Lasery – optické rezonátory Optické rezonátory Optickým rezonátorem se rozumí dutina obklopená odrazovými plochami, v níž je pasivní dielektrické prostředí. Rezonátor je nezbytnou součástí laseru, protože odrazy záření v rezonátoru se využívají k dosažení inverzní populace. Nejjednodušším příkladem optického rezonátoru je soustava dvou rovnoběžných rovinných zrcadel obdélníkového tvaru v určité vzdálenosti, tzv. FabryůvPerotův rezonátor.
Lasery – optické rezonátory
Lasery – optické rezonátory Energetické pole v dutině rezonátoru má charakter stojatých vln. Vlivem destruktivní a nedestruktivní interference vln, které se odrážejí od stěn, se ustálí elektromagnetické pole tzv. módů (vidů). Módy mohou být tvořeny pouze zářením o takových vlnových délkách, že rozměry rezonátoru lze vyjádřit jako celistvý násobek jejich poloviny. Dělí se na podélné, příčné horizontální a příčné vertikální. Podélné módy tvoří základní vlnové spektrum laseru. Příčné módy vymezují vyzařovací charakteristiku laseru a profil emitovaného svazku.
Lasery – optické rezonátory Představme si, že máme možnost provést řez rezonátorem kolmo na jeho osu a zjišťovat rozložení světelné energie. Zjistili bychom toto:
Světlé skvrny znamenají oblast s koncentrací energie. Bylo zavedeno číselné označení módů, jehož systém je patrný z obrázku. Písmeno „T“ znamená příčný mód (transversal mode).
Lasery – optické rezonátory V literatuře se můžete setkat se schématem zjednodušující skutečné rozložení energie :
Lasery – optické rezonátory Stav rozložení energie v rezonátoru lze jednak úspěšně modelovat (obr. vlevo), jednak měřit speciálním optickým systémem (obr. vpravo). Výsledek měření vypovídá o kvalitě konkrétního rezonátoru a následně i o kvalitě světelného svazku vystupujícího z laseru.
Lasery – optické rezonátory Vlastnosti rezonátoru lze cíleně ovlivňovat Do dutiny rezonátoru se vkládají optické členy ovlivňující jeho kvalitu neboli činitel jakosti Q . Na obrázku je schéma ovlivnění kvality rezonátoru vloženým nelineárním optickým členem:
Lasery – optické rezonátory Q-spínání Existují důvody pro zkracování pulzů laserů (technologické požadavky, pozorování rychlých jevů a další). K tomu se používá skoková změna kvality rezonátoru atenuátorem, tj. optickým prvkem záměrně zvyšujícím ztráty v rezonátoru a zabraňujícím tak brzkému nasazení oscilací nebo stimulované emise. Tento postup se označuje jako Q-spínání a jeho způsoby můžeme rozdělit na aktivní a pasivní. V případě aktivního Q-spínání máme možnost aktivně zasahovat do procesu ztrát v rezonátoru. Buď elektricky (Pockelsovou celou či Kerrovou celou), akusticky či mechanicky (rotujícím zrcadlem nebo závěrkou). V případě elektrického ovlivnění se využívá materiálů, které v elektrickém poli mění polarizaci procházejícího světla (Kerrova cela) nebo index lomu (Pockelsova cela).
Lasery – optické rezonátory Typickými představiteli pasivního Q-spínání jsou saturovatelné absorbéry. Látky vyznačující se tzv. nelinární absorpcí (se zvyšující hustotou záření se zvyšuje transmise daného materiálu). Jde o látky absorbující záření s vlnovou délkou stejnou jako je generované záření. Na začátku procesu je barvivo pro laserové světlo prakticky nepropustné, protože neexcitovaných absorpčních center je mnoho a fotony je excitují. S pokračujícím průchodem záření je stále více absorpčních center excitováno, až se všechna nasytí a látka je pro laserové záření transparentní – jakost rezonátoru se skokově zvětšuje. Během tohoto procesu ovšem buzení metastabilních hladin pokračovalo, inverzní populace stavů se zvětšovala a tak zprůhlednění absorbátoru způsobí rychlé uvolnění akumulované energie v obřím pulzu laserového záření. V současné době se dosahuje trvání pulzu až po dobu řádově 10-15 s – femtosekundový laser - při opakovací frekvenci v řádu kHz.
Lasery – optické rezonátory Proč pulzní lasery s krátkým impulzem? Při absorpci laserového záření (svařování, řezání, gravírování, …) dochází k ohřívání materiálu a nežádoucímu šíření tepla do okolního materiálu – dochází jednak k tepelným ztrátám, jednak k nepříznivým strukturním nebo chemickým změnám (fázové přeměny, oxidace aj.). Při krátkém impulzu se většina energie laserového záření uplatní v technologickém procesu (tavení, ablace aj.). Další důvod: při delším ohřívání se část materiálu vypařuje, páry se v silném elektrickém poli laserového paprsku ionizují a vzniká plazma. Plazmový oblak nad opracovávaným místem má vzhledem k průchodu laserového záření vysokou impedanci – podstatná část energie se odráží. Pulz je proto třeba ukončit ještě před vznikem tohoto plazmového oblaku.
Lasery – čerpání Čerpání laserů Vznik a vývoj inverzní populace stavů vyžaduje přísun energie do aktivního prostředí označovaný jako čerpání laserů. Způsoby čerpání se samozřejmě liší podle typu laserů.
Plynové lasery Aktivní plynné prostředí laseru je tvořeno atomy, ionty nebo molekulami. Plynové lasery pracují ve velmi širokém rozsahu vlnových délek v kontinuálním nebo pulzním režimu. K jejich excitaci se většinou používá elektrický výboj ve zředěném plynu (doutnavý výboj), optická excitace se používá jen zřídka. S výjimkou CO2 laserů mají plynové lasery vesměs nízký výkon, ale vysokou kvalitu svazku (nízkou rozbíhavost, koherenci atd.).
Lasery – čerpání Čerpání CO2 laserů lze realizovat dvojím způsobem: - Podobně jako u ostatních plynových laserů elektrickým výbojem ze zdroje cca 1000 V. - Dynamickým způsobem – laser se označuje jako expanzní CO2 laser. Je tvořený expanzní komorou, do které se vhání plyny. K excitaci molekul CO2 dochází díky elektrickému obloukovému výboji o vysoké teplotě. Plyn s excitovaným CO2 proudí rychlostí několikrát převyšující rychlost zvuku ve vzduchu štěrbinovou tryskou do vakua. Díky rychlému snižování tlaku dochází k poklesu teploty plynu. Energetické hladiny s velkými energiemi v molekulách CO2 zůstávají po určitou dobu zaplněny elektrony. Říká se tomu "zamrzání" vyšších energetických hladin. Excitované stavy u CO2 molekul se týkají rotačních a vibračních stavů. Energetické rozdíly mezi těmito stavy jsou menší než mezi stavy elektronového obalu a proto je energie záření nižší – vlnová délka 10,6 mikrometru.
Lasery – čerpání Pevnolátkové lasery Tento typ laserů používá čerpání světlem (optické čerpání). Historicky první typy laserů byly čerpány spirálovitě tvarovanou vysokotlakovou xenonovou výbojkou, v dutině spirály byl umístěn krystal. :
Lasery – čerpání Čerpání světlem výbojek bylo postupně optimalizováno – používají se přímé výbojky umístěné v eliptickém odražeči – v jednom ohnisku je výbojka, ve druhém krystal. Častější jsou ovšem kombinace několika výbojek :
Lasery – čerpání Čerpání výbojkami má řadu nevýhod: - nízká účinnost, velké ztráty odrazem, - nutnost intenzivního chlazení, - omezená opakovací frekvence výbojů. Významným pokrokem je čerpání pevnolátkových laserů polovodičovými LED diodami nebo polovodičovými lasery. LED diody lze vyrobit tak, že jejich vyzařovací spektrum je plně v souladu s požadavky na optimální buzení inverzní populace v krystalu. Podstatně se zvyšuje účinnost laseru, klesají ztráty a tím se snižují požadavky na chlazení. Lze řádově zvýšit opakovací frekvenci u pulzních laserů.
Lasery – čerpání Technicky jednodušší, ale méně účinné je prosté nahrazení výbojek diodovými poli ( boční buzení):
Tento systém neřeší ztráty odrazem při dopadu záření na vnější plochu krystalu, nicméně celková účinnost (výkon ve svazku : příkon laseru) je podstatně vyšší než u výbojek a lze dosáhnout vysokých průměrných výkonů ve svazku.
Lasery – čerpání Význačným zlepšením je zavedení zadního buzení (tzv. endpumped laser). Budící záření z laserových diod se vede do YAG krystalu optickým vláknem - diody tak mohou být externě mimo rezonátor, což je výhodné. U zadního buzení dosáhneme lepší kvality svazku, ale nižších výkonů ve srovnání s buzením bočním. Tento systém se s výhodou užívá při Q-spínání, protože umožňuje začlenění nelineárního členu do optického rezonátoru.
Lasery – čerpání Vláknové lasery Vláknové lasery jsou jednoznačně nejprogresivnějším typem laserů. Aktivním prostředím je samotné optické vlákno – křemenné sklo dopované yterbiem nebo erbiem. Buzení z laserových diod je vedeno přes optickou spojku do aktivního vlákna o délce několika metrů. V laseru nejsou zrcadla, ale roli selektivně odrážejících optických prvků mají braggovské mřížky, což jsou struktury vytvořené přímo na optickém vlákně. Záření je pak z vlákna „vyvázáno“ pomocí optického kolimátoru.
Lasery – čerpání Vláknové braggovské mřížky Selektivní odraz (tj. odraz světla pouze jedné vlnové délky) lze dosáhnout periodickou optickou strukturou v níž se střídají oblasti s rozdílným indexem lomu.
Příprava braggovských mřížek („zrcadel“) : Do křemenného skla je přimíšeno germanium. Osvětlením takového vlákna UV zářením lze dosáhnout požadované změny indexu lomu. Vlákno je proto během výroby osvětlováno přes fázovou masku UV zářením.
Lasery – čerpání U vláknových laserů je určitým problémem navázání světlovodů (vláken) přivádějících světlo od velkoplošných diodových polí přes multimódové spojky do vlastního aktivního vlákna. Ztráty v tomto spojení omezují výstupní výkony vláknových laserů. Klíčovým krokem ke zvýšení výstupního výkonu vláknových laserů byl objev metody čerpání aktivního prostředí přes plášť, tj. přes střední vnitřní vrstvu obklopující jádro. Materiál pláště má nižší index lomu než jádro i než vnější obal. Slouží proto jako vlnovod a protože vnitřní plášť má relativně velkou plochu průřezu, je možné do něj navázat z čerpacích diod velké množství optického výkonu. Tímto způsobem je možné transformovat vysoce rozbíhavý svazek z mnohamódových laserových diod s velkou vyzařovací plochou (typicky 100×1 mikrometr) do kvalitního jednomódového laserového svazku s malou divergencí a s vysokou hustotou energie.
Lasery – čerpání Schéma dvouplášťového vláknového laseru
Lasery – čerpání Polovodičové lasery LED i polovodičové lasery jsou polovodiče s přechodem P-N v silně dopovaném materiálu, např. v GaAs, GaAlAs, InP, GaN . Jsou zapojeny v propustném směru a díky snížení potenciálové bariéry probíhá injekce minoritních nosičů proudu do tenké oblasti P-N přechodu. Vzhledem k rozdělení Fermiovy hladiny zvlášť pro díry a zvlášť pro elektrony, přesahuje hustota nosičů na vyšších energetických hladinách stav daný Boltzmannovou statistikou – vytváří se inverzní populace hladina dochází ke stimulované emisi. Lasery se od LED odlišují tím, že krystal polovodiče se štípáním či leštěním opracuje do tvaru hranolu tak, že jeho čelní plochy jsou kolmé k rovině přechodu P-N a vytváří tak Fabryův-Perotův rezonátor. Vzhledem k vysokému indexu lomu polovodivého materiálu je odrazivost rozhraní vysoká. Navíc je zesílení laserového signálu mnohem vyšší než u ostatních typů laserů. Díky tomu je možné vyrábět lasery od objemu řádově 1 mm3.
Lasery – čerpání Porovnání emitovaného světla z LED a z laseru z téhož materiálu :
Lasery – čerpání Základní schéma polovodičového laseru
Kvalitu svazku lze významně zlepšit použitím Braggovy mřížky :
Lasery – čerpání Polovodičové lasery vyzařují – podle zvoleného materiálu – ve vlnovém rozsahu 600 – 1600 nm. Je zřejmé, že je možné je používat jednak jako samostatné lasery, jednak jako budící členy pro pevnolátkové lasery typu Nd:YAG nebo pro vláknové lasery. Dosahované výkony jsou od mikrowattů až stovky miliwattů. Je ovšem jednoduché tyto lasery spojovat do diodových polí, které mají velký význam především v oblasti velkých optických výkonů. Běžně se nyní vyrábějí pole laserových diod (arrays, bars) s celkovými výkony až stovek wattů, přičemž byla prezentována pole o výkonu i několik málo kilowattů. Taková pole se využívají např. pro optické čerpání pevnolátkových laserů.
