Fizyka Laserów wykład 11 Czesław Radzewicz
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
domieszki metale przejściowe lantanowce
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
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) 13 6 0.8 dn/dt, 1/K 7 10-6 4.3 10-6 2 10-6 2 10-6 τ, ms 230 480 800 λ l, mm 1.064 1.047 1.059 σ, cm 2 1.8 10-19 2.4 10-19 Δν, cm -1 6 6 300
Nd:YAG struktura energetyczna Nd 3+
Nd:YAG Kryształy laserowe są pompowane światłem: inny laser lampa wyładowcza światło słoneczne???? widmo absorpcji kryształu Nd:YAG widmo fluorescencji kryształu Nd:YAG
aleksandryt (ang. alexandrite) BeAl 2 O 4 :Cr 3+ nasycający strumień energii ok. 40J/cm 2!
szafir (ang. Ti:Sapphire) Al 2 O 3 :Ti 3+ zakres strojenia 690-1060 nm! fs!
materiały z iterbem np. Yb 3+: YAG materiały z erbem EDA (Erbium Doped Amplifier) wzmacniacze i lasery światłowodowe bardzo mały defekt kwantowy
Nd:YAG pompowanie lampami błyskowymi lustro eliptyczne lampa błyskowa pręt laserowy
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
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 4 809 GaAlAs Nd:YLF 798 GaAlAs Cr:LiSAF 670 AlGaInP Yb:KYW 975 InGaAs
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)
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
pompowanie diodami, c.d. pompowanie poprzeczne
Komercyjne DPSSL (Diode-Pumped Solid State Laser)
Komercyjne lasery Nd:YAG pompowane lampami
Komercyjne lasery Nd:YAG pompowane lampami
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
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 2 + 1 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
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
lasery cienko-dyskowe pomysł realizacja techniczna chłodzenia realizacja techniczna pompowania
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)
lasery jedno-dyskowe, przykładowe osiągi Yb:YAG, praca (prawie)jednomodowa M 2 =1.6 Yb:YAG, praca wielo-modowa
lasery wielo-dyskowe, przykładowe osiągi
lasery w obszarze MID IR eye safe region
lasery MID przykładowy materiał Tm:YAG Tm:YAG fluorescence
lasery MID materiały z Ho 3+
lasery MID
lasery MID przykładowa konstrukcja