Laserové technologie v praxi I. Přednáška č.2 Základní konstrukční součásti laserů Hana Chmelíčková, SLO UP a FZÚ AVČR Olomouc, 2011
Konstrukce laseru
1 - Aktivní prostředí 2 - Čerpací zařízení 3 - Optický rezonátor 4 – Chlazení 5 – elektrický zdroj 6 – řídící a kontrolní elektronika
1 – aktivní prostředí Plynné skupenství: • • •
Atomární (He-Ne, Cu, I) Iontové (Ar 2+, Ne 2+,Kr 2+, He-Cd) Molekulové (H2, N2, CO, CO2, excitované dimery vzácných plynů a jejich sloučeniny s F, Cl, )
Společné vlastnosti: • nízké ovlivnění laserového záření prostředím – malá divergence, vysoká kvalita svazku • menší hustota aktivních částic – nutné větší rozměry rezonátorů • Konstrukce – skleněná trubice, elektrody, zdroje plynové směsi
typ
Aktivní prostředí
Vlnová délka (nm)
buzení
režim
atomární
Cu páry (He) – Ne I
510 633 (1150,3390) 1315
el. výboj
impulsní kontinuální
iontový
(He) Cd+ Ar+
442, 325 488, 514
el. výboj
kontinuální
molekulový elektronový přechod
H2 N2
116 337
el. výboj el. výboj
impulsní impulsní
molekulový excimer
ArF KrF XeCl
193 249 308
el. výboj svazek elektronů
impulsní impulsní impulsní
molekulový vibrační přechod
HF DF (deuterium) COIL CO, CO2
2 700 4300 1 315 5500, 10 600
chemické chemické chemické el. výboj
kontinuální impulsní
H2O HCN
119 a 220 331 a 337
rezonanční optické
impulsní
molekulový rotační přechod
kontinuální i impulsní
1 – aktivní prostředí Kapalné skupenství: •
•
Roztoky organických barviv (Rhodamin 6G, Oxazin, Xanten) ve vhodných rozpouštědlech (voda, metylalkohol, aceton,…) až 200 druhů, od UV do blízkého IČ) Roztok soli + ionty vzácných zemin (Nd, Ho, Er,…)
Společné vlastnosti: • malá chemická a fotochemická stabilita organických barviv • možnost ladění vlnové délky v jednom aktivním prostředí • konstrukce – skleněná kavita, varianty optického způsobu buzení
1 – aktivní prostředí Pevné skupenství: • •
Ionty vzácných zemin (Nd, Ho, Er, Yb…) dopované ve skle nebo umělých krystalech (YAG ytrium aluminium granát, YLF lithium ytrium fluorid, YVO,…) Polovodičový přechod (GaAs, InGaAs,..))
Společné vlastnosti: • jednodušší konstrukce a velká stabilita aktivního prostředí • závislost kvality svazku na zahřívání aktivního prostředí (TLE) • možnost generace poloviční, třetinové, čtvrtinové vlnové délky pomocí filtru • konstrukce – otevřený rezonátor, krystal ve tvaru tyčinky, desky, disku, svazku vláken), optické buzení výbojkou nebo polem diod, jiným laserem
2 – čerpací systém Formy energie : elektrická, chemická, světelná, mechanická Tří hladinový a čtyř hladinový systém: Čerpací hladina s dobou života t < 10-8 s,
nezářivý přechod
Laserová metastabilní hladina t > 10-8 až 10-3 s zářivý přechod
Terminální hladina
Základní stav relaxace
3 - typy optických rezonátorů Fabry-Perotův: idealizovaný s nekonečnou plochou rovinných zrcadel Reálný: konečné rozměry zrcadel a1, a2, nebo r1, r2, rovinná i sférická
3 - Stabilní a nestabilní rezonátory Stabilní – neztrácí podstatnou část energie (pouze vnitřní ztráty) Nestabilní – ztrácí určitou část energie ( obtokem menšího zrcadla) Podmínka stability 0 < g1g2 < 1, kde gi= 1 – L/ri
Technická řešení rezonátorů Otevřený a uzavřený rezonátor – podle dotyku odrazné plochy zrcadel s aktivním prostředím Lineární, kruhový, trojúhelníkový, čtvercový, vláknový – prodloužení L a zároveň zmenšení rozměrů
3 – Technická řešení rezonátorů c)
Materiál zrcadel – sklo, měď, zlato, polovodiče, vyleštěné plochy aktivního prostředí
Výrobci: www.edmundoptics.de Např. zrcátko pro pevnolátkové a plynové lasery (Ar): •
Práh poškození až 20 J/cm2 (puls 20 ns) nebo 1kW/cm2,
•
průměry od 12,5 mm do 50 mm
•
Přesnost povrchu 1/10 λ @632,8 nm
http://www.iiviinfrared.com specialista na CO2 optiku http://www.ophiropt.com/co2-lasers-optics/cavity-optics •
Dielektrické a kovové vrstvy pro danou vlnovou délku – SiO2,TiO2,HfO2,ZrO2 a Al,Ag,Cu,Ni,Cr,Au
Metody napařování: http://www.ateam.zcu.cz/tenke_vrstvy_fel_1.pdf
4 – režim impulsní a kontinuální Kontinuální : výkon P = 0,5 m W až 10 kW Impulsní (pulsní):
frekvence od 0,1 Hz do 100 kHz energie pulsu 0,1 J až 100 J délka pulsu 0,1 až 20 ms
Průměrné výkony do 1000 W, vrcholové výkony až TW (ultrakrátké pulsy)
Energie pulsu E (J) Průměrný výkon
výkon v pulsu (vrcholový)
P = E. f Frekvence pulsu f(Hz)
∧
P = délka pulsu (ms)
E
τ
4 – režim impulsní a kontinuální Metody generace pulsů: 1)
Mechanicky – přerušování kontinuálního záření vnějším mech. zařízením
2)
Přirozeně – tří hladinové systémy pulsují automaticky (milisekundy) - modulace excitačního výkonu (pulsní Nd:YAG ve SLO)
3)
Q-switching (spínání) – akusto-optický, elektro-optický nebo barvivový spínač je umístěný mezi zadním zrcátkem a aktivním prostředím (laserové značení) mikrosekundové pulsy
4)
vyklápění z rezonátoru s R1 = R2 = 100 % - nanosekundové pulsy
5) Mode locking (synchronizace - klíčování módu) 6 ) Chirping (rychlé kolísání frekvence elmg. vlny)
pikosekundy femtosekundy
Doporučené prezentace k procvičení látky:
1) http://www.cez.cz/edee/content/microsites/laser/laser.htm 2) http://www.mmspektrum.com/clanek/nekonvencni-metodyobrabeni-4-dil Zajímavé odkazy:
http://www.vesmir.cz/clanek/zkrocene-femtosekundy http://www.hiper-laser.org/pressandpr/cz_multilinvideo.asp http://upload.wikimedia.org/wikipedia/en/a/ae/Chirped_pulse_a mplification.png
