Metody Optyczne w Technice Wykład 5 Lasery i światłowody
Laser Laser to urządzenie, które wzmacnia lub zwiększa natężenie światła tworząc silnie ukierunkowaną wiązkę o dużym natężeniu która zwykle ma bardzo czystą częstotliwość i długość fali. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Wzmocnienie światła przez emisję wymuszoną promieniowania
Zastosowanie Odtwarzacze płyt kompaktowych Podstawowy komponent optycznych systemów komunikacyjnych Cięcie, obróbka cieplna, czyszczenie, usuwanie materiałów w przemyśle i medycynie Celowniki broni palnej, systemów naprowadzania rakiet Dalmierze Czytniki kodów w sklepach Produkcja układów scalonych
Zasada działania lasera gazowego
Ośrodki laserujące Atomy Hel-Neon (HeNe), Argon, Hel-Kadm (HeCd), pary miedzi (CVL) Cząsteczki dwutlenek węgla, lasery ekscymerowe (ArF, KrF), azot Ciecze Barwniki organiczne rozpuszczone w cieczach Dielektryczne ciała stałe Atomy neodymu w granacie itrowo-aluminiowym (Nd:YAG) lub w szkle (Nd:glass) Półprzewodniki Arsenek galu, fosforek indu i różne mieszaniny domieszek w tych i innych półprzewodnikach
Stan wzbudzony
Emisja wymuszona
Akcja laserowa Absorpcja N I I e 21 1 0 L Emisja wymuszona N I I e 21 2 0 L Akcja laserowa N N 2 1 1
Inwersja obsadzeń W laserach gazowych inwersję obsadzeń (więcej atomów w stanie wzbudzonym niż podstawowym) uzyskujemy przez przyłożenie napięcia wzdłuż rury z rozrzedzonym gazem
Lasery półprzewodnikowe Złącze n (nadmiar elektronów) p (nadmiar dziur) Przepływający prąd przepycha elektrony które łącząc się (rekombinując) z dziurami powodują emisję światła i inwersję obsadzeń. Przy zbyt niskich prądach inwersja nie następuje, lecz emisja światła tak Light Emiting Diode (LED) Wysokie prądy powodują powstanie dużych ilości ciepła!
Warunki powstania akcji Inwersja obsadzeń laserowej Wysoki przekrój czynny Długa droga światła w ośrodku czynnym (lustra)
Szerokość widmowa Szerokość widmowa zależy od tego jaki zakres energii fotonów wymusza emisję kolejnych fotonów Zależy to m.in. od długości życia stanów wzbudzonych, oddziaływań i odległości międzyatomowych
Pompowanie ośrodka Pompowanie elektronami gaz, półprzewodniki, pompowanie impulsowe lub ciągłe Pompowanie optyczne ciecze, ciała stałe, lampy błyskowe, inne lasery,
Właściwości wiązki laserowej Kierunek i rozbieżność wiązki Profil wiązki Długość fali i częstotliwość światła w obszarze widma ośrodka Są określone przez zwierciadła lasera, tj. Krzywizna Jakość powierzchni Współczynnik odbicia Odległość i położenie Różne właściwości światła danego lasera nazywamy jego modami
Kształt ośrodka Zadaniem konstrukcji lasera jest zgromadzenie światła które normalnie emitowane jest we wszystkich kierunkach i wzmocnienie go w jednym kierunku Ośrodki formowane są więc w formie wydłużonej w jednym z kierunków, zaś na końcach umieszcza się zwierciadła
Wzrost wiązki i nasycenie W ciągu jednego przejścia przez ośrodek wiązka jest wzmacniana 0,02 10 razy w zależności od lasera, jest to za mało na produkcję wiązki laserowej o odpowiedniej mocy przejść musi być wiele aż do nasycenia Wiązka przechodzi od 2 razy (lasery barwnikowe) do 500 razy (lasery HeNe) Nasycenie pojawia się gdy wiązka wzrośnie ok. e 12 (-1,6 x 10 5 ) razy. Jedno ze zwierciadeł w części przepuszcza światło w wyniku czego wycieka ono jako wiązka laserowa
Podłużne mody wnęki Aby układ światła był stabilny między zwierciadłami musi wytworzyć się fala stojąca Oznacza to, że między zwierciadłami mieści się całkowita liczna połówek fali W jednej wnęce mogą być fale o różnych częstotliwościach - mody
Mody poprzeczne Światło może też podróżować w lekko innych kierunkach niż oś rezonatora Fala stojąca musi więc wytworzyć się także w kierunku poprzecznym mody poprzeczne Stabilność wnęki rezonansowej
Właściwości laserów Kolimacja promienie światła są równoległe, laser tworzy wiązkę o dużym stopniu kolimacji Poziomowanie konstrukcji i terenu Dopasowywanie rur Przesyłanie światła na duże odlełości Wskaźniki laserowe
Właściwości laserów Monochromatyzm czystość barwy (częstotliwości ) światła, niska szerokość widmowa wiązki Wiązki jednomodowe Stabilne zwierciadła i cała wnęka
Właściwości laserów Koherencja (spójność) długość lub czas trwania części wiązki, która ma stałe różnice faz (jest w fazie ) Tylko spójne fragmenty wiązki mogą interferować Często dzieli się wiązkę na dwie części, które interferują ze sobą
Natężenie i radiancja Natężenie to moc lasera podzielona przez powierzchnię przekroju wiązki Niezwykle ważny parametr obok długości fali) w kontekście spawania, cięcia, obróbki cieplnej, chirurgii laserowej Radiancja jest parametrem, który zawiera natężenie i bierze pod uwagę kąt rozbieżności wiązki
Ogniskowalność to zdolność skupienia wiązki w bardzo małą plamkę Ważny parametr w kontekście np. odtwarzaczy płyt kompaktowych d min. 4 F /# Zazwyczaj wiązki laserowe dają się ogniskować do ok. 0,1 0,2 mm
Laser HeNe Pierwszy laser gazowy Długość fali 632,8 nm Rzadko używane 543,5 nm i kilka linii w podczerwieni Praca ciągła, moc 1 100 mw Długość rezonatora 10-100cm
Argonowi i kryptonowy ( jonowy) Szeroki zakres długości fal ze światła widzialnego i nadfioletu (UV) (275-686 nm) Moc nawet dziesiątek watów Bardzo niska wydajność
Helowo-kadmowy (HeCd) Praca ciągła w długościach dali 441,6 nm oraz 325 i 354 nm Moc 20 200 mw Długość rezonatora 40 100 cm
Laser na parach miedzi (CVL) Długość fali 510 nm (zielona) i 578 nm (żółta) Moc do 100 W Praca impulsowa z częstością powtarzania 40 khz i impulsen długości 10-50 ns.
Laser na dwutlenku węgla Długość fali ze średniej podczerwieni 10,6 μm Praca ciągła z mocą 100kW Praca impulsowa z energią impulsu 10 kj Duża (do 30%) sprawność zamiany energii elektrycznej w światło
Lasery ekscymerowe Posiadają mieszankę gazów szlachetnych takich jak argon, krypton, xenon z rektywnym gazem takim jak fluorek czy chlorek Długości fal 193 nm (ArF), 248nm (KrF), 308 nm (XeCl) i 351 nm (XeF) Praca impulsowa, impulsy 10-50 ns o mocy 0,2-1 J z częstotliwością repetycji 1 khz Powszechnie używane w chirurgii
Barwniki organiczne Duża dostrajalność długości fali, 320-1500nm w zależności od użytego barwnika Praca ciągła (kilka watów) Praca impulsowa (50-100 mj/impuls) Ultrakrótkie impulsy (nawet 5 fs)
Laser rubinowy Długość fali 694 nm Pierwszy laser pokazany w ogóle Zawiera krystaliczny szafir domieszkowany atomami chromu (0,05%) Mało efektywny i praktycznie nieużywany
Laser Nd:YAG Długośc fali 1,06 μm Pompowanie optyczne lampami błyskowymi lub innymi laserami (szczególnie półprzewodnikowymi na arsenku galu) Praca ciągła o mocy 250W Praca impulsowa o energii 1 J/impuls
Laser tytanowy na szafirze (TI:szafir) Laser o szerokim widmie i możliwościach przestrajania Długość fali 660-1180nm Krótie impulsy w pracy impulsowej Pompowany optycznie przez laser argonowy lub Nd:YAG (druga harmoniczna)
Laser erbowy światłowodowy Długość fali 1,4-1,6 μm Można wprząść w zwykły telekomunikacyjny światłowód Używany jako wzmacniacz światłowodowy
Lasery półprzewodnikowe Małe, bardzo sprawne (dużo mniejsze niż 1 mm) Długości fal od 375nm do 3,3μm Wnęka rezonanasowa ma przekrój poprzecznyw kształcie prostokąta (ok. 2 μm x 10 μm). Tak małe rozmiary powodują dużą rozbieżność wiązki Niskie zużycie prądu, mała koherencja wiązki Powszechnie stosowane w telekomunikacji
przerwa
Światłowody Narodziny komunikacji światłowodowej związane były z produkcją włókien optycznych o niskiej tłumienności oraz laserów działających w temperaturze pokojowej Obecnie światłowody mają praktycznie zerowe straty i prawie nieskończoną szerokość widma Poza telekomunikacją światłowody używane są w czujnikach optycznych.
Telekomunikacja Komunikacja tworzy potrzebę przesłania informacji (mowy, obrazu, danych) z jednego punktu do drugiego. Nośnikiem infromacji stała się modulowana fala elektromagnetyczna (radiowa, mikrofala, światło) Ilość informacji która może zostać przesłana rośnie wraz z częstotliwością przenoszącej ją fali
Fotofon Grahama Bella
Komunikacja światłowodowa Odległość między wzmacniaczami sygnału może wynosić 250 km Układ telekomunikacyjny: Dioda laserowa lub LED, światłowód, sprzęgacz, wzmacniacz, fotodioda
Całkowite wewnętrzne odbicie
Całkowite wewnętrzne odbicie
Światłowód Światłowód szklany: a=25 μm, n 2 = 1,45, Δ = 0,01, n 1 = 1,465
Powłoka Włókno światłowodowe jest otoczone wielokrotnie grubszą powłoką ochronną, która ma za zadanie chronić włókno przed uszkodzeniami mechanicznymi i zwiększyć komfort manipulacji nim
Produkcja światłowodów Szkło jest płynne w wysokiej temperaturze i wraz ze spadkiem temperatury gęstnieje i staje się twarde daje się wyciągać w długie nici Szkło jest bardzo przeźroczyste dla szerokiego widma promieniowania optycznego Szkło w temperaturze pokojowej jest bardzo wytrzymałe na rozciąganie
Apertura numeryczna Apertura numeryczna określa kąt rozwarcia stożka możliwych kierunków z których światło wprowadzone do światłowodu będzie w nim biec
Tłumienność światłowodu Jeśli 96% światła jest transmitowane tłumienność wynosi 0,18 db Typowy wzmacniacz światłowodowy zwiększa moc 1000 krotnie tj. o 30 db Tłumienność zwiększa rozpraszanie, domieszki (np. jony żelaza, jony OH)
Tłumienność
Dyspersja sygnału Sygnał cyfrowy przesyłany jest jako szereg pojedynczych impulsów światła Pojedyczy impuls biegnący w światłowodzie zostaje poszerzony na skutek dyspersji Różne promienie potrzebują różnych czasów przejścia przez światłowód dyspersja międzymodowa Źródła światła mają niezerową szerokość widmową dyspersja materiałowa Dyspersja falowodowa dla transmisji jednomodowej
Dyspersja
Maksymalna przepustowość Poszerzenie impulsów ogranicza ich liczbę w czasie która może być transmitowana Na przepustowość wpływają tez charakterystyki źródła sygnału i detektora
Mody światłowodowe Model propagacji oparty na całkowitym wewnętrznym odbiciu jest prawidłowy dla bardzo dużych szerokości rdzenia (światłowodów silnie wielomodowych) Dla mniejszych szerokości trzeba wziąć pod uwagę optykę falową W przekroju poprzecznym światłowodu musi powstać fala stojąca Sprawia to, że dozwolone są jedynie dyskretne wartości kątów prowadzenia światła - mody
Czujniki światłowodowe Niski koszt, małe rozmiary, duża dokładność, elastyczność niezawodność, szybkość działania Możliwość użycia w niebezpiecznych i wybuchowych warunkach Rozłożona geometria czucia Temperatura, ciśnienie, prąd elektryczny, obroty, naprężenia, właściwości chemiczne i biologiczne Zastosowanie jako czujniki w mostach, tunelach, inżynierii procesowej, instrumentach medycznych, samolotach, rakietach, samochodach
Czujniki zewnętrzne Światłowód doprowadza i odprowadza sygnał zaś zmiana jego parametrów odbywa się poza światłowodem Przesunięcia, prędkość (ef. Dopplera), poziom cieczy
Czujniki wewnętrzne Parametry fizyczne wpływają bezpośrednio na właściwości włókna, co zmienia natężenie, polaryzację, fazę sygnału Czujnik interferometryczny Macha-Zendera Żyroskop światłowodowy