Prezentacja przygotowana przez Elżbietę Gęsikowską Podwójnie domieszkowane lasery włóknowe generujące promieniowanie o długości fali 2 mm Prezentacja przygotowana przez Elżbietę Gęsikowską

Lasery włóknowe płaszcz rdzeń światłowód włóknowy – światłowód o przekroju kołowym i długości wielokrotnie większej od jego średnicy światło w światłowodzie jest prowadzone w wyniku zjawiska całkowitego wewnętrznego odbicia na granicy dwóch ośrodków tzn. rdzenia i płaszcza lasery włóknowe zazwyczaj pracują jednomodowo lasery włóknowe są pompowane światłem półprzewodnikowych diod laserowych

Lasery włóknowe Zalety: bardzo wysokie gęstości mocy promieniowania bardzo małe straty propagacyjne z reguły nie wymagają one chłodzenia bardzo duże wzmocnienie najniższe (w przypadku laserów na ciele stałym) moce progowe (1 mW) najwyższe sprawności różniczkowe (nawet 80%) generują silne promieniowanie o dużej kierunkowości i dobrze określonej strukturze modowej Wady zjawiska nieliniowe niewielkie ilości domieszek

Lasery włóknowe dużej mocy zewnętrzny płaszcz wewnętrzny płaszcz rdzeń Cechy włókna z podwójnym płaszczem rdzeń domieszkowany jonami aktywnymi (typowo Nd 3+, Yb 3+) średnica rdzenia aktywnego wynosi zwykle 8–15 mm średnica płaszcza wewnętrznego 200–300 mm

Lasery włóknowe Yb3+-Ho3+ zalety użycia szkła kwarcowego: amorficzne matryce mogą znieść wyższe koncentracje iterbu niż większość kryształów pozwala to na dłuższe spontaniczne czasy życia na górnym poziomie laserowym w holmie inne zalety: niewielkie straty w zakresie podczerwieni niezbyt wysoki współczynnik załamania mała podatność na zmiany temperatury duża odporność mechaniczna i chemiczna brak higroskopijności (zdolność do pochłaniania wody i pary wodnej) wady: można je domieszkować tylko niewielkimi ilościami jonów pierwiastków ziem rzadkich wysokie prawdopodobieństwo przejść bezpromienistych konkurujących z relaksacją promienistą

Lasery włóknowe Yb3+-Ho3+ Dlaczego 2 mm, czyli lasery „bezpieczne dla wzroku” ? podstawowe zagrożenia wzroku dotyczą długości fal z zakresu 400 – 1400 nm promieniowanie o długości fal spoza powyższego zakresu jest silnie absorbowane przez tkanki, nie wnika do wnętrza oka i nie uszkadza siatkówki lasery te wykazują korzystne charakterystyki propagacyjne promieniowania w różnych ośrodkach największy zasięg ma promieniowanie o długości 1,54 mm zastosowania: telekomunikacja radary optyczne pomiary dalekiego zasięgu (np.: obserwacja satelitarna powierzchni Ziemi) detekcja zanieczyszczeń w medycynie (mikrochirurgia - 2 mm) zastosowania militarne

Lasery włóknowe Yb3+-Ho3+ Australijski laser: holm – 1% wagi iterb – 0,1% włókno o przekroju w kształcie litery „D” emitował światło o długości 2,1 mm maksymalna moc wyjściowa około 850 mW dla mocy pompującej 10,9 W dichroiczne lustro z jednej strony i fresnelowskie odbicie od drugiego końca włókna

Lasery włóknowe Yb3+-Ho3+ Dlaczego włókno o przekroju w kształcie litery „D” ? dla włókien o symetrii kołowej efektywność przekazywania mocy pompującej wynosi około 30% dla symetrii „D” możliwe jest praktycznie pełne wykorzystanie mocy wzbudzenia efektywny współczynnik pochłaniania promieniowania pompy: gdzie a – współczynnik pochłaniania rdzenia, Ar , Ap – powierzchnie odpowiednio rdzenia i płaszcza, Dr, Dp – średnice rdzenia i płaszcza Dichroizm (dwubarwność) - właściwość niektórych kryształów dwójłomnych polegająca na tym, że współczynniki pochłaniania dla promienia zwyczajnego i nadzwyczajnego są różne

Lasery włóknowe Yb3+-Ho3+ Domieszki: holm – Ho lantanowiec, metal liczba atomowa – 67 żaden z poziomów absorpcji (najniższy 650 nm) nie leży w zakresie efektywnej generacji laserów półprzewodnikowych trójpoziomowy układ pracy iterb – Yb liczba atomowa – 70 posiada szerokie pasmo absorpcji w zakresie 920-980 nm odpowiadającym zakresowi pracy diod laserowych o największej mocy dwupoziomowy układ pracy wrażliwość na temperaturę (mały odstęp pomiędzy pośrednim poziomem laserowym a najniższym poziomem stanu podstawowego)

Lasery włóknowe Yb3+-Ho3+ Rys.1 Dwa poziomy energii dla iterbu (po lewej stronie rysunku) oznaczają stan wzbudzony oraz podstawowy. Trzy poziomy niższej energii podobnie jak dwa wyższe poziomy wzbudzone oznaczone jako s1 i s2 przedstawiają poziomy energetyczne dla holmu, przy czym przejścia na poziomy s1 i s2 wskazują proces, poprzez który energia jest tracona. W idealnym przypadku jony iterbu absorbują fotony pompowania i przechodzą na poziom wzbudzony. Energia jest przenoszona z iterbu do holmu w procesie konwersji wzbudzenia, więc holm wzbudzany jest z poziomu podstawowego na poziom pompowania a iterb wraca na poziom podstawowy. Następuje relaksacja holmu poprzez proces wielofotonowy do górnego poziomu laserowego, gdzie staje się częścią inwersji obsady. Pojęcia: absorpcja ze stanu wzbudzonego – obsada poziomu wzbudzonego absorbuje foton lasera (pompującego) i przeskakuje na jeszcze wyższy poziom przeniesienie energii procesu konwersji wzbudzenia – energia pobrana w procesie konwersji wzbudzenia powoduje przeniesienie obsady na dużo wyższy poziom (niż poziom pompowania) konwersja wzbudzenia – energia przenoszona jest z sensybilizatora i wzbudza jony drugiej domieszki z poziomu podstawowego na poziom pompowania

Lasery włóknowe Yb3+-Ho3+ Rys.2 Ten laser włóknowy produkuje 850 mW 2,1 mm promieniowania przy przyłożeniu mocy pompującej około 10,9 W. Przy mocy pompującej większej niż 7 W nachylenie krzywej sprawności zmniejsza się z 12,5% do 7,5%. Badacze przypisują to zdegenerowaniu płaszcza włókna przy wyższych mocach pompy.