Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki WYDZIAŁ ELEKTRONIKI i TECHNIK INFORMACYJNYCH POLITECHNIKA WARSZAWSKA ul. Koszykowa 75, 00-662 Warszawa Konstrukcja i parametry lasera argonowego Przygotowali: dr inż. Piotr Warda dr inż. Wojciech Kamiński Warszawa 2011
Spis treści 1. Wstęp 3 2. Wzmacniacz kwantowy 4 2.1. Emisja spontaniczna i wymuszona 4 2.2. Inwersja obsadzeń, wzmacnianie promieniowania 4 2.3. Inwersja obsadzeń w układzie trójpoziomowym 5 2.4. Inwersja obsadzeń w układzie czteropoziomowym 6 3. Efekt nasycenia wzmocnienia 7 4. Podstawy działania lasera argonowego 8 4.1. Wprowadzenie 8 4.2. Konstrukcja lasera argonowego 8 4.3. Osiowe pole magnetyczne 10 4.4. Uzyskiwanie inwersji obsadzeń w laserze argonowym 10 4.5. Przestrajanie generowanej długości fali 12 5. Zakres ćwiczenia 13 Literatura 13 2
1. Wstęp Laser jest kwantowym generatorem promieniowania elektromagnetycznego. Idea działania laserów jest analogiczna z zasadą działania klasycznych generatorów. Wspólne są także podstawowe bloki funkcjonalne obu typów generatorów. Wzmacniacz (kwantowy) Pętla sprzężenia zwrotnego Układ zasilania Wzmacniacz Pętla sprzężenia zwrotnego Rys. 1. Ogólny schemat klasycznego generatora Możliwość uzyskania niegasnących oscylacji warunkowana jest: Uzyskaniem identycznej amplitudy sygnału po przejściu wzmacniacza i pętli sprzężenia zwrotnego. Sytuacja taka wystąpi, jeżeli wartość wzmocnienia wzmacniacza będzie równa poziomowi strat, z uwzględnieniem strat związanych z wyprowadzaniem generowanego sygnału. Jest to: amplitudowy warunek generacji. Otrzymaniem identycznej fazy sygnału (dla danej częstotliwości), po przejściu wzmacniacza i pętli sprzężenia zwrotnego, uwzględniając przesunięcia fazowe wprowadzane przez wzmacniacz i sprzężenie zwrotne. Jest to: Fazowy warunek generacji. Oba warunki muszą zostać jednocześnie spełnione, aby możliwa była generacja. Kwantowy generator promieniowania bazuje na wzmacniaczu kwantowym i sprzężeniu zwrotnym. Sprzężenie zwrotne najczęściej realizuje się rezonatorem Fabry-Perota, przez ustawione równolegle względem siebie zwierciadła. Jedno z nich ma określoną transmisję promieniowania tworząc wyjście generatora kwantowego. Wzmacniacz kwantowy zbudowany jest z ośrodka aktywnego oraz odpowiedniego systemu dostarczania energii, który jest odpowiednikiem układu zasilania w klasycznym wzmacniaczu. Wzmacniacz kwantowy posiada inny mechanizm wzmacniania niż wzmacniacze w klasycznych generatorach. 3
2. Wzmacniacz kwantowy 2.1. Emisja spontaniczna, emisja wymuszona, absorpcja promieniowania Rozpatrzmy układ poziomów energetycznych pomiędzy którymi możliwe jest przejście promieniste, poziom o wyższej energii E g oraz niższej energii E d a) b) c) E g E g E g hν hν hν hν hν E d E d E d Rys. 2. Procesy zachodzące miedzy dwoma poziomami energetycznymi: a) proces emisji spontanicznej; b) proces absorpcji; c) proces emisji wymuszonej Jeżeli atom (jon) zostanie wzbudzony do poziomu energetycznego E g to ponieważ układ fizyczny dąży do zajęcia stanu o najniższej z możliwych energii to zostanie wypromieniowany kwant energii o częstotliwości ν, jest to zjawisko emisji spontanicznej (rys. 2a). Jeżeli to promieniowanie padnie na atom (jon) w niższym stanie energetycznym E d, to nastąpi absorpcja promieniowania i przejście atomu (jonu) do stanu o wyższej energii E g. Jeżeli kwant promieniowania trawi na atom (jon) będący w wyższym stanie energetycznym E g to wystąpi zjawisko emisji wymuszonej tzn. wypromieniowanie kwantu promieniowania hν zainicjowanego przez inny foton. 2.2. Inwersja obsadzeń i wzmacnianie promieniowania Rozważmy ośrodek w którym znajduje się N atomów (jonów). Stanem inwersji obsadzeń poziomów energetycznych nazywamy sytuację kiedy koncentracja atomów (jonów) będących w wyższym poziomie energetycznym N g jest większa niż w niższym stanie energetycznym N d. Padające na taki układ promieniowanie ulega częściowo absorpcji, ale może także powodować akty emisji wymuszonej. Ponieważ po akcie absorpcji zachodzi proces emisji spontanicznej to makroskopowo, jeżeli istnieje mechanizm powodujący stan inwersji obsadzeń w ośrodku to ilość aktów emisji wymuszonej przeważa nad liczbą aktów absorpcji. W konsekwencji taki ośrodek realizuje wzmocnienie padającego na niego promieniowania. 4
2.3. Inwersja obsadzeń w układzie trójpoziomowym Stan inwersji obsadzeń w populacji można uzyskać wtedy, jeżeli obsadzanie wyższego poziomu g można uzyskiwać dodatkowo w inny sposób niż przez absorpcję z poziomu dolnego d.(rys. 3) 3 g 2 akcja laserowa d 1 Rys. 3. Inwersja obsadzeń i akcja laserowa w układzie trójpoziomowym Potrzebujemy trzeciego poziomu energetycznego, który umożliwi uzyskiwanie atomów w stanie N g i oczywiście odpowiedniego sposobu na wzbudzanie ośrodka do tego poziomu energetycznego. Najczęściej realizowane jest to przez tzw. pompowanie optyczne czyli oświetlanie ośrodka promieniowaniem o odpowiedniej długości fali skorelowanej z położeniem tego dodatkowego poziomu. W jaki sposób otrzymamy stan inwersji między poziomami g i d? Jeżeli szybkość pompowania ośrodka (ilość wzbudzeń w jednostce czasu) będzie niewystarczająca, żeby zmniejszyć koncentrację atomów (jonów) będących w niższym stanie energetycznym do wartości poniżej 50% to na pewno nie będziemy mogli uzyskać stanu inwersji obsadzeń. Natomiast, jeżeli spełnimy ten warunek to uzyskanie inwersji obsadzeń zależeć będzie od relacji czasów życia poziomu g i poziomu 3. Im krótszy będzie czas życia poziomu 3, w stosunku do poziomu g, tym mniejsze jego obsadzenie, a wyższa wartość N g. W konsekwencji przy odpowiednio dużym stosunku tych czasów życia, niewielkie zmniejszenie (poniżej 50 %), koncentracji w poziomie N d powoduje uzyskanie koncentracji N g większej niż N d. Przy mniej korzystnej tej relacji, opróżnienie poziomu N d musi być zdecydowanie większe, co oczywiście wymaga znacznego zwiększenia pompowania ośrodka, aż do granicznych wartości mocy pompujących. 5
2.4. Inwersja obsadzeń w układzie czteropoziomowym Stan inwersji można także otrzymać w układach o większej liczbie poziomów energetycznych. Przeanalizujmy układ składający się z czterech poziomów. Między poziomami g i d możliwe jest przejście promieniste. 4 g 3 d 2 akcja laserowa 1 Rys. 4. Inwersja obsadzeń i akcja laserowa w układzie czteropoziomowym Jaki mechanizm pozwala na uzyskanie w populacji składającej się z N atomów (jonów) uzyskać stan w którym N g >N d? Zapewnijmy niewielką szybkość pompowania ośrodka, powodującą nieznaczne zmniejszenie koncentracji na poziomie 1. Obsadzenie poziomów 4, g i d jest zależne od czasów życia poziomów, im dłuższy czas życia tym większa koncentracja atomów (jonów) na danym poziomie energetycznym. Najczęściej τ 4 <τ g <τ d <<τ 1, wobec czego N 4 <N g <N d <<N 1 co jest zgodne z boltzmanowskim stanem obsadzeń w atomach. Istnieją układy poziomów energetycznych w których relacja czasów życia spełnia warunek τ g >τ d. Wobec czego nawet przy niewielkim zmniejszeniu koncentracji na poziomie 1, wystąpi stan inwersji obsadzeń N g >N d. Krótki czas życia poziomu 4 owocuję niewielkim obsadzeniem tego poziomu, co przy tej samej szybkości pompowania wpływa na zwiększenie poziomu inwersji. Zasadniczą różnicą w obu mechanizmach jest to, że w układzie czteropoziomowym nie wymaga się dużych mocy pompujących i o ile istnieje odwrócenie czasów życia to powstanie stan inwersji obsadzeń. Oczywiście im większa moc pompująca (szybkość pompowania) tym większy stopień inwersji obsadzeń. 6
3. Efekt nasycenia wzmocnienia Wzmacniacz kwantowy charakteryzuje tzw. nienasycony współczynnik wzmocnienia g 0 zależny od szybkości pompowania ośrodka. Jeżeli wzmacniacz taki zostanie zamknięty pętlą sprzężenia zwrotnego i spełnione zostaną warunki generacji, to musi dojść do obniżenia wzmocnienia wzmacniacza. Zjawisko to nazywamy nasyceniem wzmocnienia i jest ono charakterystyczne dla wszystkich generatorów samowzbudnych. Ponieważ, generacja zaczyna się z szumu (aktów emisji spontanicznej w ośrodku), kolejne przejścia przez wzmacniacz zwiększają amplitudę fali. Istnienie stałej wartości wzmocnienia prowadziłoby do ogromnego wzrostu natężenia promieniowania. Ograniczeniem tego wzrostu jest wydajność układu dostarczania energii do ośrodka aktywnego. Wzmocnienie zmniejsza się, aż osiągnie poziom strat pętli sprzężenia. Jest to intuicyjnie wyczuwalne, ponieważ dalsze jego zmniejszenie powodowałoby zerwanie generacji z powodu niespełnienia amplitudowego warunku generacji. W konsekwencji laser generuje moc wyjściową, odpowiadającą takiej amplitudzie fali we wzmacniaczu która obniża - nasyca wzmocnienie do poziomu strat. Zjawisko obniżania się wzmocnienia wywołuje bezpośrednio: zmniejszenie koncentracji górnego poziomu laserowego na skutek emisji wymuszonej, zwiększenie obsadzenia dolnego poziomu na skutek absorpcji promieniowania do tego poziomu Dla tzw. poszerzenia jednorodnego linii widmowej zależność wzmocnienia g w stosunku do natężenia promieniowania w rezonatorze I przedstawia zależność: go g = I 1+ I S gdzie: g o - wzmocnienie nienasycone I S - parametr nasycenia 7
4. Podstawy działania lasera argonowego 4.1. Wprowadzenie Laser argonowy należy do grupy gazowych laserów jonowych. Ośrodek aktywny tworzą jony argonu. Laser argonowy może pracować w sposób ciągły (CW) i generuje kilkanaście linii widmowych w krótkofalowej części widma widzialnego. Jest najsilniejszym źródłem promieniowania w tym zakresie (do 25 W). 4.2. Konstrukcja lasera argonowego Osiągnięcie takich mocy wyjściowych wymaga zbudowania bardzo wydajnego źródła jonów argonu oraz zapewnienia dużych ich koncentracji w stanie wzbudzonym. Ośrodek aktywny tworzy się wykorzystując łukową niskociśnieniową lampę wyładowczą, a ponieważ wzmocnienie ośrodka jest wprost proporcjonalne do jego długości [%/m], najczęściej długość rury laserowej (odległość elektrod) ograniczona jest ze względu na układ zasilania. Zasilacz lampy wyładowczej pracuje jako źródło prądowe, ze względu na charakterystykę prądowo-napięciową wyładowania łukowego. Średnica kapilary wyładowczej waha się od 2 do 3 mm. Prąd wyładowania łukowego ogranicza się do wartości bezpiecznej dla lampy wyładowczej i w obecnie produkowanych laserach może dochodzić do 60 A. Ponieważ odległość elektrod jest dość duża od 500 do 800 mm, to napięcie na lampie osiąga do 400 V. W konsekwencji moc elektryczna wydzielana w rurze laserowej dochodzi do 25 kw. Tak ogromne obciążenia cieplne rury laserowej oraz bardzo duży prąd wyładowania wymagają wyrafinowanej konstrukcji lampy wyładowczej oraz zastosowania chłodzenia wodnego rury laserowej. Oprócz wydajnego chłodzenia rurę powinna cechować maksymalnie duża radialna przewodność cieplna. Rys. 5. Przekrój i fragmentu obszaru aktywnego rury laserowej. Dużą przewodność zapewniają segmenty wykonane z miedzi. Właściwą kapilarę wyładowczą tworzą ustawione idealnie osiowo cienkie krążki wolframowe, przylutowane do segmentów miedzianych. Poszczególne segmenty przylutowane zostały do rury z ceramiki alundowej i są od siebie odizolowane. Woda chłodząca opływa ceramikę ograniczając wzrost temperatury i odbiera wydzielające się ciepło. 8
rura ceramiczna segment Cu miseczka Cu anoda okienko Brewstera złącze próżnioszczelne In Rys. 6. Schemat anodowej części rury laserowej i widok zespołu metalowych elementów anodowych okienko Brewstera przepust prądowy katoda impregnowana rura ceramiczna złącze próżnioszczelne In złącze próżnioszczelne CF Rys. 7. Schemat podzespołów w katodowej części rury laserowej zawór dozujący gettery złącze CF przepust prądowy złącze In rurka pompowa Rys.8. Widok rury laserowej wraz z zespołem getterów i zaworów dozujących przygotowanej do umieszczenia na próżniowym stanowisku pomiarowym 9
Rura laserowa wypełniona jest spektralnie czystym argonem pod ciśnieniem około 0,1 Tr. (Ciśnienie atmosferyczne 760 Tr). Niestety, jak łatwo oszacować sprawność lasera argonowego jest bardo mała, aby uzyskać 16 W mocy wyjsiowej potrzeba około 20 kw mocy zasilania co w konsekwencji daje około 0,08 % (16 W/20 kw) sprawności energetycznej. 4.3. Osiowe pole magnetyczne Obszar aktywny lasera (Rys. 5), składa się z bardzo cienkich (względem długości rury) krążków wolframowych. Wobec czego brak jest praktycznie mechanicznego ograniczenia plazmy wyładowania, w odróżnieniu od kapilar ciągłych gdzie to ścianki uniemożliwiają ucieczkę plazmy. Jedyną możliwością utrzymania plazmy w obszarze czynnym lasera (w obszarze wiązki) jest zastosowania poosiowego pola magnetycznego. Pole takie nie ma wpływu na ruch ładunków elektrycznych wzdłuż osi rury, ale znacząco utrudnia ruch (głównie elektronów) prostopadle do osi rury. Elektrony wirują wokół linii pola magnetycznego (efekt cyklotronowy). W konsekwencji gęstość plazmy na osi spada bardzo nieznacznie, a taki laser musi bezwzględnie pracować z polem magnetycznym, bo to ono tworzy ścianki kapilary. Zwiększanie wartości pola zwiększa koncentrację jonów na osi wyładowania, a więc zwiększa wzmocnienie ośrodka. Z drugiej jednak strony zmniejsza się temperatura elektronowa (energia elektronów), zmniejszając szybkość jonizacji i wzbudzania ośrodka. Istnienie dwóch przeciwstawnych mechanizmów musi zaowocować powstaniem wartości optymalnej pola magnetycznego. Pole magnetyczne wytwarza cewka nawinięta na karkas będący zewnętrzną ścianką dla wody chłodzącej rurę wyładowczą. 4.4. Uzyskiwanie inwersji obsadzeń w laserze argonowym Nazwa grupy lasery jonowe determinuje fakt, że ośrodkiem aktywnym są jony argonu. Przy braku prądu wyładowania w laserze znajdują się atomy Ar (3p 6 ), a więc w pierwszym etapie musimy zapewnić odpowiedni stopień jonizacji argonu. Jony powstają w plazmie wyładowania na skutek zderzeń elektronów, rozpędzonych w polu elektrycznym, z atomami argonu. Żeby doszło do jonizacji, a nie tylko do wzbudzenia atomu, to elektron musi posiadać energię większą od energii jonizacji danego pierwiastka. Powstałe jony argonu (3p 5 ) mogą zostać przez kolejne zderzenia wzbudzone do poziomów (3p 4 4s, 3p 4 4p itd.). 3p 4 4p g 3p 4 4s d Akcja laserowa 3p 5 Jonizacja 3p 6 Rys. 9. Inwersja obsadzeń i akcja laserowa w laserze argonowym 10
Ponieważ przejście z poziomu 3p 4 4p do stanu podstawowego jonu 3p 5 jest zabronione, następuje przejście promieniste do stanu 3p 4 4s, a następnie kolejne przejście promieniste do stanu podstawowego jonu 3p 5. Ponieważ czas życia poziomu 4p wynosi τ g około 9 ns, natomiast τ d około 0,36 ns, to w ośrodku aktywnym koncentracja jonów wzbudzonych do poziomu 4p jest zdecydowanie większa niż wzbudzonych do poziomu 4s. W konsekwencji otrzymujemy stan inwersji obsadzeń pomiędzy tymi poziomami oraz odpowiednie wzmocnienie ośrodka. Należy uwzględnić fakt, że poziomy 3p 4 4p i 3p 4 4s są rozszczepione na blisko siebie leżące podpoziomy opisane kolejnymi stanami kwantowymi, co w konsekwencji daje szereg możliwych kombinacji przejść i co za tym idzie kilkanaście linii generowanych przez laser argonowy. E [10 3 cm -1 ] 4p 2 S 0 1/2 160 4p 2 P 0 3/2 1/2 4p 2 D 0 4p 4 D 0 3/2 5/2 3/2 5/2 150 140 4s 2 P 1/2 3/2 Rys. 10. Przejścia laserowe w jonie argonu 11
4.5. Przestrajanie generowanej długości fali a) b) Rys. 11. Zdjęcie uchwytu zwierciadła laserowego (a) i układu zwierciadło+ pryzmat dla pracy z selekcją linii laserowych (b) a) b) λ 0 λ 1 >λ 0 φ Rys. 12: Zasada przestrajania lasera z wykorzystaniem pryzmatu Brewstera. Jak wynika z rysunku (Rys. 10) laser argonowy z rezonatorem zaopatrzonym w dwa zwierciadła generuje zestaw linii widmowych. Możliwe jest wymuszenie pracy tylko na jednej z linii. W tym celu należy zwierciadło zerowe (Rys. 11a) zastąpić zestawem pryzmat zwierciadło (Rys. 11b). Dla danego ustawienia tego uchwytu tylko jedna długość fali będzie, po trawieniu na pryzmat, wracała po tej samej drodze (Rys. 12a). Jeżeli zmienimy ustawienie uchwytu to warunek ten będzie spełniała inna długość fali (Rys. 12b). W konsekwencji możemy użyć tego mechanizmu do wymuszenia generacji na wybranej linii lasera argonowego. 12
5. Zakres ćwiczenia 1. Zapoznanie z budową i podstawowymi elementami stanowiska. 2. Obserwacja doświadczeń związanych z właściwościami generacji laserowej, wnioski. 3. Badanie warunków pracy lasera na wszystkich liniach widmowych: - pomiar zależności mocy wyjściowej lasera od prądu wyładowania, - pomiar zależności mocy wyjściowej lasera od indukcji pola magnetycznego, - określenie optymalnych warunków pracy. 4. Badanie warunków pracy lasera z selekcją linii widmowych: - pomiar zależności mocy wyjściowej lasera od prądu wyładowania dla poszczególnych linii, - identyfikacja generowanych linii, określenie prądów progowych. 5. Analiza otrzymanych wyników. Literatura: 1. Adam Kujawski, Paweł Szczepański Lasery podstawy fizyczne. 2. Franciszek Kaczmarek Wstęp do fizyki laserów. 3. Franciszek Kaczmarek Podstawy działania laserów. 13