Princip činnosti, rozdelenie a charakterizácia laserov AOEaL
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
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) 21 2 21 1 12 η ak g 2 N N 1 g 2 > 1 0 21 2 g g 1 1 21 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.
Trojúrovňový kvantový systém E N 3 Nežiarivý prechod 3 V termodynamickej rovnováhe: dn 3 N3 N3 = + p13(n1 N dt τ τ 32 31 3 ) čerpanie N 2 N 1 Žiarivý prechod Prahová podmienka zosilnenia: 13 31 21 N 32 1 2 31 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 1 32 31 N 3 ) = N0ηω 2τ 21 13 Energeticky málo účinný! Problémy s protichodnými požiadavkami na efektívne čerpania a inverznú populáciu.
Štvorúrovňový kvantový systém E 3 čerpanie Nežiarivý prechod Žiarivý prechod Nežiarivý prechod Prahová podmienka zosilnenia: 1 2 4 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 24 41 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 13 13 1 3 ) τ kt 24 Až 100-krát menej ako 3-úrovňový systém! Oveľa vyššia účinnosť.
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, )
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)
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.
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.)
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
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)
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
Plynové lasery
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.
Plynové lasery Podľa typu energetických prechodov možno plynové lasery rozdeliť na: -atómové, - iónové, - molekulové, - excimérové, - s parami kovov a iných prvkov, -iné.
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.
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: ~ 100 200 Pa rozmery trubice: priemer φ = 1 5 mm, dĺžka l = 10 200 cm účinnosť: η ~ 0,1 % čerpanie: prúd I ~ 10 50 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 ~ 15 60 mw
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).
Energetický diagram He-Ne lasera He-Ne laser TEM 00 TEM 02
He-Ne laser Konštrukcia nepriepustné zrkadlo katóda výbojová trubica anóda polopriepustné zrkadlo zmes He : Ne laserový zväzok kapilára Brewsterove okienka
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.
Argonóvý laser Je to iónový plynový laser, patrí medzi najvýkonnejšie lasery vo viditeľnej časti spektra (modrá - zelená). Základné parametre: vlnová dĺžka: λ = 450 530 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: 10 100 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 ~ 20 40 A, napätie U ~ 300 800 V výstupný výkon: 10-30 W potreba chladenia: vodné 5 10 l/minútu pre menšie výkony dnes aj vzduchom chladené
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).
Argonóvý laser Energetický diagram UV VIS
Argonóvý laser Konštrukcia capillary water cooling non-transparent mirror cathode solenoid anode semitransparent mirror laser tube output beam Brewster s angle window
Argonóvý laser Aplikácie: - výskum atómová fyzika, chémia, spektroskopia - čerpací laser pre preladiteľné kvapalinové lasery - mikrolitografia, mikrotechnológie v polovodičovom priemysle - zdravotníctvo - zábavý priemysel, laser show
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.
Energetický diagram CO 2 laser
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 ~ 400 700 Pa rozmery trubice: priemer φ ~ 20 mm, dĺžka l = 10 200 cm účinnosť: η ~ 10 20 % čerpanie: prúd I ~ 100 200 ma (0,1 10 A) napätie U ~ 8 15 kv Rozdelenie podľa výstupného výkonu na: malé výkony Pout < 100 W stredné výkony Pout ~ 100-1000 W vysoké výkony Pout > 1000 W
CO 2 laser Konštrukcia: - kovové zrkadlá a šošovky z Ge a GaAs - pri vysokých výkonoch problém s ohrevom výstupných okien - životnosť trubíc ~ 10 000 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
CO 2 laser Konštrukcia CO 2 lasera s pomalým prietokom plynu
CO 2 laser Aplikácie: - typický technologický laser rezanie, zváranie, žíhanie... - automobilový priemysel, - všeobecné strojárstvo - výskum - medicína - chirurgia - vojenské využitie -LIDAR
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*
Energetický diagram Excimérové lasery
Excimérové lasery Základné parametre Vlnová dĺžka: λ = 150 350 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
Konštrukcia Excimérové lasery
Excimérové lasery Aplikácie: - technológie pre mikroelektroniku - mikrotechnológie - výskum - vojenské využitie - chemický priemysel - zdravotníctvo operácie očí - jadrová syntéza
Otázky?