VI AKCJA LASEROWA. IFAiIS UMK, Toruń

Podobne dokumenty
FIZYKA LASERÓW. AKCJA LASEROWA (dynamika) TEK, IFAiIS UMK, Toruń

OPTOELEKTRONIKA II. Podstawy fizyki laserów

OPTOELEKTRONIKA. I Podstawy fizyki laserów

Modulatory. Bernard Ziętek

IV. Transmisja. /~bezet

PODSTAWY FIZYKI LASERÓW Wstęp

LASERY NA CIELE STAŁYM BERNARD ZIĘTEK

VI. Elementy techniki, lasery

Technika laserowa, otrzymywanie krótkich impulsów Praca impulsowa

Właściwości światła laserowego

II. WYBRANE LASERY. BERNARD ZIĘTEK IF UMK /~bezet

Lasery półprzewodnikowe. przewodnikowe. Bernard Ziętek

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Bernard Zi etek LASERY

Laboratorium Optyki Nieliniowej

OTRZYMYWANIE KRÓTKICH IMPULSÓW LASEROWYCH

III. Opis falowy. /~bezet

Fizyka Laserów wykład 6. Czesław Radzewicz

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Fotonika kurs magisterski grupa R41 semestr VII Specjalność: Inżynieria fotoniczna. Egzamin ustny: trzy zagadnienia do objaśnienia

2. Całkowita liczba modów podłużnych. Dobroć rezonatora. Związek między szerokością linii emisji wymuszonej a dobrocią rezonatora

Kształtowanie wiązki laserowej przez układy optyczne

Wprowadzenie do optyki nieliniowej

Różnorodne zjawiska w rezonatorze Fala stojąca modu TEM m,n

Fala jest zaburzeniem, rozchodzącym się w ośrodku, przy czym żadna część ośrodka nie wykonuje zbyt dużego ruchu

Bernard Ziętek OPTOELEKTRONIKA

Ośrodki dielektryczne optycznie nieliniowe

Niezwykłe światło. ultrakrótkie impulsy laserowe. Piotr Fita

Własności światła laserowego

Solitony i zjawiska nieliniowe we włóknach optycznych

GŁÓWNE CECHY ŚWIATŁA LASEROWEGO

Optyka. Optyka geometryczna Optyka falowa (fizyczna) Interferencja i dyfrakcja Koherencja światła Optyka nieliniowa

Oscylacyjna relaksacja

1. FALE ELEKTROMAGNETYCZNE: WŁASNOŚCI I PARAMETRY.

Rezonatory ze zwierciadłem Bragga

Wstęp do optyki i fizyki materii skondensowanej. O: Wojciech Wasilewski FMS: Mateusz Goryca

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

ZASADA DZIAŁANIA LASERA

n n 1 2 = exp( ε ε ) 1 / kt = exp( hν / kt) (23) 2 to wzór (22) przejdzie w następującą równość: ρ (ν) = B B A / B 2 1 hν exp( ) 1 kt (24)

Trzy rodzaje przejść elektronowych między poziomami energetycznymi

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Oscylator wprowadza lokalne odkształcenie s ośrodka propagujące się zgodnie z równaniem. S 0 amplituda odkształcenia. f [Hz] - częstotliwość.

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Optyczny dualizm przestrzenno-czasowy: zastosowania w optyce kwantowej

WYBRANE TECHNIKI SPEKTROSKOPII LASEROWEJ ROZDZIELCZEJ W CZASIE prof. Halina Abramczyk Laboratory of Laser Molecular Spectroscopy

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

/~bezet

CHARAKTERYSTYKA WIĄZKI GENEROWANEJ PRZEZ LASER

Oscylator wprowadza lokalne odkształcenie s ośrodka propagujące się zgodnie z równaniem. S 0 amplituda odkształcenia. f [Hz] -częstotliwość.

Optyka. Optyka falowa (fizyczna) Optyka geometryczna Optyka nieliniowa Koherencja światła

Oddziaływanie promieniowania X z materią. Podstawowe mechanizmy

Ponadto, jeśli fala charakteryzuje się sferycznym czołem falowym, powyższy wzór można zapisać w następujący sposób:

w obszarze linii Podziały z różnych punktów widzenia lasery oscylatory (OPO optical parametric oscillator)

Równania Maxwella. roth t

Moc wyjściowa laserów

Podstawy Akustyki. Drgania normalne a fale stojące Składanie fal harmonicznych: Fale akustyczne w powietrzu Efekt Dopplera

Optyka. Wykład V Krzysztof Golec-Biernat. Fale elektromagnetyczne. Uniwersytet Rzeszowski, 8 listopada 2017

Kwantowa natura promieniowania

Technika laserowa. dr inż. Sebastian Bielski. Wydział Fizyki Technicznej i Matematyki Stosowanej PG

Piotr Targowski i Bernard Ziętek GENERACJA II HARMONICZNEJ ŚWIATŁA

Feynmana wykłady z fizyki. [T.] 1.2, Optyka, termodynamika, fale / R. P. Feynman, R. B. Leighton, M. Sands. wyd. 7. Warszawa, 2014.

Sprzęganie światłowodu z półprzewodnikowymi źródłami światła (stanowisko nr 5)

Widmo fal elektromagnetycznych

OPTYKA KWANTOWA Wykład dla 5. roku Fizyki

Model oscylatorów tłumionych

Badanie dynamiki rekombinacji ekscytonów w zawiesinach półprzewodnikowych kropek kwantowych PbS

Pytania do ćwiczeń na I-szej Pracowni Fizyki

Autokoherentny pomiar widma laserów półprzewodnikowych. autorzy: Łukasz Długosz Jacek Konieczny

Polaryzatory/analizatory

Fala EM w izotropowym ośrodku absorbującym

1) REŻIM SYNCHRONIZACJI MODÓW 2) PRZEŁĄCZANIE DOBROCI (ANG.1)MODELOCKING, 2) Q-SWITCHING)

WSTĘP DO OPTYKI FOURIEROWSKIEJ

Dyspersja światłowodów Kompensacja i pomiary

Charakteryzacja telekomunikacyjnego łącza światłowodowego

Systemy transmisji o bardzo dużych zasięgach i przepływnościach Wykład 19 SMK

Podsumowanie W11. Nierównowagowe rozkłady populacji pompowanie optyczne (zachowanie krętu atom-pole EM)

Podstawy Akustyki. Drgania normalne a fale stojące Składanie fal harmonicznych: Fale akustyczne w powietrzu Efekt Dopplera.

Wykład 17: Optyka falowa cz.2.

Metody Optyczne w Technice. Wykład 5 Interferometria laserowa

Prędkość fazowa i grupowa fali elektromagnetycznej w falowodzie

Projekt FPP "O" Kosma Jędrzejewski

Przebieg sygnału w czasie Y(fL

Dr Piotr Sitarek. Instytut Fizyki, Politechnika Wrocławska

Podstawy Fizyki IV Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 2, Radosław Chrapkiewicz, Filip Ozimek

UNIWERSYTET MARII CURIE-SKŁODOWSKIEJ W LUBLINIE

- Strumień mocy, który wpływa do obszaru ograniczonego powierzchnią A ( z minusem wpływa z plusem wypływa)

Rozdział 5 5. Źródła światła w transmisji światłowodowej

Spektroskopia modulacyjna

Światło fala, czy strumień cząstek?

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Zjawisko interferencji fal

G ówne dzia y spektroskopii laserowej

Podsumowanie W9. Wojciech Gawlik - Wstęp do Fizyki Atomowej, 2003/04. wykład 12 1

Analiza właściwości filtra selektywnego

Optyka. Wykład XII Krzysztof Golec-Biernat. Dyfrakcja. Laser. Uniwersytet Rzeszowski, 17 stycznia 2018

M.A. Karpierz, Fizyka

Yuriy Stepanenko, Paweł Wnuk, and Czesław Radzewicz

SPEKTROSKOPIA IR I SPEKTROSKOPIA RAMANA JAKO METODY KOMPLEMENTARNE

LASERY I ICH ZASTOSOWANIE

Transkrypt:

VI AKCJA LASEROWA BERNARD ZIĘTEK, IFAiIS UMK, Toruń

Sekwencja wydarzeń w układzie lasera 1. Emisja spontaniczna 2. Inwersja obsadzeń 3. Wzmocniona emisja spontaniczna 4. Zwierciadło kieruje do wzmacniacza promienie przyosiowe (kolimacja) 5. Zmiana fazy fali na zwierciadle (węzeł) 6. Zwierciadło wyjściowe zawraca część promieniowania do wzmacniacza (dalsza kolimacja) 7. Zmiana faza fali na zwierciadle fala stojąca, mody 8. Przekroczenie progu AKCJA LASEROWA Bernard Ziętek 2

Próg akcji laserowej Warunek progowy Wzmocnienie progowe Czas życia fotonów -we wnęce pasywnej -we wnęce aktywnej Bernard Ziętek 3

Ponieważ Inwersja progowa Warunek Schawlowa - Townesa Bernard Ziętek 4

Model hydrauliczny Bernard Ziętek 5

Równania kinetyczne Do równań kinetycznych dodać równanie na gęstość fotonów we wnęce Bernard Ziętek 6

W przybliżeniu stacjonarnym (1) (2) z (1) gdzie Podstawiając do (2) gdzie Bernard Ziętek 7

Rozwiązanie (dodatnie) Przypadki zatem to Jeśli: V = 10cm 3, c = 3*10 10 cm/s = 10-20 cm 2 = 10-9 s = 5.77*10 9 to i czyli Bernard Ziętek 8

Bernard Ziętek 9

Mieliśmy (patrz Rezonatory ) Szerokość linii oraz zatem: dla rezonatora pasywnego dla rezonatora aktywnego Im większe wzmocnienie tym dłuższy efektywny czas życia fotonów we wnęce W schemacie czteropoziomowym Zatem Bernard Ziętek 10

Przestrzenne wypalanie dziur Pole we wnęce Powstaje fala stojąca Wzmocnienie Wydajność pompowania obniżona o ok. 30% Bernard Ziętek 11

Metody likwidacji przestrzennego wypalania dziur 1. 2. 1. Polaryzacja liniowa 2. Po przejściu przez ćwierćfalówkę Polaryzacja kołowa w ośrodku 3. Po przejściu przez drugą ćwierćfalówkę W ośrodku czynnym światło ma polaryzację kołową a Polaryzacja liniowa Bernard Ziętek 12

Optymalizacja pracy lasera Zapiszmy gdzie Ponieważ To maksymalna moc dla Bernard Ziętek 13

Bernard Ziętek 14

Lasery liniowe Bernard Ziętek 15

Bernard Ziętek 16

Lasery pierścieniowe W większości przypadków (również dla liniowych) Bernard Ziętek 17

Stabilizacja pracy laserów 1. Stabilizacja częstotliwości Wzorce atomowe Bernard Ziętek 18

2. Stabilizacja natężenia Bernard Ziętek 19

1. Oscylacje relaksacyjne Równania wyjściowe Dynamika laserów Załóżmy, że Zaniedbujemy wyrazy wyższego niż II rząd Bernard Ziętek 20

rozwiązanie gdzie Jeśli Generowane są impulsy zanikające Bernard Ziętek 21

Impulsy gigantyczne Pamiętamy, że Impuls gigantyczny szybka zmiana dobroci wnęki z małej na dużą Nadwyżka energii nad progową jest emitowana w postaci impulsu gigantycznego Bernard Ziętek 22

Metody Równania kinetyczne gdzie Bernard Ziętek 23

Rozwiązanie numeryczne Ponieważ Moc impulsu a i Bernard Ziętek 24

Cavity dumping (tłumienie dobroci wnęki) Bernard Ziętek 25

Synchronizacja modów podłużnych (mode locking) (interferencja światła o różnej częstotliwości) a). Synchronizacja modów podłużnych Dobroć wnęki (lub fazę) modulujemy z częstotliwością równą odwrotności T = L/2c (f = 1/T różnica częstotliwości między sąsiednimi modami) Ω = 2πf -Obraz częstościowy (ośrodki niejednorodnie poszerzone) Mod o częstości ω 0 wymusza oscylacje modów o częstościach ω 0 ±kω, wszystkie o takich samych fazach. Interferencja skutkuje powstaniem impulsu. - Obraz czasowy (ośrodki jednorodnie poszerzone) Z przypadkowych oscylacji laserowych zostaje wybrana jedna i jako impuls(y) porusza się w rezonatorze, ulegając modyfikacji Bernard Ziętek 26

Obraz częstościowy (Frequency- Domain Description) Modulujemy dobroć wnęki z częstością Po rozwinięciu Sumujemy pola wszystkich modów gdzie Bernard Ziętek 27

Przy braku synchronizacji Pole (amplitudy wszystkich modów są równe) Natężenie Bernard Ziętek 28

Synchronizacji z modulacja amplitudy Pole całkowite Natężenie Maksimum Czas trwania impulsu Bernard Ziętek 29

Synchronizacja z modulacją częstości gdzie Bernard Ziętek 30

Bernard Ziętek 31

Obraz czasowy (Time-Domain Description) (trudniejszy matematycznie) Synchronizacja fundamentalna modulator umieszczony na zwierciadle rezonatora (częstotliwość impulsów f = 2L/c) Synchronizacja harmoniczna modulator umieszczony -w połowie długości rezonatora (L/2) (częstość impulsów 2 x f) - L/3 od zwierciadła (częstotliwość impulsów f/3) Czas trwania impulsu = 1/szerokość pasma Bernard Ziętek 32

Metody synchronizacji 1. Aktywna modulatory elektrooptyczne, 2. Pasywna pompowanie synchroniczne, nasycający się absorber, optyczny efekt Kerra. Samosynchronizacja Bernard Ziętek 33

b). Synchronizacja modów poprzecznych Częstość modów rezonatora sferycznego Natężenia pola Natężenie światła Różnica częstości między modami rząd 100 MHz Bernard Ziętek 34

Bernard Ziętek 35

Impulsy femtosekundowe Ograniczenia w uzyskiwaniu krótszych impulsów: -pasmo emisji, -dyspersja ośrodka i elementów lasera, -długość fali Bernard Ziętek 36

Bernard Ziętek 37

Dyspersja i jej kompensacja It has been proven that the signal velocity is exactly equal to c, if we assume the observer to be equipped with a detector of infinite sensivity, and this is true for normal and anomalous dispersion, for isotropic or anisotropic medium, that may or not contain coductions electron. The signal has absolutely nothig to do with the phase velosity. L. Brillouin, Wave Propagation and Groupe Velocity, Academic Press, New York, 1960 Prędkość światła: - prekursory Brouilloina i Somerfelda -prędkości nadświetlne - prędkość fazowa a grupowa impuls światła Bernard Ziętek 38

Dyspersja: - normalna i anomalna - dodatnia i ujemna Przesunięcie fazy na drodze L W ośrodkach dyspersyjnych Najczęściej stosuje się (wzór Sellmeiera) Stałe Bernard Ziętek 39

Dyspersja SiO 2 Bernard Ziętek 40

Impuls światła w dielektryku Zakładamy impuls gaussowski Widmo na drodze z zmienia się i Z rozwinięcia Taylora gdzie i Bernard Ziętek 41

Po podstawieniu Ewolucja w czasie impulsu z transformacji Fouriera Czyli gdzie Prędkość fazowa Prędkość grupowa Bernard Ziętek 42

Ponieważ to oraz Dyspersja prędkości grupowej ale Zależy od krzywizny dyspersji Bernard Ziętek 43

Ponieważ to zależy od częstości przez k Zapiszmy gdzie Czyli w równaniu impulsu Część rzeczywista jest gaussowska, ale poszerzona Cześć urojona jest kwadratowa Bernard Ziętek 44

Niech Częstość chwilowa Z częstością kwadratową Częstość chwilowa Zmienia się liniowo w czasie - świergot Bernard Ziętek 45

, -prędkość grupowa Opóźnienie składowych o różnych częstościach na jednostkę częstości Dyspersja prędkości grupowej Współczynnik dyspersji materiałowej Bernard Ziętek 46

Dyspersja opóźnienia grupowego Poszerzenie impulsu gaussowskiego o szerokości w ośrodku dyspersyjnym Świergot impulsu (ang. chirping pulse) Bernard Ziętek 47

Metody kompensacji dyspersji 1. Pryzmaty L P droga optyczna Kąty są małe i drugi czynnik może dominować ujemna dyspersja Bernard Ziętek 48

2. Siatki dyfrakcyjne Droga optyczna w funkcji czestości Dyspersja zawsze ujemna! Bernard Ziętek 49

Dyspersja opóźnienia grupowego -zerowa -dodatnia rozszerzacz -ujemna kompresor Bernard Ziętek 50

3. Siatki Bragga Bernard Ziętek 51

Kompresja impulsów Bernard Ziętek 52

Generatory Kompresor 1. Barwnikowy 2. Tytanowo - szafirowy Zwierciadło wyjściowe Dopas owanie długości wnęki Ośrodek cz ynny Pompowanie Kompensator dyspers ji Zwierciadło Dopasowan ie dyspersji Bernard Ziętek 53

Autokorelatory Bernard Ziętek 54

Dwufotonowa fluorescencja Bernard Ziętek 55

1. FROG Diagnostyka impulsów femtosekundowych a) Koncepcja: wykonać równocześnie widmo kolejno fragmentów impulsów i funkcji autokorelacji. Otrzymujemy: -kształt impulsu w czasie - informacje o zmianie fazy w czasie b) Realizacja Bernard Ziętek 56

Bernard Ziętek 57

2. SPIDER Bernard Ziętek 58

Wzmacnianie impulsów femtosekundowych Rozszerzacze impulsów w czasie Kompresory Bernard Ziętek 59

Wzmacniacze regeneratywne Bernard Ziętek 60

Kontrola kształtu impulsu Modulator liniowy w płaszczyźnie Fouriera LC-SLM Bernard Ziętek 61

Impulsy attosekundowe (10-18 s) Impuls femtosekundowy ( kula o wymiarach μm, gęstości mocy 10 15 W/cm 2 i amplitudzie 10 9 V/cm) oddziałuje z atomami gazu. Pole świetlne zmienia kształt barier potencjału i elektron staje się quasi-swobodny. W polu nabywa ogromnej energii kinetycznej, która jest wyzwalana w akcie rekombinacji w postaci harmonicznych wysokich rzędów. Bernard Ziętek 62

W widmie harmonicznych: -plateau, -energia odcięcia. Harmoniczne (nawet powyżej 50-tego rzędu) interferują powstają impulsy attosekundowe, które pokrywają obszar spektralny setek ev. Diagnostyka możliwa dzięki jonizacji gazu przez impulsy attosekundowe i pomiar rozkładu fotoelektronów spektrometrem elektronowym (technika RABBITT, FROG CRAB). Rekord: ok. 250 as Zastosowania: 1. badanie dynamiki rdzeniowych elektronów w atomach, 2. spektroskopia plazmy, 3. fluorescencja rentgenowska, 4. badanie dynamiki cząsteczek biologicznie ważnych np. DNA, białka itd. Bernard Ziętek 63