Elementarne warunki działania lasera Konieczne spełnienie 2 warunków  Wzmocnienie możliwe gdy: emisja > absorpcja E2 E1 N2 N1 N2 N1 N2 > N1 inwersja obsadzeń    Emisja promieniowania spójnego możliwa gdy: emisja wymuszona > em. spontaniczna liczba aktów em. wym. liczba aktów em. spont. N2 B21  > N2 A21 B21  > A21 konieczne duże   rezonator Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 2, 2009/10

na swobodnych elektronach (FEL) laser na swobodnych elektronach (FEL) laser gazowy He-Ne laser „stałociałowy” np. rubin, YAG Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 2, 2009/10

Ośrodki laserowe/wzmacniające kryształy, gazy, ciecze, swobodne elektrony, ... możliwość kreowania inwersji (z „zapasem” dla pokonania strat) przykłady: He-Ne, excimer, N2 przezroczystość dla promieniowania (generowanego i wzbudzającego) wytrzymałość na zniszczenia (kryształy, ciecze, gazy + mat. rezonatora; problemy - m.in. chłodzenia) lasery diodowe (monolityczna konstr. ośrodka generującego i rezonatora – ważne współczynniki załamania) lasery światłowodowe (rezonator „wmontowany” we włókno) Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 2, 2009/10

Wytwarzanie inwersji: Laser rubinowy (jony Cr+ w krysztale Al2O3) wzbudzenie lampą błyskową 550 nm 690 nm laser rubinowy to typowy układ trójpoziomowy E2 E1 E0 E Bardziej wydajne są układy czteropoziomowe z możliwością dodatkowego opróżniania dolnego poziomu (np. Nd:YAG, + jony Er, Ho,... ) + jony Er, Ho,... ) LASERY WŁÓKNOWE !!! gdy nie ma opróżniania – inwersja zanika (self-termination)  generacja krótkich impulsów l. obsadzeń N2 < N1 N0 Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 2, 2009/10

* Laser He-Ne substancja aktywna - neon He Ne ok. 20 eV (10 : 1) poziomy metastabilne 632,8 nm 3,39 m 1,15 m ok. 20 eV wzbudzenie przez zderzenia z elektronami (wyładowanie w gazie) Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 2, 2009/10

Lasery ekscymerowe (ekscypleksowe) cząsteczki: XeCl, Ar F, Kr F stany wzbudzone (wyładowanie) - związane N2 Xe stan podstawowy dysocjuje  N1=0 N1 Cl bardzo łatwo o inwersję: N2 > N1 (N2 > 0) wysoka sprawność,   200-300 nm Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 2, 2009/10

 Podobnie lasery Ti:sapphire (zakres 700-1000 nm) Lasery barwnikowe substancja aktywna – roztwory barwników, wzbudzane światłem (lampy błyskowe, inne lasery) zamiast dyskretnych poziomów → szerokie pasma energetyczne wąskie linie → szerokie pasma spektralne brak monochromatyczności → konieczny selektywny rezonator możliwość przestrajania ! z relacji Fouriera E t  1 wynika możliwość generacji krótkich impulsów, gdy szerokie pasmo  Podobnie lasery Ti:sapphire (zakres 700-1000 nm) Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 2, 2009/10

Lasery półprzewodnikowe (diodowe) V = 0 V  0 zakres spektralny zależy od szer. przerwy energetycznej (matreiału i domieszek) Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 2, 2009/10

podobna zasada, ale bez rezonatora LED Planar-Cavity Surface-Emitting diode Laser (PCSEL) podobna zasada, ale bez rezonatora LED Vertical-Cavity Surface-Emitting diode Laser (VCSEL) Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 2, 2009/10

3. Materiały do manipulacji wiązkami świetlnymi Modulatory światła: wymuszona dwójłomność – efekty magneto- i elektro-optyczne Np. modulatory natężenia (AM) – substancja dwójłomna między skrzyż. polaryzatorami 1) efekt Faraday’a podłużne pole magnet. P B A L gdy poprzeczne pole B ef. Voigta (B2) (Cottona-Moutona) V = stała Verdeta Typowe wartości V : szkło optyczne (@ 589 nm): flint 1 mrad/G·m, kwarc .48 mrad/G·m, dop. Tb -6.3 mrad/G·m granaty terbowo-galowe: TGG -13.4 mrad/G·m @ 633nm, -4 mrad/G·m @ 1064 nm YIG 280 mrad/G·m @ 585nm Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 2, 2009/10

2) efekt Kerra A L P E poprzeczne pole elektr. gdy podłużne pole E K = stała Kerra gdy podłużne pole E - ef. Pockelsa (E) Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 2, 2009/10

Modulatory częstości (FM) i fazy – najczęściej elektro-optyczne (EOM) (materiał dwójłomny bez polaryzatorów) Ważne modulatory akusto-optyczne (AOM) wykorzystujące efekt elastooptyczny (ciśnieniowa modyfikacja n ) Piezoceramiczny nadajnik ultradźwiękowy (PZT) wytwarza w krysztale falę zagęszczeń n (o częstości ), na której następuje ugięcie wiązki świetlnej. Ponadto ugięta wiązka ma częstość zmienioną o częstość fali zagęszczeń:      generator akust.  wiązka o częstości  PZT wiązka ugięta o częstości - lub +  modulatory akusto-optyczne umożliwiają: szybkie kierowanie wiązki laserowej w zadanym kierunku modulowanie częstości wiązki świetlnej      Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 2, 2009/10

modulatory światłowodowe interferometr Macha-Zehndera Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 2, 2009/10

4. Materiały o strukturze periodycznej zwierciadła, warstwy antyodblaskowe filtry interferencyjne kryształy z fotoniczną przerwą energetyczną (kryształy fotoniczne) Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 2, 2009/10

Interferencja wielowiązkowa - podstawy można przez podział frontu falowego  najwygodniej przez podział amplitud interferometr Fabry-Perot  - różnica faz sąsiednich promieni: - całkowite pole elektr. fali przepuszczonej Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 2, 2009/10

- natężenie światła przepuszczonego: wzór Airy „współczynnik finezji” - nie mylić z „finezją” F analogia z rezonansową funkcją Lorentza 2 x 1 Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 2, 2009/10

 Zależność prążków Airy od współczynnika odbicia luster R gdy =2n; =n, I=Imax=I0, I()/I0 R=4% mimo luster wszystko przechodzi !!! układ 2 luster zachowuje się inaczej niż jedno lustro (interferencja) R=18 % gdy =(2n+1); =(2n+1)/2, R=80 % R=95 %  2  szerokość maksimum pojęcie szerokości połówkowej: 1/2; I(1/2)=I0/2 (WHM) lub 21/2 (FWHM) Uwaga! Dla interferometru Michelsona było prążki w interferencji dwuwiązkowej są sinusoidalne, a w interferencji wielowiązkowej są znacznie węższe  Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 2, 2009/10

warstwy antyodblaskowe (interferencja destruktywna obu odbitych wiązek) n2 n0 n1 Współcz. odbicia od granicy powietrze-szkło z warstwą antyrefleksyjną optymalizowaną dla światła widzialnego R [%] + cienkie warstwy, + lustra i filtry dielektryczne + laser speckles Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 2, 2009/10

Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 2, 2009/10

Optyczne materiały nieliniowe oddziaływania nieliniowe: n i  są też nieliniowymi funkcjami natężenia światła Podstawowe optyczne zjawiska nieliniowe 1. Generacja drugiej harmonicznej 2. Samoogniskowanie i deogniskowanie światła gdy n2>0, ośrodek nieliniowy działa jak soczewka skupiająca, gdy n2<0, ośrodek nieliniowy działa jak soczewka rozpraszająca, Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 2, 2009/10

Pomiary nieliniowości optycznej metoda Z-scan n2 < 0 n2 > 0 w zależności od znaku n2 , nieliniowa próbka poddana jest samoogniskowaniu lub samo-deogniskowaniu i w zależności od swego położenia wzgl. ogniska wiązki laserowej, wywołuje charakterystyczne zmiany rejestrowanego natężenia światła Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 2, 2009/10

Nieliniowość koherencyjna: 1) pompowanie optyczne 1966, Alfred Kastler rezonans optyczny – zasada zachow. energii ħ = ħfi foton niesie też kręt – zasada zachow. krętu (W. Rubinowicz, 1932)    ħ  absorpcja fotonu zmienia rzut krętu atomowego mJ= –1/2 +1/2 2P1/2 2S1/2 detektor + B + B1cos t różnica populacji (orientacji krętu J) → namagnesowanie atomów Detekcja optyczna → BgJB  Idet Podwójny rezonans/ ESR B1=0 B10 Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 2, 2009/10 B1=0 B10

Nieliniowość koherencyjna 2) ciemne rezonanse / EIT Przejście elektronowe J=1 – J’=0 & liniowo spolaryzowane św. rezonansowe B=0 B0 J=0 J=1 m +1 –1 m +1 –1   B absorpcja 0   0   dyspersja 0  n – 1 0  n – 1 Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 2, 2009/10

Spektroskopia transmisyjna/absorcyjna klasyczna metodyka: detektor próbka źródło – lampa spektr. ogranicz. zdolność rozdzielcza (szerokość instr.) ogranicz. czułość (droga optyczna) spektroskop/ monochromator np. widmo Fraunhoffera  I0   T  ħ Pomiar  wymaga przezroczystego ośrodka !  Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 2, 2009/10

Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 2, 2009/10

Lasery w spektroskopii klasycznej (liniowej ) 1. Udoskonalenie klasycznych metod dzięki kolimacji i monochromatyczności wiązek laserowych oddziaływania nieliniowe: detektor próbka lampa spektr. spektroskop/ monochromator monochromatyczność  zwiększ. zdolności rozdz. (instr  doppler) detektor próbka laser przestraj.  T   T  0 kolimacja wiązki świetlnej  zwiększ. czułości (drogi opt.) 2. Inne zalety wiązek laserowych  nieliniowa spektroskopia laserowa Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 2, 2009/10

Light sources Light sources that are used in photonics are usually more sophisticated than light bulbs. Commonly used light sources in photonics are semiconductor light sources like light-emitting diodes (LEDs), superluminescent diodes and lasers as well as fluorescent lamps, cathode ray tubes (CRTs) and plasma screens. It has to be noted that while CRTs, plasma screens and OLED displays generate their own light, liquid crystal displays (LCDs) like TFT screens require a backlight which is comprised of either cold cathode fluorescent lamps or nowadays more often of LEDs. Characteristic for research on semiconductor light sources is the frequent use of III-V semiconductors instead of the classical semiconductors like silicon and germanium. This is due to the special properties of III-V semiconductors that allow for the implementation of light emitting devices. Examples for material systems used are gallium arsenide (GaAs) and aluminium gallium arsenide (AlGaAs) or other compound semiconductors. They are also used in conjunction with silicon to produce hybrid silicon lasers. Transmission media Light can be transmitted through any transparent medium. Glass fiber or plastic optical fiber can be used to guide the light along a desired path. In optical communications optical fibers allow for transmission distances of more than 100 km without amplification depending on the bit rate and modulation format used for transmission. A very advanced research topic within photonics is the investigation and fabrication of special structures and "materials" with engineered optical properties. These include photonic crystals, photonic crystal fibers and metamaterials. Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 2, 2009/10

Amplifiers Optical amplifiers are used to amplify an optical signal. Optical amplifiers used in optical communications are erbium-doped fiber amplifiers, semiconductor optical amplifiers, Raman amplifiers and optical parametric amplifiers. A very advanced research topic on optical amplifiers is the research on quantum dot semiconductor optical amplifiers. Detection Photodetectors detect light. Photodetectors range from very fast photodiodes for communications applications over medium speed charge coupled devices (CCDs) for digital cameras to very slow solar cells that are used for energy harvesting from sunlight. There are also many other photodetectors based on thermal, chemical, quantum, photoelectric and other effects. Modulation Modulation of a light source is used to encode information on a light source. Modulation can be achieved by the light source directly. One of the easiest examples is to use a flashlight to send Morse code. Another method is to take the light from a light source and modulate it in an external optical modulator. An additional topic covered by modulation research is the modulation format. On-off keying has been the commonly used modulation format in optical communications. In the last years more advanced modulation formats like phase-shift keying or even orthogonal frequency-division multiplexing have been investigated to counteract effects like dispersion that degrade the quality of the transmitted signal. Photonic systems Photonics also includes research on . This term is often used for optical communication systems. This area of research focuses on the implementation of photonic systems like high speed photonic networks. This also includes research on which are used to improve the signal quality of an optical signal. Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 2, 2009/10

Optyczne własności materiałów L Absorpcja prawo Lamberta-Beera: Rozproszenie światła Transmisja zależy od odbicia i absorpcji np. przez próbkę z dwiema odbijającymi powierzchniami (ten sam współczynnik R ): Odbicie światła IR=I0 R Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 2, 2009/10

Fotonika to interdyscyplinarna dziedzina nauki i techniki, łącząca dokonania optyki, elektroniki i informatyki w celu opracowywania technik i urządzeń wykorzystujących promieniowanie elektromagnetyczne (oprócz radiowego) do przenoszenia i przetwarzania informacji. W pewnym sensie można powiedzieć, że fotonika jest rozwinięciem elektroniki z zastosowaniem fotonów zamiast elektronów. Fotonika jest w dużym stopniu tożsama z optoelektroniką, aczkolwiek fotonika nie ogranicza się tylko do styku elektroniki z optyką, lecz zajmuje się wszystkim co ma związek z fotonami i przetwarzaniem informacji. W szczególności, w obszarze fotoniki leży: opracowywanie technik gromadzenia i przetwarzania obrazu konstruowanie urządzeń pomiarowych wykorzystujących promieniowanie elektromagnetyczne opracowywanie technik gromadzenia informacji z użyciem promieniowania elektromagnetycznego. badania nad optycznymi zamiennikami elementów elektronicznych, które docelowo mogą doprowadzić do budowy komputera kwantowego. The science of photonics includes the generation, emission, transmission, modulation, signal processing, switching, amplification, detection and sensing of light. The term photonics thereby emphasizes that photons are neither particles nor waves — they are different in that they have both particle and wave nature. It basically covers all technical applications of light over the whole spectrum from ultraviolet over the visible to the near-, mid- and far-infrared. Most applications, however, are in the range of the visible and near infrared light. The term photonics developed as an outgrowth of the first practical semiconductor light emitters invented in the early 1960s and optical fibers developed in the 1970s. Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 2, 2009/10