MVL - rozbieżność
Konstrukcja lasera MVL
Laser Au w terapii foto-dynamicznej (onkologia) HpD - hematoporfiryna, HGBN - hemoglobina