ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΙΩΑΝΝΙΝΩΝ ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ. Φυσική των Laser ΕΙΔΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ LASER. Διδάσκων : Επίκ. Καθ. Μ. Μπενής

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΙΩΑΝΝΙΝΩΝ ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ Φυσική των Laser ΕΙΔΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ LASER Διδάσκων : Επίκ. Καθ. Μ. Μπενής

2 Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς.

3 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 9. ΕΙΔΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ LASER Στo κεφάλαιο αυτό εξετάζονται μερικά αντιπροσωπευτικά συστήματα laser αερίων, στερεών, ημιαγωγών και υγρών. Δίνεται βάση στους μηχανισμούς των διαδικασιών laser για την κάθε περίπτωση, ενώ εξετάζονται σε κάποιο βαθμό οι τεχνικές λεπτομέρειες των συστημάτων laser καθώς και οι γενικότερες εφαρμογές τους. 9.1 Laser αερίων Laser He-Ne To laser He-Ne είναι από το πιο δημοφιλή laser αερίων (γνωστό κι από την χρήση του στα εργαστήρια κυμάνσεων). Η ακτινοβολία laser προκύπτει από τις μεταβάσεις στο άτομο του νέου ενώ το ήλιο είναι απαραίτητο στο αέριο μείγμα για την άντληση του συστήματος. Από την πληθώρα των μηκών κυμάτων που μπορεί να συντονιστεί το σύνηθες μήκος κύματος είναι το λ=633 nm (κόκκινο). Μάλιστα το μήκος κύματος λ=1.15 μm είναι ιστορικά το πρώτο cw laser αερίων. Σχ Το ενεργειακό διάγραμμα των καταστάσεων του laser He-Ne Το λεπτομερές σχήμα των ενεργειακών σταθμών που εμπλέκονται στην λειτουργία του φαίνεται στο σχήμα 9.1. Αρχικά διεγείρονται τα άτομα του ηλίου μέσω ηλεκτρικής 117

4 εκκένωσης. Οι κρούσεις των ηλεκτρονίων της εκκένωσης διεγείρουν τα άτομα του He από τη βασική τους κατάσταση 1s 2 1 S (ή 1 1 S) στις καταστάσεις 2s 2 1 S (ή 2 1 S) και 2s 2 3 S (ή 2 3 S). Οι διεγερμένες καταστάσεις είναι σχεδόν σε συντονισμό (ίδια ενέργεια) με τις διεγερμένες καταστάσεις 4s (ή 1s 2 2s 2 2p 5 4s) και 5s (ή 1s 2 2s 2 2p 5 5s) του Ne. Για ευκολία στα επόμενα θα παραλείψουμε την γραφή της ολοκληρωμένης ηλεκτρονικής δομής των ατόμων και θα γράφουμε μόνο αυτήν των εμπλεκομένων καταστάσεων. Έτσι έχουμε μεταφορά πληθυσμού (άντληση) των καταστάσεων του Ne από τα άτομα He μέσω των μεταξύ τους κρούσεων. Μάλιστα επειδή οι καταστάσεις 2 1 S και 2 3 S είναι μετασταθείς (απαγορεύονται οι διπολικές μεταβάσεις S S) η άντληση είναι πολύ αποδοτική. Να σημειωθεί πως η άντληση μπορεί να γίνει και κατευθείαν στα άτομα Ne με τις κρούσεις ηλεκτρονίων ατόμων Ne, αλλά έχει αποδειχθεί πως η άντληση μέσω ατόμων He είναι ο επικρατών μηχανισμός. Επομένως οι καταστάσεις 4s και 5s είναι τα άνω ενεργειακά επίπεδα του laser. Με βάση τους κανόνες διπολικών μεταβάσεων τα κάτω ενεργειακά επίπεδα θα είναι οι p-καταστάσεις, δηλαδή οι 4p και 3p, όπως φαίνεται και στο σχήμα 9.1. Οι γραμμές των μεταβάσεων διαπλατύνονται κυρίως κατά Doppler (όπως έχουμε δει οι ομογενείς διαπλατύνσεις λόγω κρούσεων και λόγω της φυσικής διαπλάτυνσης είναι της τάξης των MHz ενώ η μη-ομεγενής διαπλάτυνση Doppler είναι της τάξης των GHz). Στο σχήμα 9.2 φαίνεται η βασική κατασκευαστική δομή ενός laser He-Ne. Σχ Η βασική κατασκευαστική δομή ενός laser He-Ne Τα laser He-Ne είναι cw laser χαμηλής ισχύος γεγονός που οφείλεται στην πολύ χαμηλή κβαντική απόδοση της άντλησης. Για λ=633 nm και μήκη κοιλότητας cm η ισχύς είναι μεταξύ 1-10 mw. Για το λόγο αυτό χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές όπου δεν είναι απαραίτητη η υψηλή ισχύς. Για παράδειγμα στο εργαστήριο για αρχική ευθυγράμμιση οπτικών διατάξεων, στην εκπαίδευση σε προπτυχιακά μαθήματα εργαστηρίων οπτικής για μελέτη βασικών οπτικών φαινομένων (συμβολή, περίθλαση, κτλ.), στα καταστήματα για την ανάγνωση των bar code, αλλά και στην μετρολογία και την ολογραφία, αν και αντιμετωπίζουν μεγάλο ανταγωνισμό σε μερικές περιπτώσεις από τα laser διόδου που είναι μικρότερα σε μέγεθος και φτηνότερα. 118

5 9.1.2 Laser CO 2 Το ενεργό μέσο του laser CO 2 είναι κατάλληλο μείγμα από τα αέρια CO 2, N 2 και He. Η ταλάντωση laser επιτυγχάνεται μεταξύ δυο ταλαντωτικών καταστάσεων του CO 2 ενώ τα N 2 και He ενισχύουν την αποδοτικότητα (ανάλογα με το He στο laser He-Ne). Το ενεργειακό διάγραμμα των ταλαντωτικών καταστάσεων των CO 2, N 2 παρουσιάζεται στο σχήμα 9.3. Το N 2 ως διατομικό συμμετέχει με την πρώτη διεγερμένη κατάστασή του (ν=1). Το CO 2 είναι πιο πολύπλοκο ως γραμμικό τριατομικό μόριο. Στο σχήμα 9.3 παρουσιάζονται οι τρεις μηεκφυλισμένοι ταλαντωτικοί τρόποι ταλάντωσής του: symmetric stretching, bending, asymmetric stretching. Τα ενεργειακά του επίπεδα περιγράφονται από τρεις κβαντικούς αριθμούς τους n 1, n 2 και n 3, αντίστοιχα, με ολική ενέργεια ταλάντωσης Ε = n 1 hν 1 + n 2 hν 2 + l n 3 hν 3. Οι καταστάσεις συμβολίζονται ως n 1 n 2 n 3. Για παράδειγμα η κατάσταση αντιστοιχεί στη δόνηση n 2. Ο δείκτης l=1 της κατάστασης n 2 συμβολίζει την στροφορμή της κατάστασης n 2 γύρω από τον άξονα του μορίου και υπάρχει λόγω του διπλού εκφυλισμού του τρόπου bending (το μόριο μπορεί να «λυγίσει» σε δυο κάθετα επίπεδα). Η ταλάντωση laser επιτυγχάνεται μεταξύ των επιπέδων και (λ=10.6 μm) καθώς και και (λ=9.6 μm). Σχ [Πάνω] Το ενεργειακό διάγραμμα των ταλαντωτικών καταστάσεων του laser CO 2. [Κάτω] Οι τρεις βασικοί τρόποι ταλάντωσης του γραμμικού τριατομικού μορίου του CO 2 : (ν 1 ) symmetric stretching, (ν 2 ) bending, (ν 3 ) asymmetric stretching. Η άντληση της κατάστασης επιτυγχάνεται με δυο τρόπους. Πρώτον, μέσω ηλεκτρικής εκκένωσης, που όπως και στην περίπτωση του He-Ne οι κρούσεις με τα ενεργητικά ηλεκτρόνια οδηγούν στη διέγερση του μορίου του CO 2 στην Δεύτερον, με συντονιστική μεταφορά ενέργειας από το διεγερμένο μόριο του N 2. Όμοια με την περίπτωση του He-Ne, το μόριο του N 2 αρχικά διεγείρεται από την ηλεκτρική εκκένωση στην 119

6 ταλαντωτική κατάσταση ν=1 η οποία είναι μετασταθής και της οποίας η ενέργεια είναι πολύ κοντά στην ενέργεια της του CO 2. Ως αποτέλεσμα υπάρχει ισχυρή ζεύξη των δυο καταστάσεων και αποδοτική μεταφορά πληθυσμού από την ν=1 του N 2 στην του CO 2. Μετά την επίτευξη laser μεταξύ των επιπέδων και , τα κατώτερα επίπεδα αποδιεγείρονται στην βασική κατάσταση μέσω κρούσεων με τα υπόλοιπα μόρια. Με βάση την ελαστική θεωρία των κρούσεων η μεταφορά ταλαντωτικής ενέργειας σε μεταφορική είναι πολύ πιο αποδοτική όταν τα μόρια είναι μικρά, κι εκεί ακριβώς έρχεται ο ρόλος του He. Συνοψίζοντας μπορούμε να πούμε ότι το N 2 βοηθά σημαντικά στην αύξηση του πληθυσμού του άνω ενεργειακού επιπέδου του laser ενώ το He βοηθά σημαντικά στη μείωση του πληθυσμού του κάτω ενεργειακού επιπέδου του laser. Τέλος, όπως και στο laser Ηe-Ne οι φασματικές γραμμές του είναι διαπλατυσμένες κυρίως κατά Doppler. Το laser CO 2 μπορεί να λειτουργήσει είτε ως cw είτε ως παλμικό (Q-switched). Πρόκειται για ένα από τα πιο ισχυρά laser που υπάρχουν με ισχύ που μπορεί να ξεπερνά και τα 100 kw. Για το λόγο αυτό χρησιμοποιείται κυρίως σε βιομηχανικές εφαρμογές (κοπή μετάλλων, κολλήσεις, γυάλισμα επιφανειών, κτλ.). Επίσης έχουν χρησιμοποιηθεί και στην χειρουργική (κοπή κι ανάπλαση δέρματος, σταμάτημα αιμορραγιών, κτλ.). Το CO 2 laser έχει χαμηλό κόστος παραγωγής κι επειδή είναι αρκετά αποδοτικό έχει καταστεί ένα μεγάλο κομμάτι της βιομηχανίας επεξεργασίας υλικών. Στο σχήμα 9.4 παρουσιάζεται μια τυπική διάταξη laser CO 2. Σχ Διάταξη laser CO Laser Excimer Θεωρήστε ένα διατομικό μόριο A 2 με ενεργειακές καταστάσεις για την βασική και την διεγερμένη στάθμη που φαίνονται στο σχήμα 9.5. Εφόσον η βασική στάθμη είναι απωστική το μόριο δεν μπορεί να υπάρξει σε αυτή την κατάσταση, κι επομένως μονάχα ατομικές καταστάσεις μπορούν να υπάρξουν (μονομερή). Ωστόσο, επειδή το ενεργειακό δυναμικό 120

7 παρουσιάζει ελάχιστο για την διεγερμένη κατάσταση, τότε το εν λόγω στοιχείο μπορεί να υπάρξει σε αυτή τη μορφή γνωστή ως διμερές (dimer). Ένα τέτοιο μόριο ονομάζεται excimer (από τις λέξεις excited dimer). Ας υποθέσουμε τώρα ότι ένα μεγάλο ποσοστό μορίων excimers παράγεται σε δεδομένο όγκο του μέσου. Τότε σε κατάλληλες συνθήκες μπορεί να ξεκινήσει η διαδικασία laser μέσω της μετάβασης ανάμεσα στην διεγερμένη κατάσταση (κατάσταση excimer) και την βασική. Αυτή είναι η γενική λειτουργία ενός excimer laser, κι ένα κλασσικό παράδειγμα είναι το laser Ne 2, που ήταν και το πρώτο excimer laser με λ=170 nm. Σχ Οι ενεργειακές καταστάσεις ενός excimer laser. Σχ Οι ενεργειακές καταστάσεις ενός KrF excimer laser. 121

8 Τα excimer laser έχουν τρεις σημαντικές ιδιότητες: (1) Τα μήκη κύματός τους είναι στο υπεριώδες εφόσον οι μεταβάσεις είναι μεταξύ ηλεκτρονικών καταστάσεων. (2) Η βασική κατάσταση οδηγεί σε πολύ γρήγορη διάσπαση του μορίου με αποτέλεσμα η κάτω στάθμη του laser να αδειάζει ταχύτητα, κι άρα το excimer laser να λειτουργεί ως ένα laser τεσσάρων σταθμών. (3) Επειδή η βασική στάθμη δεν έχει δέσμιες καταστάσεις δεν υπάρχουν μεταβάσεις μεταξύ περιστροφικών-ταλαντωτικών καταστάσεων με αποτέλεσμα οι φασματικές γραμμές της μετάβασης να μην είναι πολύπλοκες και σχετικά φαρδιές, Δν = cm -1. Θα εξετάσουμε λεπτομερέστερα μια σημαντική ομάδα excimer laser στην οποία ένα άτομο ευγενούς αερίου (Kr, Ar, Xe) συνδυάζεται με ένα άτομο αλογόνου (F,Cl). Για παράδειγμα ArF (λ = 193 nm), KrF (λ = 248 nm), XeF (λ = D 351 nm) και XeCl (λ = 309 nm). Εξ αυτών το laser KrF είναι το πιο διαδεδομένο. Το ενεργειακό διάγραμμα φαίνεται στο σχήμα 9.6. Η άντληση του KrF excimer laser γίνεται με ηλεκτρική εκκένωση όπως και στα άλλα laser αερίων. Οι μηχανισμοί διέγερσης είναι δύο: (a) είτε από τα διεγερμένα άτομα Kr με την παρακάτω διαδικασία (b) είτε από τα ιόντα Kr με την παρακάτω διαδικασία Ο ρόλος του He είναι αυτός του αερίου υποβάθρου όπως στην περίπτωση του laser CO 2. Τα excimer laser είναι παλμικά με μικρή χρονική διάρκεια (< ps), με μεγάλους ρυθμούς επανάληψης (μέχρι 500 Hz) και επίσης μεγάλη ισχύ (μερικά kw). Το υπεριώδες μήκος κύματός τους τα κάνει μοναδικά για εφαρμογές όπως η επεξεργασία πλαστικών και βιολογικών υλικών καθώς αυτά απορροφούν στο υπεριώδες. Η μικρή χρονική διάρκεια τους τα κάνει ιδανικά για την διαδικασία του ablation, που βρίσκει εφαρμογές στη διάνοιξη οπών ακριβείας και γενικά την χάραξη των επιφανειών υλικών που απορροφούν έντονα στο υπεριώδες. Η λιθογραφία και η χειρουργική ματιών είναι παραδείγματα επιστημονικών κλάδων που κάνουν χρήση excimer laser. Τα excimer laser μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν και ως αντλητικά μέσα για dye laser. 122

9 9.2 Laser στερεάς κατάστασης Τα laser στερεάς κατάστασης είναι αυτά των οποίων το μέσο ενίσχυσης είναι κάποιο διηλεκτρικό υλικό, κρυσταλλικό ή απλό γυαλί, το οποίο φέρει προσμίξεις ιόντων. Ως κρύσταλλοι συνήθως χρησιμοποιούνται είτε οξείδια (π.χ. Al 2 O 3 ) είτε φθορίδια (π.χ. YLiF 4 - YLF). Ως προσμίξεις ιόντων χρησιμοποιούνται είτε τα στοιχεία των σπάνιων γαιών (Nd, Yb, κτλ.) είτε τα μέταλλα μετάπτωσης (Cr, Ti, Co, Ni, κτλ.). Η γενική ηλεκτρονική διάταξη των υπό χρήση σπανίων γαιών (Λανθανίδες) είναι η [Xe]6s 2 4f N. Όταν ένα άτομο σπάνιας γης εισέλθει στο διηλεκτρικό μέσο, τότε τα δυο s ηλεκτρόνια της κατάστασης 6s 2 και το ένα f από τα Ν ηλεκτρόνια της κατάστασης 4f N σχηματίζουν δεσμούς με τα γειτονικά άτομα του διηλεκτρικού μέσου. Ως αποτέλεσμα το άτομο-πρόσμειξη συμπεριφέρεται ως ιόν τριπλά φορτισμένο με τα εναπομείναντα Ν-1 ηλεκτρόνια της 4f N κατάστασης να αναδιατάσσονται ενεργειακά στην 4f κατάσταση με βάση τις Κουλομπικές τους αλληλεπιδράσεις, τις αλληλεπιδράσεις με το κρυσταλλικό πεδίο και την αλληλεπίδραση σπιν τροχιάς. Έτσι προκύπτει ένας νέος μεγάλος αριθμός μη εκφυλισμένων πλέον καταστάσεων στην διάταξη 4f N-1. Στις μεταβάσεις μεταξύ αυτών των νέων καταστάσεων (μεταβάσεις 4f-4f) οφείλεται η διαδικασία laser. Η γενική ηλεκτρονική διάταξη των υπό χρήση μετάλλων μετάπτωσης είναι η [Ar]4s 2 3d N. Όπως και στην περίπτωση των σπάνιων γαιών, η πρόσμιξη του διηλεκτρικού μέσου με άτομα μετάλλων μετάπτωσης έχει ως αποτέλεσμα την δημιουργία δεσμών με τα γειτονικά άτομα του διηλεκτρικού μέσου μέσω των τροχιακών 4s 2 και 3d. Έτσι το μεταλλικό ιόν εμφανίζεται τριπλά φορτισμένο με τα εναπομείναντα Ν-1 ηλεκτρόνια της 3d N κατάστασης να αναδιατάσσονται ενεργειακά στην 4d κατάσταση. Σε αυτή την περίπτωση οι υπεύθυνες μεταβάσεις για τη διαδικασία laser είναι οι 3d-3d Laser Ruby Είναι το πρώτο στην ιστορία laser (Τ.Η. Maiman, 1960) και για το λόγο αυτό εξετάζεται. Αποτελείται από κρύσταλλο Al 2 O 3 όπου μερικά ιόντα Al 3+ έχουν αντικατασταθεί από ιόντα Cr 3+. Η διαδικασία πρόσμειξης περιλαμβάνει ανάπτυξη των κρυστάλλου με μείγμα Al 2 O 3 και Cr 2 O 3. Ο κρύσταλλος Al 2 O 3 είναι άχρωμος και ονομάζεται ζαφείρι (sapphire). Η πρόσμειξη με Cr 2 O 3 του δίνει το ροζέ έως κόκκινο χρώμα και τότε ονομάζεται ρουμπίνι ή ρουβίδιο (ruby). Η ηλεκτρονική διάταξη του χρωμίου είναι [Ar]4s3d 5. Τα ενεργειακά επίπεδα οφείλονται στο ένα από τα τρία εναπομείναντα ηλεκτρόνια της 3d κατάστασης του Cr 3+ και σχηματίζονται υπό την επίδραση του κρυσταλλικού πεδίου. Στο σχήμα 9.7 παρουσιάζεται η απλοποιημένη δομή τους. 123

10 Σχ Οι ενεργειακές καταστάσεις ενός Ruby laser. Η άντληση γίνεται στις καταστάσεις 4 F οι οποίες αποδιεγείρονται μη ακτινοβολητικά στις καταστάσεις 2 Ε. Η ακτινοβολία laser προκύπτει από την αποδιέγερση των 2 Ε στην 4 Α 2. Με άλλα λόγια το Ruby laser είναι laser τριών σταθμών. Μπορεί να λειτουργήσει και ως cw αλλά και παλμικό είτε σε Q-switching είτε σε mode-locked λειτουργία. Αν και αρχικά χρησιμοποιήθηκε σε πολλές εφαρμογές σήμερα έχει υποσκελιστεί από τα άλλα laser στερεάς κατάστασης Laser Νεοδυμίου Είναι τα πιο δημοφιλή laser στερεάς κατάστασης. Για τα κρυσταλλικά μέσα ο συνήθης κρύσταλλος είναι ο Y 3 Al 5 O 12 (και λέγεται YAG, ακρωνύμιο για το yttrium aluminium garnet) στον οποίο μερικά ιόντα Y 3+ έχουν αντικατασταθεί από ιόντα Nd 3+ (περίπου 1%). Τα μη-κρυσταλλικά μέσα είναι απλό γυαλί με προσμίξεις Nd 3+ (περίπου 4%). Το ροζέ έως κόκκινο χρώμα τους οφείλεται στην πρόσμειξη του Nd 3+. Nd:YAG Το ενεργειακό διάγραμμα των καταστάσεων δίνεται στο σχήμα 9.8. Η άντληση γίνεται στα φασματικά εύρη των λ=730 nm και λ=800 nm. Οι διεγερμένες καταστάσεις αποδιεγείρονται ταχύτατα μη ακτινοβολητικά στην 4 F 3/2 που αποτελεί και την άνω κατάσταση του laser. Αυτή μπορεί να αποδιεγερθεί στις 4 Ι καταστάσεις η πιο ισχυρή εκ των οποίων είναι η 4 Ι 11/2. Αξίζει να σημειωθεί ότι εξαιτίας των κανόνων επιλογής για τις διπολικές μεταβάσεις ΔJ = 0, ±1 η μετάβαση 4 F 3/2 4 Ι 11/2 είναι απαγορευμένη και λαμβάνει χώρα μόνο μέσω της ασθενούς αλληλεπίδρασης με το πεδίο του κρυστάλλου. Για το λόγω αυτό και ο χρόνος ζωής της είναι μεγάλος (τ = 230 μs) γεγονός που επιτρέπει την αντιστροφή των πληθυσμών. Τέλος η 4 Ι 11/2 αποδιεγείρεται ταχύτατα (εντός ps) μη ακτινοβολητικά στην βασική κατάσταση 4 Ι 9/2 από την οποία απέχει ενεργειακά ποσότητα αρκετά μεγαλύτερη του Κ Β Τ. Με άλλα λόγια το Nd:YAG είναι ένα laser τεσσάρων σταθμών. Για την ακρίβεια οι καταστάσεις 4 F 3/2 και 4 Ι 11/2 χωρίζονται λόγω φαινομένου Stark σε δυο κι έξι καταστάσεις αντίστοιχα. Η μετάβαση μεταξύ δυο εξ αυτών των μη εκφυλισμένων καταστάσεων είναι που παράγει την ακτινοβολία laser κι έχει μήκος κύματος του laser είναι λ = μm. 124

11 Σχ Οι ενεργειακές καταστάσεις ενός Nd:YAG laser. Το Nd:YAG laser παρουσιάζει ομογενή διαπλάτυνση λόγω αλληλεπίδρασης με τα φωνόνια του κρυστάλλου με Δν = 126 GHz σε θερμοκρασία δωματίου. Αυτό κάνει το laser υποψήφιο για λειτουργία σε mode-locking. Μάλιστα στενοί παλμοί των 5 ps έχουν επιτευχθεί με παθητικό mode-locking. Επίσης ο μεγάλος χρόνος ζωής της άνω στάθμης κάνει το laser κατάλληλο και για Q-switching. Τέλος το Nd:YAG laser μπορεί να λειτουργήσει και σε συνεχή (cw) και σε παλμική λειτουργία. Μπορεί δε να αντληθεί είτε από λάμπες (Kr, Xe) είτε από laser διόδου. Τα Nd:YAG laser χρησιμοποιούνται σε μια ευρεία γκάμα εφαρμογών: α) Στην Βιομηχανία στην επεξεργασία υλικών όπως η συγκόλληση και η διάνοιξη οπών, όπου χρησιμοποιείται ισχύς μερικών kw. Μάλιστα υπερέχουν των αντιπάλων τους CO 2 στο ότι λόγω του μήκους κύματός τους μπορεί η δέσμη να μεταφερθεί στο χώρο εργασίας πολύ εύκολα με οπτική ίνα. Παραμένουν όμως πιο ακριβά. β) Στην χειρουργική όπως οι καυτηριάσεις, οι τομές ακριβείας, το σταμάτημα αιμορραγιών, και μάλιστα εντός του ανθρωπίνου σώματος μέσω οπτικής ίνας. γ) Σε μετρήσεις ακριβείας αποστάσεων κυρίως για στρατιωτικούς σκοπούς. δ) Στην Έρευνα όπου τα παλμικά Q-switched laser μαζί με τις αρμονικές τους (δεύτερη αρμονική λ=532 nm, τρίτη αρμονική λ=355 nm και τέταρτη αρμονική λ=266 nm) καθώς και mode-locked laser χρησιμοποιούνται ευρύτατα. Nd:Glass Τα Nd:glass laser είναι παρόμοια με τα Nd:YAG. Έχουν σχεδόν τις ίδιες ενεργειακές καταστάσεις και μήκος κύματος λ = μm. Η μεγάλη τους διαφορά είναι ότι λόγω του γυαλιού έχουν κατ εξοχήν μη ομογενή διαπλάτυνση και κατά συνέπεια πολύ μεγαλύτερο φασματικό εύρος (περίπου 40 φορές). Αυτό το γεγονός τα κάνει κατάλληλα για λειτουργία mode-locked και για παραγωγή πολύ στενών παλμών (~ 100 fs). Ωστόσο το μεγάλο του μειονέκτημα είναι η μικρή θερμική αγωγιμότητα, γεγονός έχει ως αποτέλεσμα το σύστημα laser να δουλεύει σε χαμηλούς ρυθμούς επανάληψης ( < 5 Hz) για να αποφευχθεί η υπερθέρμανσή του. 125

12 9.2.3 Laser Ti:Sapphire Το Ti:Sapphire (Ti:Al 2 O 3 ) είναι από τα πιο διαδεδομένα laser στερεάς κατάστασης. Μπορεί να ρυθμιστεί να λειτουργήσει σε ένα πολύ ευρύ φάσμα μηκών κυμάτων (Δλ = nm, που αντιστοιχεί σε φασματικό εύρος Δν 0 = 100 THz). Ο κρύσταλλος Ti:Al 2 O 3 παράγεται από τη πρόσμειξη Ti 2 O 3 (<0.5%) σε κρύσταλλο Al 2 O 3, όπου μερικά ιόντα Al 3+ αντικαθίστανται από τα ιόντα Ti 3+ τα οποία βρίσκονται στο κέντρο οκταεδρικής κρυσταλλικής δομής όπως φαίνεται στο σχήμα 9.9.a. Η ηλεκτρονική διάταξη του Ti είναι η [Ar]4s 2 3d 2 γεγονός που σημαίνει ότι το Ti 3+, έχοντας συνεισφέρει με τρία ηλεκτρόνια στην κρυσταλλική δομή έχει πλέον ένα 3d ηλεκτρόνιο σε μια πενταπλά εκφυλισμένη κατάσταση (2l+1). Αυτός ο εκφυλισμός αίρεται από το κρυσταλλικό πεδίο και προκύπτουν η τριπλά εκφυλισμένη κατάσταση 2 Τ 2 και η διπλά εκφυλισμένη 2 E, όπως παρουσιάζεται στο σχήμα 9.9.b. Στο σχήμα 9.9.c παρουσιάζονται οι παραπάνω ενεργειακές καταστάσεις ως συνάρτηση της απόστασης του δεσμού Ti-O. Σχ (a) Οκταεδρική διάταξη του Ti:Al 2 O 3. (b) Ο διαχωρισμός των ενεργειακών καταστάσεων 3d παρουσία του κρυσταλλικού πεδίου. (c) Οι ενεργειακές καταστάσεις του b ως συνάρτηση της απόστασης του δεσμού Ti-O. Η άντληση γίνεται από την χαμηλότερη ταλαντωτική κατάσταση της 2 Τ 2 προς διεγερμένες ταλαντωτικές καταστάσεις της 2 E (μεταβάσεις Franck-Condon). Αυτές πολύ γρήγορα αποδιεγείρονται στην βασική ταλαντωτική κατάσταση της 2 E μέσω αλληλεπιδράσεων με τα φωνόνια του κρυστάλλου. Ο χρόνος ζωής τους είναι της τάξης των μs κι άρα κατάλληλες για αντιστροφή πληθυσμού. Η αποδιέγερση σε διεγερμένες ταλαντωτικές καταστάσεις της βασικής στάθμης 2 Τ 2 παρέχουν την ακτινοβολία laser. Αυτές με τη σειρά τους θα 126

13 αποδιεγερθούν ταχύτατα στην βασική ταλαντωτική κατάσταση της 2 Τ 2. Επομένως το Ti:Al 2 O 3 είναι ένα laser τεσσάρων σταθμών. Το Ti:Sapphire μπορεί να λειτουργήσει ως cw αλλά η κύρια λειτουργία του είναι η παλμική. Τότε μπορεί να αντληθεί είτε από λάμπες είτε από laser νεοδυμίου. Χρησιμοποιείται ως ταλαντωτής για την παραγωγή κι ενίσχυση (με ειδικές τεχνικές) πολύ στενών και ισχυρών παλμών. Σε αυτές τις περιπτώσεις μπορεί να δώσει τελικά παλμούς υψηλής ενέργειας (< 1 Joule), πολύ μικρής διάρκειας ( fs), με ρυθμό επανάληψης μερικών khz. Λόγω αυτών των χαρακτηριστικών του χρησιμοποιείται κυρίως στην Έρευνα. 9.3 Laser χρωστικών Τα laser χρωστικών (Dye lasers) χρησιμοποιούν ως ενεργό μέσο ένα διάλυμα μιας οργανικής χρωστικής σε υγρό διαλύτη όπως αιθανόλη, μεθανόλη, γλυσερόλη ή νερό. Τα laser οργανικών χρωστικών είναι πολυατομικά μόρια που σχηματίζουν μεγάλες ανθρακικές αλυσίδες διπλών δεσμών (δηλ. (-CH=) n ). Συνήθως ανήκουν σε μια από τις τρεις κατηγορίες: (1) Πολυμεθίνης, με μήκος κύματος στο ορατό και στο κοντινό υπέρυθρο ( μm). (2) Ξανθίνης με μήκος κύματος στο ορατό. (3) Κουραμίνης με μήκος κύματος στο ορατό μπλέπράσινο ( nm). Σχ Το μοντέλο των ελεύθερων ηλεκτρονίων στην περίπτωση της χρωστικής κυανίνης. Η λειτουργία του laser μπορεί να γίνει κατανοητή με βάση το μοντέλο των ελεύθερων ηλεκτρονίων. Στο σχήμα 9.10 παρουσιάζεται γραφικά το μοντέλο για την περίπτωση της κυανίνης. Τα π-ηλεκτρόνια των διπλών δεσμών των ανθράκων σχηματίζουν δυο επίπεδες 127

14 κατανομές εκατέρωθεν της ανθρακικής αλυσίδας. Σε αυτές τα π-ηλεκτρόνια υποθέτουμε ότι μπορούν να κινηθούν ελεύθερα. Περιορίζονται μόνο στα άκρα από το απωστικό δυναμικό των ομάδων μεθυλίου. Σε μια πρώτη προσέγγιση μπορούμε να πούμε ότι οι ενέργειές τους θα είναι αυτές ενός ελεύθερου ηλεκτρονίου σε ένα τετραγωνικό πηγάδι δυναμικού. Εάν υποθέσουμε ότι έχουμε 2Ν ηλεκτρόνια αυτά θα καταλάβουν τις πρώτες Ν καταστάσεις εφόσον κάθε κατάσταση καταλαμβάνεται από δυο ηλεκτρόνια με αντίθετο σπιν. Επομένως η μοριακή κατάσταση θα έχει ολικό σπιν μηδέν και θα είναι singlet, ή συμβολικά S 0. Η πρώτη διεγερμένη κατάσταση S 1 είναι αυτή στη οποία το τελευταίο συνδεδεμένο ηλεκτρόνιο διεγείρεται στο επόμενο ενεργειακό επίπεδο χωρίς να αλλάξει το σπιν του. Εάν κατά τη μετάβαση αλλάξει το σπιν του τότε η κατάσταση είναι triplet και συμβολίζεται Τ 1. Διεγερμένες καταστάσεις S 2, Τ 2, κτλ. μπορούν να προκύψουν από περεταίρω διεγέρσεις. Στο σχήμα 9.11 παρουσιάζονται οι ενεργειακές καταστάσεις και η διαδικασία laser. Οι ηλεκτρονικές ενεργειακές καταστάσεις έχουν πληθώρα από ταλαντωτικές και περιστροφικές καταστάσεις που ενεργειακά είναι πολύ κοντά σχηματίζοντας σχετικά φαρδιές φασματικές κατανομές για κάθε κατάσταση. Σχ Τυπικό ενεργειακό διάγραμμα χρωστικών διαλυμάτων. Αρχικά το μόριο διεγείρεται με την απορρόφηση ακτινοβολίας στις διεγερμένες ταλαντωτικές και περιστροφικές καταστάσεις της S 1 (μετάβαση Franck-Condon). Πολύ γρήγορα (<100 fs) αποδιεγείρεται στη βασική ταλαντωντική κατάσταση της S 1 λόγω κρούσεων με τα μόρια του διαλύματος. Επειδή για τις επιτρεπτές μεταβάσεις ισχύει ΔS=0, επιτρέπονται μόνο οι μεταβάσεις singlet-singlet και triplet-triplet. Επομένως η S 1 μπορεί να αποδιεγερθεί ακτινοβολητικά στις διεγερμένες ταλαντωτικές και περιστροφικές καταστάσεις της S 0. Αυτή η μετάβαση είναι υπεύθυνη για την ακτινοβολία laser της χρωστικής. Τέλος το μόριο αποδιεγείρεται πολύ γρήγορα και πάλι μέσω κρούσεων στην βασική κατάσταση της S 0. Επομένως το laser χρωστικής είναι ένα laser τεσσάρων σταθμών. Αξίζει να σημειωθεί πως στην όλη διαδικασία μπορεί να εμπλακούν και οι καταστάσεις triplet που μπορούν να αλληλεπιδράσουν με τις singlet μη ακτινοβολητικά, επηρεάζοντας έτσι την απόδοση των laser χρωστικής. 128

15 Τα laser χρωστικής μπορούν να λειτουργήσουν είτε ως cw είτε παλμικά. Συνήθως αντλούνται από λάμπες ενώ το διάλυμα κυκλοφορεί σε γυάλινο σωλήνα στο χώρο άντλησης. Ωστόσο για αποδόσεις μεγαλύτερης ισχύος χρησιμοποιούνται και excimer laser ως αντλίες. Τα laser χρωστικής παρουσιάζουν σημαντικά πλεονεκτήματα. Καλύπτουν μια ευρύτατη φασματική περιοχή και παρέχουν εύκολη επιλεξιμότητα του μήκος κύματος. Μάλιστα η χρωστική ουσία μπορεί να αντικατασταθεί από έναν άλλο τύπο, ώστε να παράγει διαφορετικά μήκη κύματος με το ίδιο λέιζερ, αν και αυτό συνήθως απαιτεί αντικατάσταση κάποιων οπτικών στοιχείων στο laser. Για τους λόγους αυτούς χρησιμοποιούνται κυρίως στην Έρευνα και ιδιαίτερα στην φασματοσκοπία. Επίσης χρησιμοποιούνται και στην Ιατρική κυρίως στην θεραπεία δερματικών παθήσεων. 9.4 Laser ημιαγωγών Τα laser ημιαγωγών είναι από τις πιο σημαντικές κατηγορίες laser σήμερα εξαιτίας της μεγάλης κλίμακας των εφαρμογών τους αλλά και τη πολύ σημαντική χρήση τους ως αντλητικά laser για laser στερεάς κατάστασης. Το μέσο ενίσχυσης, όπως δηλώνει και το όνομά τους, είναι ημιαγώγιμα υλικά. Για την ακρίβεια τα περισσότερα είναι συνδυασμός στοιχείων της τρίτης ομάδας του Περιοδικού Πίνακα (π.χ. Al, Ga, In) και της πέμπτης ομάδας (π.χ. N, P, As, Sb), για παράδειγμα GaAs, AlGaAs, και InGaAs. Τα μήκη κύματος καλύπτουν μια ευρεία περιοχή του φάσματος του ορατού και κοντινού υπερύθρου. Σχ Αρχή λειτουργίας ενός laser ημιαγωγού. Η αρχή λειτουργίας τους παρουσιάζεται στο σχήμα Έστω λοιπόν ημιαγωγός με συμπληρωμένη την ζώνη σθένους V και του οποίου η ζώνη αγωγιμότητας C απέχει ενεργειακά Ε g. Για απλότητα θεωρούμε πως όλα αυτά συμβαίνουν σε θερμοκρασία Τ=0 Κ, οπότε η ζώνη σθένους είναι γεμάτη με ηλεκτρόνια ενώ η ζώνη αγωγιμότητας εντελώς άδεια. Υποθέτουμε τώρα ότι μερικά ηλεκτρόνια διεγείρονται από την ζώνη σθένους στην ζώνη αγωγιμότητας. Πολύ γρήγορα (~ 1 ps) τα ηλεκτρόνια της ζώνης αγωγιμότητας θα πέσουν στα χαμηλότερα μη κατειλημμένα ενεργειακά επίπεδα της ζώνης αγωγιμότητας. Το ίδιο θα συμβεί και με τις οπές της ζώνης σθένους αφήνοντας οπές στα υψηλότερα ενεργειακά της επίπεδα. Η εκπομπή φωτός τότε επιτυγχάνεται με την επανασύνδεση ενός ηλεκτρονίου από 129

16 τη ζώνη αγωγιμότητας με μια οπή από τη ζώνη σθένους. Αυτός ο μηχανισμός της ακτινοβολίας επανασύνδεσης όπως είναι ο όρος είναι ο μηχανισμός της εκπομπής φωτός από μια δίοδο LED (Light Emitting Diode). Υπό κατάλληλες συνθήκες αυτός ο μηχανισμός αποδιέγερσης μπορεί να γίνει εξαναγκασμένα και να οδηγήσει στην δημιουργία ακτινοβολίας laser. Ο πιο διαδεδομένος τρόπος για να συμβεί αυτό είναι μέσω της εφαρμογής διαφοράς δυναμικού (τάσης) στην επαφή του ημιαγωγού. Η αρχή του μηχανισμού εξηγείται στο σχήμα 9.13 όπου παρουσιάζονται οι ενεργειακές ζώνες μιας επαφής p-n. Παρατηρούμε ότι στην επαφή το επίπεδο της ενέργειας Fermi βρίσκεται στην ζώνη σθένους για την p-περιοχή (E Fp ) και ταυτόχρονα στην ζώνη αγωγιμότητας για την n-περιοχή (E Fn ). Όταν δεν εφαρμόζεται εξωτερικό πεδίο τότε τα δυο ενεργειακά επίπεδα Fermi των δυο περιοχών είναι ευθυγραμμισμένα. Εφαρμόζοντας μια τάση V στην επαφή έχει ως αποτέλεσμα καταρχήν το διαχωρισμό των δυο επιπέδων Fermi που τώρα απέχουν ενέργεια ΔΕ. Επιπλέον στην περιοχή της επαφής τα ηλεκτρόνια από την ζώνη σθένους της n-περιοχής να περνούν στην ζώνη αγωγιμότητάς της ενώ ταυτόχρονα οπές από της ζώνη αγωγιμότητας της p-περιοχής περνούν στην ζώνη σθένους της (βλ. σχήμα b). Επομένως η κατάσταση ομοιάζει αυτήν της αρχής λειτουργίας του σχήματος Πράγματι για κατάλληλες τιμές πυκνότητας ρεύματος ικανοποιούνται οι συνθήκες για την αντιστροφή πληθυσμών και την παραγωγή ακτινοβολίας laser. Σχ (a) Δομή ενεργειακών ζωνών μιας επαφής p-n ενός laser ημιαγωγού σε μηδενικό εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο. (b) Η αλλαγή των ενεργειακών ζωνών του a υπό την επίδραση εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου. Όπως ειπώθηκε και αρχικά τα laser ημιαγωγών (αναφέρονται γενικά κι ως laser διόδου) έχουν ένα ευρύτατο φάσμα εφαρμογών. Παρέχουν laser στο ορατό και το υπέρυθρο, έχουν υψηλή απόδοση, παρέχουν ισχύ από μερικά mw έως μερικά kw, μπορεί να μεταφερθεί η δέσμη με οπτικές ίνες, είναι μικρά σε μέγεθος και σχετικά φτηνά. Χρησιμοποιούνται στη Βιομηχανία υλικών (κόλληση πλαστικών και μεταλλικών υλών), στην Ιατρική (Χειρουργική, Οδοντιατρική, Αφαίρεση τριχών κτλ), στη μετρολογία, στην εκτύπωση (laser printers), στη μουσική (CD player) και σε διάφορους παρεμφερείς κλάδους. Μια από τις βασικές χρήσης 130

17 των ισχυρών laser ημιαγωγών είναι η άντληση άλλων laser κυρίως στερεάς κατάστασης. Η χρήση τους στην Έρευνα είναι επίσης εκτεταμένη. Τέλος, δεν πρέπει να ξεχάσουμε να αναφέρουμε τα laser pointer και τη ζωτική τους συνεισφορά στις παρουσιάσεις διαλέξεων κι ομιλιών γενικότερα όπως και στην εκ του μακρόθεν στόχευση κινούμενων στόχων κυρίως ποδοσφαιριστών κατά τη διάρκεια αγώνων τα Σαββατοκύριακα. 9.5 Laser ελευθέρων ηλεκτρονίων Η παραγωγή ακτινοβολίας laser από ελεύθερα ηλεκτρόνια (Free Electron Laser FEL) βασίζεται σε εντελώς διαφορετικές αρχές από τα μέχρι τώρα εξετασμένα συμβατικά laser. Ο μηχανισμός παρουσιάζεται στο σχήμα 9.14 Μια δέσμη ηλεκτρονίων επιταχύνεται σε ταχύτητες σχεδόν αυτής του φωτός και εισέρχεται σε μια περιοχή που ονομάζεται undulator. Πρόκειται για ένα χώρο με εναλλασσόμενο κατά φορά μαγνητικό πεδίο που παράγεται από μια περιοδική διάταξη μαγνητών με εναλλασσόμενους πόλους κατά μήκος της ευθείας κίνησης της δέσμης των ηλεκτρονίων που καλείται άξονας του undulator. Το σχηματιζόμενο με αυτό τον τρόπο μαγνητικό πεδίο αναγκάζει τα ταχέα ηλεκτρόνια να ταλαντωθούν στο κάθετο στον άξονα του undulator επίπεδο διαγράφοντας τελικά ημιτονοειδή κίνηση γύρω από τον άξονα του undulator. Σχ Η διάταξη ενός laser ελευθέρων ηλεκτρονίων. Η παραπάνω ταλαντωτική κίνηση των ηλεκτρονίων έχει ως αποτέλεσμα την εκπομπή ακτινοβολίας (ακτινοβολία synchrotron) που είναι μεν μονοχρωματική αλλά ασύμφωνη, εξαιτίας του γεγονότος ότι τα ηλεκτρομαγνητικά εκπεμπόμενα κύματα προέρχονται από τυχαίως κατανεμημένα ηλεκτρόνια. Εάν μια εξωτερική δέσμη laser προστεθεί στον άξονα του undulator ή η ακτινοβολία synchrotron γίνει αρκετά ισχυρή, τότε το κάθετο στο άξονα ηλεκτρικό πεδίο της ακτινοβολίας αλληλεπιδρά με τα ηλεκτρόνια στον άξονα της κάθετης αρμονικής κίνησής τους προσδίδοντας ή αφαιρώντας τους κινητική ενέργεια. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να σχηματιστούν περιοδικές ηλεκτρονικές πυκνότητες με περίοδο ενός οπτικού κύκλου κατά μήκος του άξονα του undulator. Κατά συνέπεια η εκπεμπόμενη ακτινοβολία synchrotron συμβάλλει ενισχυτικά και η προκύπτουσα ακτινοβολία είναι σύμφωνη κι άρα είναι laser. Καθώς η ένταση της ακτινοβολίας του FELμεγαλώνει το φαινόμενο ενισχύεται ακόμη περισσότερο ως τα όρια του κορεσμού. 131

18 Τέλος Ενότητας

19 Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.

20 Σημειώματα

21 Σημείωμα Ιστορικού Εκδόσεων Έργου Το παρόν έργο αποτελεί την έκδοση 1.0. Έχουν προηγηθεί οι κάτωθι εκδόσεις: Έκδοση 1.0 διαθέσιμη εδώ. id=1141.

22 Σημείωμα Αναφοράς Copyright Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων, Διδάσκων : Επίκ. Καθ. Μ. Μπενής. «Φυσική των Laser. ΕΙΔΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ LASER». Έκδοση: 1.0. Ιωάννινα Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση: d=1141.

23 Σημείωμα Αδειοδότησης Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Αναφορά Δημιουργού - Παρόμοια Διανομή, Διεθνής Έκδοση 4.0 [1] ή μεταγενέστερη. [1] by-sa/4.0/