Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

LASERY Zasada pracy Przekształcanie wiązki Zastosowania (wg. fragmentu wykładu prof.. R. Jóżwickiego Podstawy Inżynierii Fotonicznej)

Podobne prezentacje


Prezentacja na temat: "LASERY Zasada pracy Przekształcanie wiązki Zastosowania (wg. fragmentu wykładu prof.. R. Jóżwickiego Podstawy Inżynierii Fotonicznej)"— Zapis prezentacji:

1

2 LASERY Zasada pracy Przekształcanie wiązki Zastosowania (wg. fragmentu wykładu prof.. R. Jóżwickiego Podstawy Inżynierii Fotonicznej)

3 Transmisja i absorpcja fotonów przez ośrodek E Obsadzenie poziomów energetycznych zbioru atomów w stanie termodynamicznie ustalonym Im wyższy poziom energetyczny tym mniejsze prawdopodobieństwo obsadzenia Poglądowy rysunek 2 1 h 01 Emisja wymuszona identyczne fotony 1 2 h 01 Absorpcja i emisja spontaniczna E

4 Obsadzenie poziomów Rozkład (Ludwiga) Boltzmanna E i – energia i-tego poziomu k – stała Botzmanna T – temperatura [K] E N1N1 N3N3 N2N2 N i – obsadzenie poziomu i Obsadzenie = liczba atomów wzbudzonych do poziomu i im wyższy poziom energetyczny tym mniej atomów na tym poziomie W stanie energetycznie ustalonym

5 Transmisja fotonów przez ośrodek konieczna inwersja obsadzeń, kiedy bardziej prawdopodobna emisja wymuszona niż absorpcja Wzmocnienie (Alfred) Kastler ( ) odkrył zjawisko pompowania 1966 – nagroda Nobla (T.H.) Maiman 1960 pierwszy laser rubinowy W stanie równowagi termicznej akty absorpcji bardziej prawdopodobne 0 = h d

6 Lasery pompowanie lasera rubinowego pompa h 13 h 12 rubin Pompowanie przez naświetlanie fotonami 13 Wzmocnienie między poziomami 2 1 Energia bezpromienistego przejścia zamienia się na ciepło niekorzystne zjawisko Układ poziomów energetycznych lasera rubinowego - korund domieszkowany jonami Cr 3+ pompa h 13 przejście bezpromieniste h 12 poziom podstawowy poziom metastabilny

7 Lasery pompowanie lasera gazowego na przykładzie lasera He-Ne 2 He 3 Ne 1 Ne 2 Ne zderzenie z elektronami = 0.63 m 1 He HelNeon zderzenia ze ściankami kapilary zderzenia atomów Przepływ prądu w mieszaninie dwóch gazów He-Ne Znacznie więcej atomów He niż Ne Elektrony zderzają się przede wszystkim się z He. Pompowanie na He Hel przekazuje energię do neonu podczas zderzenia Przejścia laserowe w neonie Dobór optymalnego prądu. Zbyt duży prąd zaludnia poziom 2 Ne

8 Zasada pracy lasera Zwierciadła 1 i 2 tworzą rezonator Fabry-Perot Strumień fotonów propagując się oscylacyjnie między zwierciadłami wzmacnia się w napompowanym ośrodku do stanu nasycenia Przez częściowo przepuszczalne zwierciadło 2 wyprowadzana jest wiązka użyteczna las Zwierciadła rezonatora są sferyczne, aby uniknąć krytycznego warunku na równoległość zwierciadeł płaskich Laser jest samowzbudnym generatorem promieniowania pompa 12 las

9 Akronim L A S E R jest mylący Opticzeskij Kwantowyj Genierator OKG oddaje sens fizyczny lasera L ight A mplification by S timulated E mission of R adiation M icrowave A mplification by S timulated E mission of R adiation Maser był tylko wzmacniaczem wywodzi się z masera

10 Modowość wiązki laserowej Rozkłady pola nie spełniające warunku zgodności faz są tłumione Konfiguracje pola spełniające warunek zgodności faz dla określonej długości fali nazywamy modami TEM – poprzeczne (Transverse) pole Elektryczne i Magnetyczne Oscylacyjna propagacja promieniowania w rezonatorze tworzy zbiór interferujących wiązek. Ich wzmacnianie jest możliwe tylko przy pełnej zgodności faz między nimi las mody poprzeczne – rozkłady przestrzenne TEM mody podłużne – widmo wiązki dla danego modu poprzecznego Dla wygody rozróżnia się :

11 Kształt wiązki laserowej mody poprzeczne Różne wartości amplitud na czole fali – wyniki interferencji d Warunek zgodności faz interferujących wiązek 1, 2, 3 w rezonatorze czoła fali pokrywają się z powierzchnią zwierciadeł TEM 00 wiązka gaussowska przewężenie czoła fali Poszczególne mody są numerowaneTEM mn m, n = 1, 2, 3,..

12 Wiązka gaussowska 2w - średnica wiązki w przekroju przewężenie z 2w r r 0 IzIz I I z /e 2 W każdym przekroju (dla każdego z) gaussowski rozkład intensywności I z – intensywność na osi o obrotowej osi symetrii

13 Wiązka gaussowska przewężenie z 2w r 2 2w 0 Parametr konfokalny wiązki 2w 0 – średnica przewężenia wiązki podawana przez producentów lasera Kąt rozbieżności wiązki (pojęcie użyteczne dla dużych odległości z >> D) 2w – średnica wiązki w danym przekroju (definiuje kształt wiązki) Wyznaczenie rozkładu intensywności I(r,z) i kształtu wiązki I z – rozkład intensywności na osi wiązki I(0,0) – w środku przewężenia

14 Kształt wiązki laserowej mody poprzeczne cd Przybliżenia dla średnic wiązki w różnych odległościach z dla z << D dla z >> D relacja geometryczna gdyż 2w 2 z

15 Niezmiennik wiązki gaussowskiej Dla lasera He-Ne i = m i typowej średnicy przewężenia 2w 0 = 1 mm kąt rozbieżności 2 = = 2.77 Zmniejszenie średnicy przewężenia 2w 0 powoduje jednoczesne powiększenie kąta rozbieżności 2 Jednoczesne zmniejszanie 2w 0 i 2 jest możliwe tylko przez wybór lasera generującego promieniowanie o krótszej długości fali K !!

16 Mody poprzeczne wyższych rzędów Laser może generować jednocześnie różne mody TEM mn Rozkłady intensywności kilku pierwszych modów TEM mn Wadą jest niejednorodność wiązki Przy zakupie lasera gazowego zaznaczać pracę jednomodową Warunek nie do spełnienia w laserach na ciele stałym a szczególnie w laserach półprzewodnikowych

17 Widmo wiązki laserowej mody podłużne Każde K może być generowane dla spełnionego warunku generacji Dla lasera He-Ne m i długości rezonatora 0.5 m K jest rzędu i dokładnie nie może być znane Odległość w widmie między sąsiednimi modami K = 1 W rezonatorze interferencja promieni 1, 2, 3,... Warunek zgodności faz dla K-tego modu K – liczba całkowita d 1 2 3

18 sód wodór rtęć hel neon Linie widmowe lamp spektralnych Długość fali nm

19 Widmo wiązki lasera He-Ne - szerokość modu odległość międzymodowa L nm Szerokość połówkowa linii Ne = 633 nm K K-1 K-2 K+1K-3 K+2 poziom generacji K+3 Linia widmowa Ne potencjalne mody Dla długości rezonatora d = 0.5 m i = nm Generacja kilku modów podłużnych Na rysunku 7 modów od K-3 do K+3 Wartość K nieznana Dla lasera z jednym modem szerokość widma bardzo mała, ale 0 Laser potocznie zwany jednoczęstotliwościowym Laser nie jest źródłem światła monochromatycznego K!!

20 Przekształcanie wiązki przez układy optyczne Znamy D (parametr konfokalny) i x p położenie przewężenia wiązki przedmiotowej. Znaleźć D i x p wiązki obrazowej -x p -x F F xpxp x 2w2w 0 2w n = 1 2w 0 płaszczyzna przewężenia Obrazem płaszczyzny jest płaszczyzna, a więc wyznaczenie położenia gdyż wyznaczenie kształtu wiązki obrazowej Aby wyznaczyć położenia płaszczyzny przewężenia w przestrzeni obrazowej należy znaleźć takie x, dla którego 2w = min

21 Przekształcanie wiązki przez układy optyczne cd -x p -x F F xpxp x 2w2w 0 2w n = 1 2w 0 -z Ponieważ Po uwzględnieniu relacji i po przekształceniach Z warunku

22 Przekształcanie wiązki przez układy optyczne cd parametry wiązki przekształconej położenie przewężenia parametr konfokalny Podstawiając x = x p znajdziemy 2w = 2w 0 Ponieważ D = kw 0 2, ostatecznie oznaczając

23 Przekształcanie wiązki przez układy optyczne cd Przewężenie wiązki obrazowej nie jest obrazem przewężenia wiązki przedmiotowej Wiązkę gaussowską nie można traktować jako fali sferycznej ani płaskiej Dla fali sferycznej F f Ob Obraz ogniska przedmiotowego F przewężenie x p = 0 Dla wiązki gaussowskiej, gdy płaszczyzna przewężenia pokrywa się z ogniskiem przedmiotowym F obiektywu Ob Ob F F przewężenie f f Ponieważ Paradoks ogniskowania

24 Ogniskowanie wiązki F 2w 0 2 Średnica przewężenia wiązki obrazowej małe D Dla dużych kątów niezmiennik Małe 2w 0 duży kąt rozbieżności 2 Realnie 2w 0min 2 max 40 0 Najprościej krótka ogniskowa f obiektywu mikroskopowego Laser 2

25 Minimalizacja kąta rozbieżności D max ponieważ Aby uzyskać 2 min należy pokryć przewężenia wiązki lasera z ogniskiem F układu (x p = 0) i zastosować układ o odpowiednio długiej ogniskowej f należy przyjąć ponieważ F F f f przewężenie 2w 0 2 Z niezmiennika małe 2 duże 2w 0

26 Problem księżycowy Więc wymagana ogniskowa obiektywu układ technicznie nie do zrealizowania Zadanie: Zaproponować taki układ optyczny, aby na księżycu średnica oświetlonej powierzchni wynosiła 1 km Odległość do księżyca z = 370 tys. km Typowy laser He-Ne = m Średnica przewężenia 2w 0 = 0.5 mm, z niezmiennika mamy dla wiązki lasera 2 = Wiązka samego lasera daje plamkę o średnicy Niezbędny kąt rozbieżnościDla obiektywu o ogniskowej f będzie

27 Problem księżycowy cd Dlatego stosuje się układy bezogniskowe złożone z dwóch elementów, przy czym pierwszy ma za zadanie zogniskować wiązkę do małej średnicy przewężenia Zgodnie z relacją przekształcać wiązkę o mniejszej średnicy przewężenia 2w 0 w celu skrócenia ogniskowej należy Jeżeli f 1 = 8 mm wystarczy ale wtedy rozszerzacz wiązki Laser F1F1 F2F2 f2f2 f1f1 pinhol w 02 2w 01

28 Wybrane typy laserów Najczęściej wykorzystywana linia czerwona = m. Również = (żółta linia), 1.15 i 3.39 m (IR) Wewnętrzny rezonator Światło niespolaryzowane Laser He-Ne Powszechnie stosowany w badaniach i technice, szczególnie optycznej i fotonicznej Moce od kilku do nawet 100 mW Zwarta budowa, czas pracy 20 tys. godzin. Na żądanie czysty mod TEM 00 1 – zwierciadła 2 - elektrody Zewnętrzny rezonator. Przez płytkę Brewstera jedna ze składowych polaryzacji przechodzi bezstratnie Światło spolaryzowane liniowo

29 Budowa kompaktowa lasera He-Ne

30 Lasery gazowy CO 2 Pompowanie na molekułach N 2 akcja laserowa na CO 2 Długości fal 10.6 m Wyjątkowo wysoka sprawność 20 – 30 % laser do celów technologicznych Moce w pracy cw od 10 W do wielu kW Pompowanie przez naświetlanie pręta B Lampa wyładowcza Zwierciadło eliptyczne Pręt laserowy Typowa budowa rezonatora Laser na ciele stałym Nd:YAG Długości fal 1.06 m Moce do 30 W Częstotliwość do 100 kHz Laser do celów technologicznych

31 Inne lasery He-Cd jonowy na parach Cd = nm jak He-Ne Argonowy jonowy na parach Ar wiele linii w paśmie widzialnym moc kilka W cw

32 Półprzewodniki W termicznej równowadze na skutek termicznych oddziaływań jednocześnie dwa procesy Proces emisyjnej rekombinacji Generacja pary elektron – dziura – przejście elektronu do pasma przewodnictwa Anihilacja pary elektron – dziura – powrót elektronu do pasma walencyjnego połączony z emisją fotonu lub zamiany na energię drgań siatki krystalicznej h

33 Lasery półprzewodnikowe LED Light emitting diode laser Porównanie diody i lasera pn +- Ścianki odbijające rezonator Dla współczynnika załamania GaAs (3.5) współczynnik odbicia ścianki (31%) bez pokrycia wystarczający do wywołania akcji laserowej Pompowanie elektryczne przez wstrzyknięcie elektronów Krawędzie odbijające w celu wywołania generacji za pomocą emisji wymuszonej

34 Emisja spontaniczna duży kąt rozbieżności szerokie widmo [ m] In x Ga x As x P x GaAs x P zx GaAs GaPN GaN najbardziej popularne diody niebieskie LEDy cd PbSnTe i PbSSe = 3 – 30 m GaInPAs = 1,3 – 1.55 m

35 Oświetlenie kasyna Breda w Holandii Na podstawie Photonics Spectra, styczeń 2005, str. 81

36 Na podstawie Oemagazine, October 2005, str.10 Oświetlenie dekoracyjne mostu w Los Angeles 160 LED o mocy 19.5 W każda generujących światło niebieskie

37 Laser półprzewodnikowy Perspektywiczny dla fotoniki Pompowanie prądem Warstwa falowodowa o grubości 2 m i szerokości 10 m Duże kąty rozbieżności odpowiednio 30 x 5 0 Symetria wiązki uzyskiwana przez dodatkowe układy cylindryczne lub pryzmatyczne

38 Laser półprzewodnikowy cd Technologia półprzewodnikowa Struktury wielozłączowe Laser InGaN/GaN

39 Laser półprzewodnikowy cd Prąd powyżej progu generacji - laserZawężenie widma Mody podłużne lasera InGaAsP duża odległość międzymodowa Krótki rezonator

40 Rozwój techniki lata

41 Moce od mW nawet do kilkudziesięciu W cw Małe wymiary Łatwość sterowania prądem o częstotliwościach rzędu GHz Pasmo od 400 nm do 10 m Zastosowania w telekomunikacji światłowodowej do twardych dysków itp. Macierze mikrolaserów Średnice od 1 do 5 m Laser półprzewodnikowy cd

42 Duży kąt rozbieżności 2 różny w różnych przekrojach Nieregularny rozkład przestrzenny wiązki Silny wpływ temperatury na moc generowaną i generowaną długość fali Wpływ pasożytniczego promieniowania na charakterystykę Konieczność stosowania izolatorów optycznych Łatwość uszkodzeń przy przekroczeniu dopuszczalnego prądu Wady Laser półprzewodnikowy cd

43 Niektóre zastosowania laserów (nie tylko półprzewodnikowych)

44 Laserowa obróbka materiałów Szerokość impulsu [s] Gęstość mocy W/cm 2 utwardzanie znakowanie drążenie cięcie spawanie przetapianie hartowanie szkliwienie

45 Lidar

46 Zastosowanie w geodezji przykłady Wskaźniki kierunku; niwelatory pionowniki Laser Obrót pryzmatu odbiornik Niwelowanie terenu Laser Drążenie tunelu

47 Medycyna cd Wpływ fotobiochemiczny He-Ne półprzewodnikowy barwnikowy Gęstość mocy W/cm 2 Szerokość impulsu [s] J/cm 2 Wpływ fototermiczny Przegrzanie Koagulacja Zwęglanie Odparowanie Wpływ fotojonizacyjny Rozerwanie Współzależność gęstości mocy i szerokości impulsu

48 Zastosowanie w stomatologii - ciekawostka Pomiar uszkodzeń szkliwa zębów u dzieci spowodowanych piciem napojów bezalkoholowych lub używaniem zbyt ziarnistej pasty

49 Różnice między promieniowaniem lasera a promieniowaniem źródeł klasycznych Laser generuje promieniowanie w małym kącie rozbieżności f 2a 2 Źródło klasyczne Kąt rozbieżności Małe 2 duże straty energetyczne

50 Różnice między promieniowaniem lasera a promieniowaniem źródeł klasycznych Laser generuje promieniowanie w wąskim przedziale Źródło klasyczne M Wąski przedział monochromator Duże straty energetyczne

51 Różnice między promieniowaniem lasera a promieniowaniem źródeł klasycznych Analogiczne wnioski dla generacji impulsów W klasycznym źródle krótki impuls uzyskiwany przez migawkę - modulator minimum t 0.1ns ns = s Cała energia promieniowania lasera w impulsie współcześnie t pojedyncze fm fm = s

52 Uzyskano nieznane dotychczas możliwości zagęszczania energii w przestrzeni, widmie i w czasie Laser - genialne źródło promieniowania Teoretycznie takie same małe kąty rozbieżności, wąskie widmo i krótkie czasy impulsów można uzyskać i za pomocą źródeł klasycznych ale przy nieosiągalnych mocach źródeł

53 Laser jest genialnym źródłem Przykład Laser He-Ne moc P las = 100 mW = nm Średnica przewężenia 2w 0 = 1 mm Kąt rozbieżności 2 = (2.77) Chcemy uzyskać to samo natężenie promieniowania za pomocą źródła klasycznego Moc źródła klasycznego - kąt bryłowy wiązki lasera 2w 2 z

54 Literatura podstawowa poziom wyższy naukowa Literatura uzupełniająca R. Jóźwicki Optyka laserów - WNT, Warszawa 1981 H. Klejman Lasery (Biblioteka Problemów) - PWN, Warszawa 1979 R.Jóźwicki: Podstawy inżynierii fotonicznej. Ofic,Wyd. PW, Warszawa 2006


Pobierz ppt "LASERY Zasada pracy Przekształcanie wiązki Zastosowania (wg. fragmentu wykładu prof.. R. Jóżwickiego Podstawy Inżynierii Fotonicznej)"

Podobne prezentacje


Reklamy Google