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 (H 2, N 2, CO, CO 2, 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 kontinuální iontový (He) Cd+ Ar+ 442, 325 488, 514 el. výboj kontinuální molekulový - elektronový přechod H 2 N 2 116 337 el. výboj el. výboj molekulový - excimer ArF KrF XeCl 193 249 308 el. výboj svazek elektronů molekulový - vibrační přechod HF DF (deuterium) COIL CO, CO 2 2 700 4300 1 315 5500, 10 600 chemické chemické chemické el. výboj kontinuální kontinuální i molekulový - rotační přechod H 2 O HCN 119 a 220 331 a 337 rezonanční optické
Kapalné skupenství: 1 aktivní prostředí 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
Pevné skupenství: 1 aktivní prostředí 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 a 1, a 2, nebo r 1, r 2, 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 < g 1 g 2 < 1, kde g i = 1 L/r i 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/cm 2 (puls 20 ns) nebo 1kW/cm 2, průměry od 12,5 mm do 50 mm Přesnost povrchu 1/10 λ @632,8 nm http://www.iiviinfrared.com specialista na CO 2 optiku http://www.ophiropt.com/co2-lasers-optics/cavity-optics Dielektrické a kovové vrstvy pro danou vlnovou délku SiO 2,TiO 2,HfO 2,ZrO 2 a Al,Ag,Cu,Ni,Cr,Au Metody napařování: http://www.ateam.zcu.cz/tenke_vrstvy_fel_1.pdf
4 režim 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 P = E τ Frekvence pulsu f(hz) délka pulsu (ms)
Metody generace pulsů: 4 režim a kontinuální 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) pikosekundy 6 ) Chirping (rychlé kolísání frekvence elmg. vlny) 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