Úvod do laserové techniky KFE FJFI ČVUT Praha Michal Němec, 2014

Transkript

1 Laser je řístroj, který generuje elektromagnetické záření monochromatické, směrované (s malou rozbíhavostí), koherentní, vysoce energetické, výkonné, s velkým jasem Základní konstrukční součásti evnolátkového laseru laserová hlavice (aktivní rostředí, budící elementy + budící dutina, otevřený rezonátor), chlazení, zdrojová jednotka Buzení evnolátkových laserů ředevším otické buzení Nekoherentní výbojky Koherentní laserové diody, lasery, vláknové lasery Otevřený rezonátor - soustava dvou nebo více odrazných loch nebo otických rvků, ve které může být vybuzeno stojaté vlnění s vlnovou délkou zravidla odstatně menší, než jsou geometrické rozměry těchto loch a vzdálenost mezi nimi Úkolem zdrojové jednotky je dodat dostatečné množství energie k buzení (VN zdroj ro výbojku, zdroj ro laserovou diodu) Dvě základní komonenty aktivního rostředí evnolátkových laserů matrice a aktivátor Matrice - vlastnostmi matrice jsou řevážně určeny základní technické vlastnosti aktivního rostředí Aktivátory jsou atomy nebo ionty umístěné v matrici zúčastňující se římo rocesu generace laserového záření (senzibilizátor zlešuje řenos čerací energie k aktivnímu iontu Cr, Tm) Rubínový laser - Cr 3+ :AlO3, = 694 nm Yb:YAG laser - Yb 3+ :Y3Al5O1, = 109 nm Nd:YAG laser - Nd 3+ :Y3Al5O1, = 1064 nm Er:YAG laser - Er 3+ :Y3Al5O1, = 940 nm Nd:YLF laser Nd:LiYF4, = 1053 nm Ti:safír laser Ti: :AlO3, = nm

2 Příklad 91 Diferenciální účinnost (Sloe efficiency) v Ti:AlO3 laseru Ti:AlO3 laser je odélně buzený fokuzovaným svazkem Ar + laseru s vlnovou délkou = 514 nm Do dutiny je umístěn filtr, umožňující a odorující laserovou generaci na vlnové délce = 850 nm Předokládáme logaritmické ztráty na jeden oběh rezonátorem rt = 10%, reflexivitu výstuního zrcadla R = 95 % a účinnost buzení = 30 % Předokládáme otimální budící odmínky Vyočítejte sloe-efficiency (diferenciální účinnost) generace laseru Parametr sloe-efficiency (diferenciální účinnost) generace laseru ro4-hladinový systém lze zasat: h Ab s (1) h A kde je: jsou logaritmické ztráty na jeden růchod rezonátorem, tedy rt 01 jsou logaritmické ztráty výstuního zrcadla (činné ztráty) ln 1T ln R 005 A je růřez (obsah růřezu) aktivního rostředí Ab je růřez (obsah růřezu) laserového módu Při otimálních budících odmínkách latí: A = Ab Po dosazení vyočítaných hodnot do vztahu (1) dostaneme: h Ab s h A Sloe-efficiency (diferenciální účinnost) generace laseru za uvedených odmínek je 9%

3 Příklad 9 Výstuní výkon z Nd:YAG laseru Nd:YAG laser je říčně koherentně buzen zářením s vlnovou délkou 808 nm Laserový mód má růměr stoy w0 = 14 mm Účinný růřez ro stimulovanou emisi 19 je 8 10 cm Doby života ro horní laserovou hladinu je = 30 s Předokládáme, že výstuní zrcadlo má transmitanci T = 1% a rahový výkon budícího záření je Pth = 488 W Vyočítejte výkon budícího záření, který je ožadován ro dosažení výkonu výstuního záření z laseru Pout = 45 W Nd:YAG aktivní rostředí lze modelovat 4-hladinovým systémem kvantových hladin Výstuní výkon z laseru lze sočítat odle vztahu: P Pout Ab Is 1 () Pth kde je: Ab růřez (obsah růřezu) laserového módu ln 1 T logaritmické ztráty výstuního zrcadla (činné ztráty) P výkon budícího záření Pth rahový výkon Is h / saturační intenzita ro 4-hladinový systém Vyjádříme výstuní výkon záření laseru odle uvedeného vztahu () ln 1T ln I s 34 8 h hc 6, W m , Ab w0 3,14 0,0014 6,15 10 m 6 7 P P P A I P P Pth 48, , 40, , 33 out b s th Pro Pout = 45 W musí být tedy výkon budícího záření: Pout 45 P Pth 48,8 4W 0,33 0,33 Poznámka: doba života kvantové soustavy na dolní laserové hladině v Nd:YAG laseru je asi 1 = 30 ns, což je hodnota velmi malá ve srovnání s dobou života ro horní laserovou hladinu = 30 s, roto ro výočet saturační intenzity jsme oužili řiblížení: 1

4 Příklad 93 Buzení imulsního laseru omocí výbojky Pro čerání imulsního evnolátkového laseru slouží obvod laserového zdroje, skládající se z kondenzátoru o kaacitě C, který se řes tlumivku o indukčnosti L vybíjí do výbojky Imulsní výbojka je uzavřená trubice o růměru d vyrobená z transarentního materiálu (ro emitované záření) nalněná lynem (nejčastěji xenonem) na určitý tlak, na jejíchž koncích jsou elektrody vzdálené od sebe o l Důležitým arametrem imulsní výbojky je exlozní energie výbojky, což je energie, ři které dojde k destrukci výbojky: E ex k l d 1/ (E jednotka (J), k konstanta závisející na tyu a tlaku lynu a na fyzikálních a teelných vlastnostech materiálu výbojky, l jednotka (cm), d jednotka (cm), doba trvání otického imulsu výbojky jednotka (s)) Pro životnost imulsní výbojky - očet záblesků n - za který se sníží otická energie vyzařovaná výbojkou na 50% očáteční hodnoty, latí emirický vztah: n E E ex 0 85 Pro křemennou výbojku lněnou xenonem na tlak 60 kpa, d = 05 cm, l = 10 cm, = 00x10-6 s, k=1x10 4 (ro xenon) latí: ex E k l d J 1/ , Pokud energie budícího otického ulsu výbojky je tyicky E0 = 100 J, bude životnost výbojky (očet vyzářených imulsů výbojky do oklesu energie imulsu na 50% očáteční hodnoty): E ex 840 n 10 E

5 Příklad 94 Práh destrukce laserového krystalu Práh destrukce rubínového krystalu je roven 0 Jcm - Může být krystal s růměrem 05 cm a délkou 7 cm zničen vlastním zářením, jestliže je koncentrace aktivních částic rovna 16x10 19 cm -3? Najděte maximální říustnou délku tohoto krystalu, kdy se ještě nezničí vlastním zářením Rubínový laser (vlnová délka 694,3 nm) lze oisovat tříhladinovým modelem Průřez rubínového krystalu je: S r cm 3,14 0, 5 0,1965 V r l cm 3 3,14 0, 5 7 1,37375 Objem rubínového krystalu je: 8 c Energie jednoho fotonu je: E0 h h 6, 6610,86 10 J 9 694,310 Maximální energie, která může doadat na čelo rubínového krystalu, aniž by se zničil: E S 00,1965 3,95 J Počet fotonů dodávající tuto energii (na rahu oškození krystalu): E 3,95 19 n 1, E0,8610 V celém objemu krystalu je ři koncentraci aktivních částic 16x10 19 cm -3 celkem aktivních částic: n0 1,6 10 1,37375, Z toho lyne, že krystal se teoreticky může zničit vlastním zářením Maximální říustná délka se sočítá z očtu fotonů dodávající energii na rahu oškození krystalu a z koncentrace aktivních částic: 1, ,6 10 V Z toho délka krystalu je 4,3 cm Příklad 95 Výkon výbojky Odhadněte, jaký výkon musí mít výbojka, aby bylo dosaženo rahu generace v kontinuálním režimu u Nd:sklo laseru Doba života na honí laserové hladině je 0,5 ms, rahová hustota inverze oulace je cm -3, objem krystalu je 10 cm 3 Účinnost řeměny elektrické energie lamy v energii ohlcovanou absorčním sektrem iontů Nd 3+ v matrici skla je 4% Nd:sklo aktivní rostředí je možno modelovat čtyřhladinovým systémem Protože objem krystalu je 10 cm 3, je otřeba buzením řevézt n = aktivních iontů na horní laserovou hladinu Energie jednoho fotonu je: 8 c E0 h h 6, ,89 10 J Je tedy buzením otřeba dodat řibližně (není zde zaočítán vliv energetického rozdílu mezi budícím ásem a horní laserovou hladinou, res dolní laserovou hladinou a základní hladinou) energii: E E 0 n 1, ,0189 J Aby byla tato dodaná energie účinně využita, musí být dodána během doby života E 0, 0189 kvantové soustavy na horní hladině, tedy: P 37,8W 3 0,510 Protože účinnost řevodu elektrické energie na účinně absorbovanou otickou energii výbojky je ouze 4%, musel by být výkon do výbojky (elektrický) být roven: P 37,8 P0 954W 0,04