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

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

Obsadzenie poziomów • E N3 Ni – obsadzenie poziomu i Obsadzenie = liczba atomów wzbudzonych do poziomu i Rozkład (Ludwig’a) Boltzmann’a Ei – energia i-tego poziomu k – stała Botzmann’a T – temperatura [K] im wyższy poziom energetyczny tym mniej atomów na tym poziomie W stanie energetycznie ustalonym

  Transmisja fotonów przez ośrodek Wzmocnienie 0 = h   d W stanie równowagi termicznej akty absorpcji bardziej prawdopodobne  konieczna inwersja obsadzeń, kiedy bardziej prawdopodobna emisja wymuszona niż absorpcja  Wzmocnienie (Alfred) Kastler (1902-1984) odkrył zjawisko pompowania 1966 – nagroda Nobla (T.H.) Maiman 1960 pierwszy laser rubinowy

Lasery pompowanie lasera rubinowego Układ poziomów energetycznych lasera rubinowego - korund domieszkowany jonami Cr3+ pompa h13 przejście bezpromieniste 3 2 1 h12 poziom podstawowy poziom metastabilny 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

Przepływ prądu w mieszaninie dwóch gazów He-Ne Lasery pompowanie lasera gazowego na przykładzie lasera He-Ne 2He 3Ne 1Ne 2Ne z elektronami zderzenie  = 0.63 m 1He Hel Neon 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 2Ne

Laser jest samowzbudnym generatorem promieniowania Zasada pracy lasera pompa 1 2 las 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 Laser jest samowzbudnym generatorem promieniowania Zwierciadła rezonatora są sferyczne, aby uniknąć krytycznego warunku na równoległość zwierciadeł płaskich

Maser był tylko wzmacniaczem Akronim L A S E R wywodzi się z masera Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Microwave  jest mylący Opticzeskij Kwantowyj Genierator OKG oddaje sens fizyczny lasera Maser był tylko wzmacniaczem

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

Różne wartości amplitud na czole fali – wyniki interferencji Kształt wiązki laserowej mody poprzeczne d 1 2 3 Warunek zgodności faz interferujących wiązek 1, 2, 3 w rezonatorze czoła fali pokrywają się z powierzchnią zwierciadeł Poszczególne mody są numerowane TEMmn m, n = 1, 2, 3, . . Różne wartości amplitud na czole fali – wyniki interferencji TEM00 wiązka gaussowska przewężenie czoła fali

Wiązka gaussowska  r 2w 2w - średnica wiązki w przekroju  z I Iz przewężenie z  2w r Wiązka gaussowska 2w - średnica wiązki w przekroju  r 2w Iz I Iz/e2 W każdym przekroju  (dla każdego z) gaussowski rozkład intensywności Iz – intensywność na osi o obrotowej osi symetrii

Wiązka gaussowska przewężenie z  2w r 2 2w0 Parametr konfokalny wiązki 2w0 – średnica przewężenia wiązki podawana przez producentów lasera 2w – średnica wiązki w danym przekroju (definiuje kształt wiązki) Wyznaczenie rozkładu intensywności I(r,z) i kształtu wiązki Iz – rozkład intensywności na osi wiązki I(0,0) – w środku przewężenia Kąt rozbieżności wiązki (pojęcie użyteczne dla dużych odległości z >> D)

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

K !! Niezmiennik wiązki gaussowskiej Dla lasera He-Ne i  = 0.6328 m i typowej średnicy przewężenia 2w0 = 1 mm kąt rozbieżności 2 = 0.000806 = 2.77’ Zmniejszenie średnicy przewężenia 2w0 powoduje jednoczesne powiększenie kąta rozbieżności 2 Jednoczesne zmniejszanie 2w0 i 2 jest możliwe tylko przez wybór lasera generującego promieniowanie o krótszej długości fali 

Rozkłady intensywności kilku pierwszych modów TEMmn Mody poprzeczne wyższych rzędów Laser może generować jednocześnie różne mody TEMmn Rozkłady intensywności kilku pierwszych modów TEMmn 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

Widmo wiązki laserowej mody podłużne W rezonatorze interferencja promieni 1, 2, 3, ... Warunek zgodności faz dla K-tego modu K – liczba całkowita d 1 2 3 Każde K może być generowane dla spełnionego warunku generacji Dla lasera He-Ne   0.6328.. m i długości rezonatora 0.5 m K jest rzędu 1.6106 i dokładnie nie może być znane Odległość w widmie między sąsiednimi modami K = 1

Linie widmowe lamp spektralnych sód wodór rtęć hel neon Długość fali  600 550 500 450 400 nm

Dla lasera z jednym modem szerokość widma  bardzo mała, ale  0 Widmo wiązki lasera He-Ne  odległość międzymodowa   K K-1 K-2 K+1 K-3 K+2 poziom generacji K+3 Linia widmowa Ne potencjalne mody  - szerokość modu Dla długości rezonatora d = 0.5 m i  = 632.8 nm Generacja kilku modów podłużnych Na rysunku 7 modów od K-3 do K+3 Wartość K nieznana L  210-3nm Szerokość połówkowa linii Ne  = 633 nm Dla lasera z jednym modem szerokość widma  bardzo mała, ale  0 Laser potocznie zwany jednoczęstotliwościowym Laser nie jest źródłem światła monochromatycznego K!!

Przekształcanie wiązki przez układy optyczne -xp -x F F’ x’p x’ 2w 2w0 2w’ n = 1 2w’0 płaszczyzna przewężenia  ’ Znamy D (parametr konfokalny) i xp położenie przewężenia wiązki przedmiotowej. Znaleźć D’ i x’p wiązki obrazowej 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

Przekształcanie wiązki przez układy optyczne cd -xp -x F F’ x’p x’ 2w 2w0 2w’ n = 1 2w’0  ’ -z Ponieważ Po uwzględnieniu relacji i po przekształceniach Z warunku

parametry wiązki przekształconej Przekształcanie wiązki przez układy optyczne cd Podstawiając x’ = x’p znajdziemy 2w’ = 2w’0 Ponieważ D’ = kw’02 , ostatecznie oznaczając parametry wiązki przekształconej położenie przewężenia parametr konfokalny

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

Średnica przewężenia wiązki obrazowej Ogniskowanie wiązki F’ 2w’0 2’ Średnica przewężenia wiązki obrazowej małe D’  Najprościej krótka ogniskowa f’ obiektywu mikroskopowego Laser 2’ Dla dużych kątów niezmiennik Małe 2w’0  duży kąt rozbieżności 2’ Realnie 2w’0min    2’max  400

 Minimalizacja kąta rozbieżności należy przyjąć D’max ponieważ Aby uzyskać 2’min należy pokryć przewężenia wiązki lasera z ogniskiem F układu (xp = 0) i zastosować układ o odpowiednio długiej ogniskowej f’ F’ F f’ przewężenie 2w0 2w’0 2’ Z niezmiennika małe 2’ duże 2w’0

Problem księżycowy Typowy laser He-Ne  = 0.6328 m Średnica przewężenia 2w0 = 0.5 mm, z niezmiennika mamy dla wiązki lasera 2 = 1.610-3 Zadanie: Zaproponować taki układ optyczny, aby na księżycu średnica oświetlonej powierzchni wynosiła 1 km Odległość do księżyca z = 370 tys. km Wiązka samego lasera daje plamkę o średnicy Niezbędny kąt rozbieżności Dla obiektywu o ogniskowej f’ będzie Więc wymagana ogniskowa obiektywu układ technicznie nie do zrealizowania

Jeżeli f’1 = 8 mm wystarczy Problem księżycowy cd Zgodnie z relacją przekształcać wiązkę o mniejszej średnicy przewężenia 2w0 w celu skrócenia ogniskowej należy Dlatego stosuje się układy bezogniskowe złożone z dwóch elementów, przy czym pierwszy ma za zadanie zogniskować wiązkę do małej średnicy przewężenia Laser • F’1 F2 f’2 f’1 pinhol 2’2 21 2w’02 2w01 Jeżeli f’1 = 8 mm wystarczy ale wtedy rozszerzacz wiązki

Wybrane typy laserów Laser He-Ne Powszechnie stosowany w badaniach i technice, szczególnie optycznej i fotonicznej Najczęściej wykorzystywana linia czerwona  = 0.6328 m. Również  = 0.594 (żółta linia), 1.15 i 3.39 m (IR) Moce od kilku do nawet 100 mW Zwarta budowa, czas pracy 20 tys. godzin. Na żądanie czysty mod TEM00 1 – zwierciadła 2 - elektrody Wewnętrzny rezonator Światło niespolaryzowane Zewnętrzny rezonator. Przez płytkę Brewstera jedna ze składowych polaryzacji przechodzi bezstratnie Światło spolaryzowane liniowo

Budowa kompaktowa lasera He-Ne

Laser na ciele stałym Nd:YAG Lasery gazowy CO2 Pompowanie na molekułach N2 akcja laserowa na CO2 Długości fal 10.6 m Wyjątkowo wysoka sprawność 20 – 30 % laser do celów technologicznych Moce w pracy cw od 10 W do wielu kW Laser na ciele stałym Nd:YAG Długości fal 1.06 m Pompowanie przez naświetlanie pręta B Lampa wyładowcza Zwierciadło eliptyczne Pręt laserowy Typowa budowa rezonatora Moce do 30 W Częstotliwość do 100 kHz Laser do celów technologicznych

Inne lasery He-Cd jonowy na parach Cd  = 441.6 nm jak He-Ne Argonowy jonowy na parach Ar wiele linii w paśmie widzialnym moc kilka W cw

Proces emisyjnej rekombinacji Półprzewodniki W termicznej równowadze na skutek termicznych oddziaływań jednocześnie dwa procesy 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 Proces emisyjnej rekombinacji

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

LEDy cd Emisja spontaniczna duży kąt rozbieżności szerokie widmo [m] InxGaxAsxPx 1.0 1.3 GaAsxPzx GaAs 0.9 0.7 0.6 0.4 GaPN GaN najbardziej popularne diody niebieskie GaInPAs  = 1,3 – 1.55 m PbSnTe i PbSSe  = 3 – 30 m

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

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

Laser półprzewodnikowy Perspektywiczny dla fotoniki Pompowanie prądem Warstwa falowodowa o grubości 2 m i szerokości 10 m Duże kąty rozbieżności odpowiednio 30 x 50 Symetria wiązki uzyskiwana przez dodatkowe układy cylindryczne lub pryzmatyczne

Laser półprzewodnikowy cd Technologia półprzewodnikowa Struktury wielozłączowe Laser InGaN/GaN

duża odległość międzymodowa  Laser półprzewodnikowy cd Prąd powyżej progu generacji - laser Zawężenie widma Mody podłużne lasera InGaAsP duża odległość międzymodowa  Krótki rezonator 

Rozwój techniki  lata

Laser półprzewodnikowy cd 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 Wady Laser półprzewodnikowy cd 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

(nie tylko półprzewodnikowych) Niektóre zastosowania laserów (nie tylko półprzewodnikowych)

Laserowa obróbka materiałów utwardzanie znakowanie Gęstość mocy 103 105 107 109 W/cm2 drążenie cięcie spawanie przetapianie szkliwienie hartowanie Szerokość impulsu 10-8 10-6 10-4 10-2 100 [s]

Lidar

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

Medycyna cd Współzależność gęstości mocy i szerokości impulsu 10-10 Gęstość mocy 103 106 109 1012 W/cm2 Szerokość impulsu 10-8 10-6 10-4 10-2 100 [s] 1 Wpływ fotojonizacyjny Rozerwanie 1 J/cm2 Wpływ fototermiczny Przegrzanie Koagulacja Zwęglanie Odparowanie Wpływ fotobiochemiczny He-Ne półprzewodnikowy barwnikowy

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

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

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

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 = 10-9 s Cała energia promieniowania lasera w impulsie współcześnie t  pojedyncze fm fm = 10-15 s

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

Laser jest genialnym źródłem Przykład Laser He-Ne moc Plas = 100 mW  = 632.8 nm Średnica przewężenia 2w0 = 1 mm Kąt rozbieżności 2 = 0.000806 (2.77’) Chcemy uzyskać to samo natężenie promieniowania za pomocą źródła klasycznego Moc źródła klasycznego  - kąt bryłowy wiązki lasera 2w 2 z

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 Literatura podstawowa poziom wyższy naukowa