Princip činnosti, rozdelenie a charakterizácia laserov. AOEaL

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "Princip činnosti, rozdelenie a charakterizácia laserov. AOEaL"

Λάζαρος Γερμανός
7 χρόνια πριν
Προβολές:

1 Princip činnosti, rozdelenie a charakterizácia laserov AOEaL

2 Konštrukcia laserov Každý laser (optický kvantový generátor) pozostáva z troch základných častí: - aktívnej látky - optického rezonátora - čerpacieho zdroja ZRKADLÁ OPTICKÉHO R 1 ~ 1 REZONÁTORA R 2 < 1 AKTÍVNA LÁTKA VÝSTUPNÝ ZVÄZOK ZDROJ ČERPANIA

3 Aktívne látky laserov E 0 Aktívna AE 0 látka Absorpcia B 12 B 21 E 2, N 2 Vyžiarenie A 21 = 0! čerpanie ħω 21 E 1, N 1 Pre zosilnenie v látke aktívna látka musí platiť: A > 1 de dt = de > dt ηω 0 ( ) ( ) 2 N B N B ρ ω = ω N N B ρ( ω) η ak g 2 N N 1 g 2 > g g de dt > 0 pre g 2 = g 1 = 1 N 2 N 1 > 0 N 2 > N 1. stav s inverznou populáciou Najjednoduchší kvantový systém pri ktorom možno dosiahnuť inverznú populáciu vonkajším čerpaním je trojúrovňový systém.

4 Trojúrovňový kvantový systém E N 3 Nežiarivý prechod 3 V termodynamickej rovnováhe: dn 3 N3 N3 = + p13(n1 N dt τ τ ) čerpanie N 2 N 1 Žiarivý prechod Prahová podmienka zosilnenia: N dn dt 2 N2 N3 = τ 21 + τ 32 N 1 + N 2 + N 3 = N 0 dn 3 /dt = dn 2 /dt = 0 p13τ 31( τ 21 τ32) τ31 τ32 N2 N1 = N0 τ 31 τ32 τ 21 τ32 p τ ( τ + 2τ ) + τ + τ 32 p τ13 + τ32 1 τ = + τ13( τ 21 τ32) τ 21 τ32 τ 13 1 P c min = ηω 13 p 13 (N N 3 ) = N0ηω 2τ Energeticky málo účinný! Problémy s protichodnými požiadavkami na efektívne čerpania a inverznú populáciu.

5 Štvorúrovňový kvantový systém E 3 čerpanie Nežiarivý prechod Žiarivý prechod Nežiarivý prechod Prahová podmienka zosilnenia: V termodynamickej rovnováhe: ηω 41 N4 = N1 exp( ) kt dn dt dn dt dt 3 3 = p13(n N 1 N 3) τ32 N = τ 2 3 N2 32 τ 24 dn4 η 41 N2 1 ω = N4 N1 exp( ) τ τ kt N 1 + N 2 + N 3 + N 4 = N 0 dn 3 /dt = dn 2 /dt = dn 4 /dt = 0 1 τ ηω exp( kt 41 p13 τ24 41 ) τ 24 τ 41 N0ηω 13 ηω P p (N N ) exp( 41 c min = ηω ) τ kt 24 Až 100-krát menej ako 3-úrovňový systém! Oveľa vyššia účinnosť.

6 Čerpanie laserov Typickými metódami čerpania aktívnych látok sú pre rôzne typy laserov nasledovné metódy (1): Pre plynové lasery jednosmerný výboj v plyne vysokofrekvenčný výboj v plyne chemické reakcie kombinácia chemického a fyzikálneho čerpania (napr. dynamický CO 2 laser) Pre tuhofázové dielektrické lasery nekoherentné optické čerpanie - Xe, Kr, Hg výbojky koherentné optické čerpanie - čerpanie pomocou iných laserov, napr. polovodičových laserových diód (DPSS lasery Nd:YAG, vláknové, )

7 Čerpanie laserov Typickými metódami čerpania aktívnych látok sú pre rôzne typy laserov nasledovné metódy (2): Pre kvapalinové lasery koherentné optické čerpanie čerpanie pomocou iného lasera s vhodnou vlnovou dĺžkou (dusíkový laser, argónový laser, 2 a 3 harmonická Nd:YAG lasera, ) nekoherentné optické čerpanie - Xe, Kr výbojky Pre polovodičové lasery injekcia nosičov cez p-n priechod optické čerpanie čerpanie pomocou elektrónového zväzku (iba vo výskume)

8 Optické rezonátory laserov Optický rezonátor je tvorený zrkadlami. Podľa tvaru zrkadiel rozdeľujeme na rezonátory na: Fabry Perotove rovinné zrkadlá Konfokálne polguľové zrkadlá s totožným ohniskom Koncentrické polguľové s totožným stredom krivosti Hemisférické jedno zo zrkadiel je polguľové, druhé rovinné.

9 Optické rezonátory laserov Zrkadlá optického rezonátora môžu byť: A. Podľa umiestnenia -interné (priamo na aktívnej látke) - externé (na optickej lavici) B. Podľa konštrukcie - kovové (neselektívne, robustné, odolné, R max ~ 96%) - dielektrické (selektívne, multivrstvové, R max ~ 99%) - špeciálne (prizmy, Braggove mriežky a pod.)

10 Rozdelenie laserov Lasery delíme podľa aktívnej látky na: 1. plynové atómové iónové molekulové 2. kvapalinové (farbivové) s organickými farbivami s anorganickými farbivami 3. tuhofázové dielektrické kryštalické amorfné 4. polovodičové priame polovodiče

11 Rozdelenie laserov Lasery delíme podľa výkonu na: 1. lasery veľmi malých výkonov (do 1-2 mw) 2. lasery malých výkonov (do 500 mw) 3. lasery stredných výkonov (do 100 W) 4. lasery veľkých výkonov (do 1 kw) 5. lasery veľmi veľkých výkonov (nad 1 kw)

12 Rozdelenie laserov Lasery delíme podľa vlnovej dĺžky na: 1. IČ lasery 2. VIS lasery 3. UV lasery Lasery delíme podľa režimu činnosti na: 1. kontinuálne lasery 2. impulzné lasery 3. lasery s moduláciou kvality (Q switch) 4. kvázikontinuálne lasery

13 Plynové lasery

14 Plynové lasery Predstavujú najširšiu skupinu laserov s možnosťou generácie žiarenia v celom optickom spektre (UV, VIS, IR). Osobitosť plynných aktívnych látok: - veľká optická homogenita, čo umožňuje využiť na získanie indukovaného žiarenia väčšie objemy aktívnej látky a získať tak veľké intenzity žiarenia, - malá interakcia medzi aktívnymi časticami, v dôsledku čoho majú mnohé plyny veľmi úzke spektrálne čiary absorpcie aj emisie žiarenia.

15 Plynové lasery Podľa typu energetických prechodov možno plynové lasery rozdeliť na: -atómové, - iónové, - molekulové, - excimérové, - s parami kovov a iných prvkov, -iné.

16 Plynové lasery Plynové lasery svojim žiarením pokrývajú široké spektrum vlnových dĺžok od IR cez VIS až po UV. Základné typy: - hélium-neónový, - argónový, -CO 2, - excimérové.

17 Hélium-neónový laser (He-Ne laser) He-Ne laser patrí medzi atómové plynové lasery, je to jeden z najpoužívanejších laserov. Základné parametre vlnová dĺžka: λ = 632,8 nm VIS oblasť- červená (1,152 µm, 3,391 µm, IR oblasť) pomer plynov: He : Ne = 6 : 1 (10 : 1) tlak v trubici: ~ Pa rozmery trubice: priemer φ = 1 5 mm, dĺžka l = cm účinnosť: η ~ 0,1 % čerpanie: prúd I ~ ma, napätie U ~ 1 5 kv výstupný výkon: rozdelenie podľa výkonu na He-Ne lasery: s malým výkonom Pout < 1 2 mw so stredným výkonom Pout ~ 2,5 10 (15) mw s vyšším výkonom Pout ~ mw

18 He-Ne laser Princíp činnosti Pomocný čerpací plyn He sa načerpá zrážkami s elektrónmi vytvorenými výbojom v plyne. Prenos energie na nevybudené atómy pracovného plynu Ne sa uskutočňuje nepružnými zrážkami medzi atómomi He a Ne. Atómy He sa po odovzdaní energie vracajú do základného stavu. Žiarivé prechody sa uskutočňujú rekombináciou Ne z vybudeného stavu do nižšieho energetického stavu. Do základného stavu sa atómy Ne dostávajú pomocou zrážok so stenami sklenenej trubice (je potrebná kapilára).

19 Energetický diagram He-Ne lasera He-Ne laser TEM 00 TEM 02

20 He-Ne laser Konštrukcia nepriepustné zrkadlo katóda výbojová trubica anóda polopriepustné zrkadlo zmes He : Ne laserový zväzok kapilára Brewsterove okienka

21 He-Ne laser Aplikácie: - nízkovýkonové aplikácie, spektroskopia - systémy na meranie vzdialeností, metrológia - geodézia vytyčovanie trás - aplikácie v zdravotníctve laserová akupunktúra, biostimulácia - laboratórne lasery výskum - holografia - zábavný priemysel, laserová show - mnohé iné.

22 Argonóvý laser Je to iónový plynový laser, patrí medzi najvýkonnejšie lasery vo viditeľnej časti spektra (modrá - zelená). Základné parametre: vlnová dĺžka: λ = nm viditeľná oblasť hlavné čiary: 458,0 nm 476,5 nm 488,0 nm modrá 496,5 nm 514,5 nm zelená tlak v trubici: Pa rozmery trubice: priemer φ = 2,5 5 mm, dĺžka l = 0,3 1,5 m účinnosť: η~ 0,05 0,2 % čerpanie: prúd I ~ A, napätie U ~ V výstupný výkon: W potreba chladenia: vodné 5 10 l/minútu pre menšie výkony dnes aj vzduchom chladené

23 Argonóvý laser Princíp činnosti Budiacim mechanizmom sú jedno alebo dvojstupňové zrážky iónov alebo atómov elektrónmi (e-) vytvorenými výbojom v plyne. Atómy Ar sa zrážajú s e-, tým sa ionizujú. Ďalej sa ióny zrážkami s e- dostanú na horné laserové úrovne. Ide o takzvané stupňovité budenie. Môže pracovať na jednej alebo viacerých vlnových dĺžkach (single-line, multi-line operation).

24 Argonóvý laser Energetický diagram UV VIS

25 Argonóvý laser Konštrukcia capillary water cooling non-transparent mirror cathode solenoid anode semitransparent mirror laser tube output beam Brewster s angle window

26 Argonóvý laser Aplikácie: - výskum atómová fyzika, chémia, spektroskopia - čerpací laser pre preladiteľné kvapalinové lasery - mikrolitografia, mikrotechnológie v polovodičovom priemysle - zdravotníctvo - zábavý priemysel, laser show

27 CO 2 laser Je to laser s najvyššími dosahovanými výkonmi až desiatky kw vo vzdialenej IČ oblasti (10,6 µm). Je to typicky výkonový laser pre technologické aplikácie. Princíp činnosti K stimulovanej emisia žiarenia dochádza pri kvantových prechodoch medzi rotačno-vibračnými hladinami základného elektrónového stavu molekuly CO2. Úloha atómov He spočíva v tom, že podporujú vyprázdňovanie spodnej laserovej hladiny.

28 Energetický diagram CO 2 laser

29 CO 2 laser Základné parametre vlnová dĺžka λ = 10,6 µm IR oblasť pomer tlaku plynov CO 2 : N 2 : He = 3 : 5 : 14 (typ.) tlak v trubici ~ Pa rozmery trubice: priemer φ ~ 20 mm, dĺžka l = cm účinnosť: η ~ % čerpanie: prúd I ~ ma (0,1 10 A) napätie U ~ 8 15 kv Rozdelenie podľa výstupného výkonu na: malé výkony Pout < 100 W stredné výkony Pout ~ W vysoké výkony Pout > 1000 W

30 CO 2 laser Konštrukcia: - kovové zrkadlá a šošovky z Ge a GaAs - pri vysokých výkonoch problém s ohrevom výstupných okien - životnosť trubíc ~ hodín - pri prevádzke dochádze k rozkladu molekúl CO 2 a N 2 zmena zloženia aktívneho prostredia, preto konštrukcia s prietokom plynu zvýšenie životnosti CO 2 lasery s prietokom plynu: - s pomalým prietokom ~ jednotky litrov za sekundu - s rýchlym prietokom ~ 300 l/s a viac

31 CO 2 laser Konštrukcia CO 2 lasera s pomalým prietokom plynu

32 CO 2 laser Aplikácie: - typický technologický laser rezanie, zváranie, žíhanie... - automobilový priemysel, - všeobecné strojárstvo - výskum - medicína - chirurgia - vojenské využitie -LIDAR

33 Excimérové lasery Excimérové lasery sú významnými zdrojmi koherentného optického žiarenia v ultrafialovej časti optického spektra. Princíp činnosti Zosilňovanie optického žiarenia v dôsledku stimulovaných prechodov (rozpadu) excimérov (excitovaný dimér) z viazaných stavov do stavov základných v: - diméroch vzácnych plynov Ar 2 * - halogenidov vzácnych plynov KrF* - oxidov vzácnych plynov XeO*

34 Energetický diagram Excimérové lasery

35 Excimérové lasery Základné parametre Vlnová dĺžka: λ = nm - UV oblasť Najdôležitejšie lasery: ArF λ = 193 nm KrF λ = 248 nm XeF λ = 308 nm XeCl λ = 350 nm Účinnosť: η ~ 1 % (el.výboj) 10 % (el. lúč) Čerpanie: elek. výbojom, elektrónovým lúčom Priemerný výkon: ~1 100 W Energia v impulze: ~0,1 10 J

36 Konštrukcia Excimérové lasery

37 Excimérové lasery Aplikácie: - technológie pre mikroelektroniku - mikrotechnológie - výskum - vojenské využitie - chemický priemysel - zdravotníctvo operácie očí - jadrová syntéza

38 Otázky?

Σχετικά έγγραφα

Fotonika. Dr.h.c. Prof. Ing. RNDr. Ján Turán, DrSc. 1. kap. FO KEMT FEI TU Košice

Fotonika. Dr.h.c. Prof. Ing. RNDr. Ján Turán, DrSc. 1. kap. FO KEMT FEI TU Košice Dr.h.c. Prof. Ing. RNDr. Ján Turán, DrSc. 1 1 Úvod Fotonika Lasery - kvantové generátory (zosilňovače) Využívajú stimulovanú emisiu žiarenia Vlnová dĺžka od 200 do 13000 nm LASER - Light Amplification