TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií Koherentní zesilovače záření Učební text Ing. Bc. Michal Malík Ing. Bc. Jiří Primas Liberec 2011 Materiál vznikl v rámci projektu ESF (CZ.1.07/2.2.00/07.0247) Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření, KTERÝ JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY
Koherentní zesilovače záření Zde se budeme zabývat zesilovači, které skládají záření ve formě vln vzájemně koherentních. Jako příklad takových zesilovačů můžeme uvést LASER nebo MASER. V následující přednášce se pokusím nastínit, popřípadě zopakovat, základní vlastnosti vlnění, možnou interakci vln a principy a druhy jednotlivých zesilovačů. Abychom pochopili co jsou koherentní zesilovače, musíme se napřed seznámit se základními pojmy spojenými s vlněním. Vlastnosti vlnění Vlnění můžeme definovat jako přenos kmitavého pohybu v látkovém prostředí. Je nutné popsat si alespoň několik základních vlastností vlny. Mezi ně patří amplituda A[m] a perioda T[s]. Často se udává i frekvence f [Hz] která je dána vztahem: f 1 T Abychom zmíněným veličinám lépe porozuměli, podívejme se na následující znázornění vlny. Obr. 1: Vlna Pokud se nám ovšem nejedná pouze o jedinou vlnu a potřebujeme popsat komplexnější situaci, kdy se nám společně s vlnou původní (červená) v prostředí pohybuje (v našem případě) stejným směrem a se stejnou frekvencí vlna druhá (modrá), potřebujeme ještě veličinu, které říkáme fázový rozdíl φ [s]. Jedná se o zpoždění jedné vlny oproti druhé. Opět se podívejme na novou situaci názorně zobrazenou na obrázku níže. Obr. 2: 2 vlny Teď, když známe základní vlastnosti popisující jednotlivé vlny, můžeme se začít zabývat jejich vzájemnou interakcí. 2
Interference Interference je jev, při kterém se prolínající se vlny vzájemně zesilují, nebo naopak zeslabují. Existuje několik pravidel, kterými se tyto interakce řídí. V případě, že se prostředím šíří zároveň více vlnění z různých zdrojů, šíří se všechna tak, jako by se v daném prostředí pohybovalo každé vlnění samo (vlnění se tedy nesrážejí a nemohou si vzájemně měnit např. směr). Tuto vlastnost charakteristickou pro vlnění nazýváme principem nezávislosti šíření vlnění. V souladu s principem zmiňovaném v předchozím bodě dochází v místě, kde se jednotlivá vlnění setkávají, k jejich aditivnímu skládání. Výsledkem této interakce je potom složené vlnění. Tomuto jevu říkáme interference vlnění. Výsledný kmitavý pohyb v daném bodě je dán součtem kmitání jednotlivých interferujících vlnění v tomto bodě podle principu superpozice. Interference vlnění tedy způsobí, že v některých bodech dojde k zesílení amplitudy složeného vlnění a v některých je naopak amplituda zeslabena. Koherence Mnohé optické měřicí metody vyžadují pro svou funkci kvalitní zdroje záření. Důležitým parametrem kvality zdroje záření pro interferometrii, holografii, ale i pro jiné optické měřicí metody je koherence záření. Za koherentní zdroje lze považovat takové, jejichž frekvence záření je stále stejná a rozdíl fází vyzařovaných paprsků se nemění. Koherenci rozdělujeme kromě jiných na dva hlavní druhy časovou a prostorovou. Zlepšení koherenčních vlastností lze dosáhnout zvýšením monochromatičnosti a ohraničením velikosti zářící plochy zdroje. Monochromatičnost záření ovlivňuje koherenci časovou a velikost zářící plochy zdroje ovlivňuje koherenci prostorovou. Časová koherence Koherentní zdroj záření by měl v každém okamžiku a z celého povrchu vyzařovat monochromatické záření. Je-li generováno záření s konečnou šířkou spektrální čáry, jehož vlnová délka leží v intervalu λ + λ, bude docházet při interferenci paprsků o vlnové délce λ s paprsky o vlnové délce λ + λ k záznějům ve směru šíření záření. Vzdálenost záznějů můžeme označit jako koherenční délku L, která vyjadřuje schopnost zdroje generovat stacionární záření se stálou fází ve sledovaném bodě, a která je dána vztahem: L c f 2, kde c je rychlost šíření záření a f je změna frekvence zdroje vyzařujícího v intervalu vlnových délek λ + λ. Při aplikaci zdroje záření s konečnou koherenční délkou je třeba mít na zřeteli, že kvalitní interferenci lze získat pouze superpozicí takových paprsků, jejichž optické dráhy (měřeno od zdroje záření) se od sebe příliš neliší a jejich rozdíl by měl být podstatně menší než koherenční délka L. Pro trojrozměrný holografický záznam objektů z toho plyne, že maximální hloubka objektu (ve směru osvětlení objektu) by měla být podstatně menší než koherenční délka L. Velké hodnoty koherenčních délek lze dosáhnout především u laserů. 3
Prostorová koherence Prostorovou koherenci lze vyjádřit pomocí tzv. koherenční šířky. Koherenční šířka je vzdálenost R na stínítku mezi osou svazku a místem s nejnižší intenzitou interferenci (optická dráha na tomto místě interferujících paprsků se liší o λ/2). Koherenční šířka je definována jako funkce průměru výstupu zdroje 2r, vlnové délky λ a mění se v závislosti na vzdálenosti zdroje od stínítka, kterou značíme a. Exaktní odvození vztahu pro koherentní šířku lze zjednodušit až do výsledné a obecně použitelné podoby: R a 4r Velké hodnoty koherenční šířky je možné dosáhnout především u laserů, kde velikost zdroje 2r je oproti jiným zdrojům záření zanedbatelná, a proto lze lasery považovat prakticky za bodové zdroje záření. MASER MASER je zařízení zesilující a generující (mikrovlnné) koherentní elektromagnetické záření na základě stimulované emise. Název je zkratkou původního anglického označení "Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation, tedy zesílení mikrovln pomocí stimulované emise záření. MASER funguje na principu stimulované emise pospané již roku 1917 Albertem Einsteinem. Máme-li atomy excitované na vyšším energetickém stavu, tyto atomy mohou zesilovat záření dané frekvence. Pokud umístíme takovéto zesilující medium do rezonanční dutiny, zpětnou vazbou nám vznikne koherentní záření. Jako příklad uveďme dnes nejpoužívanější vodíkový MASER, který se používá jako velmi přené vodíkové hodiny (odchylka 1ns/den). Molekuly plynného vodíku jsou rozštěpeny na jednotlivé atomy. Proud atomárního vodíku je vyslán skrz magnetické pole, které (stejně jako ve Strn- Gerlachově experimentu) nám pomůže vytřídit atomy vodíku v excitovaném stavu. Z excitovaného stavu se atomy vracejí zpět na svou původní energetickou hladinu a při tom vyzáří mikrovlnné záření. Toto záření je zachyceno mikrovlnnou dutinnou o velmi vysoké kvalitě a je vraceno zpět do proudu atomů vodíku. Při každém průchodu záření skrz atomový proud atomů je záření posíleno stimulovanou emisí. Tato kombinace zesilování a zpětné vazby je typická pro většinu oscilátorů. Rezonanční frekvence dutiny je přesně nastavena na konstantu velmi jemné struktury vodíku (1420405751,768 Hz). Malý zlomek záření je z dutiny odeslán koaxiálním kabelem na koherentní přijímač. LASER Původně nazýván optický MASER, LASER je opět zkratkou anglického označení: "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Jedná se o rozšíření principu MASERu, kde mikrovlny jsou nahrazeny světlem. 4
Princip LASERu LASER sestává z aktivního média, dvou zrcadel tvořících rezonátor a vnějšího zdroje energie. Vnější zdroj energie (může jít např. o výbojku, elektrický proud, nebo jiný LASER) dodává do aktivního média energii. Aktivní médium musí být látka s takovými vlastnostmi, které umožňují zesilovat světlo stimulovanou emisí. Je uzavřeno mezi dvěma zrcadly tak, že se světlo mezi nimi dokonale odráží a prochází tam a zpátky skrz aktivní médium a stimulovanou emisí nabírá na intenzitě. V určitou chvíli je část světla přítomného mezi zrcadli vypuštěna ven z aktivního média prostřednictvím polopropustného zrcadla ve formě výstupního laserového paprsku. Obr. 3: Princip LASERu Druhy LASERů Existuje mnoho hledisek podle kterých můžeme dělit LASERy do různých kategorií a druhů. Jedním z takových hledisek jsou vlastnosti materiálu použitého jako aktivní médium as tím související. Právě tyto vlastnosti totiž určují vlastnosti výsledného laserového paprsku. Plynové LASERy Plynové LASERy využívají jako aktivní médium plyny (HeNe, Ar, CO 2, N 2, atd.). Vnějším zdrojem energie je elektrický proud, který v plynném médiu způsobí výboj a stává se tak zdrojem koherentního světla. Vlastnosti konkrétního LASERu jsou závislé na použitém plynném prostřdí: o HeNe LASERy jsou jedny z prvních objevených plynových LASERů. Světelný paprsek na jejich výstupu má většinou vlnovou délku 633 nm (červená), i když jsou schopné produkovat světlo o různých vlnových délkách. Jejich velkou výhodou je relativně nízká cena a zároveň vysoká míra koherence paprsku a jsou proto velmi často využívány v optických laboratořích, nebo ve výukových programech. o CO 2 LASERy jsou schopné produkovat velmi vysoké výkony (v řádu stovek kw) v infračerveném spektru a jsou využívaný v průmyslových aplikacích k řezání a sváření. Jako alternativu CO 2 můžeme použít CO a získáme tak možnost získat na výstupu ještě větších výkonů, ovšem za cenu velké toxicity a náchylnosti mnoha materiálů korodovat v atmosféře oxidu uhelnatém. 5
o TAE LASERy, neboli LASERy pracující s plynným médiem při atmosférickém tlaku (CO 2, N), dovolují pracovat s plynem o vyšší hustotě excitovaných atomů a tedy umožňují získání většího výkonu na výstupu. Využívají se například k označování obalů výrobků (např. datum spotřeby), nebo v průmyslových aplikacích na úpravy povrchů (částečné/úplné zbavování laku, čištění nebo aktivace povrchu před barvením, nebo čištění nástrojů a forem bez opotřebení). Chemické LASERy U chemických LASERů se aktivní médium, ve kterém se generuje laserový paprsek, aktivně podílí na dodávání energie pro vlastní tvorbu paprsku. Jako zdroj energie jsou zde totiž používány chemické reakce, které v médiu probíhají. Tyto LASERy jsou schopny dodávat výkony až v řádu MW a jako takové se používají v průmyslu na řezání a vrtání a v rozličných vojenských aplikacích. Jako příklad chemického LASERu můžeme uvést HF (fluorovodík) LASER a DF (fluorodeuterium) LASER. V obou případech je základem spalování ethylenu v atmosféře fluoridu dusitého, při kterém vznikají volné excitované radikály fluoru. K nim je připouštěna plynná směs helia a vodíku respektive deuteria a radikály fluoru se s vodíkem respektive s deuteriem spojí a vytvoří tak excitované molekuly HF* respektive DF*. V prostoru optického rezonátoru pak tyto excitované molekuly projdou stimulovanou emisí. HF LASERy jsou schopné pracovat na vlnových délkách 2,7 2,9 μm. Tato vlnová délka je ovšem velice rychle absorbována v atmosféře, což prakticky snižuje dosah paprsku na minimum pokud nepracujeme ve vakuu. Pokud vodík nahradíme deuteriem, vlnová délka vzroste na 3,8 μm a přeroste tak absorpční oblast atmosféry, což činí DF LASERy dobře využitelné v pozemské atmosféře. Barvivové LASERy U těchto LASERů se jako aktivní prostředí využívají organická barviva, většinou v tekuté podobě jako roztoky (např. Rhodamin 6G, Rhodamin B, Fluorescein, Alizarin, různé Coumariny atd. rozpuštěné např. v lihu, nebo destilované vodě). V porovnání s ostatními typy LASERů je výhodou používání barviv velký rozsah výstupních vlnových délek, takže je možné je ladit např. pomocí difrakčního hranolu. To nám umožňuje je využít např. ve spektrometrii. Navíc, pokud vyměníme užívané barvivo za jiné, můžeme tím samým LASERem generovat jiné vlnové délky odpovídající novému barvivu. Princip spočívá v tom, že je rozpuštěné barvivo hnáno, nebo vstřikováno oblastí, kde je dopováno energií z vnějšího zdroje (rychlá výbojka nebo jiný LASER). Je nutný relativně rychlý pohyb média stejně jako chlazení aktivní oblasti, aby nedocházelo k degradaci barviva. Polovodičové LASERy Polovodičové LASERy jsou diody, které využívají jako aktivní prostředí polovodičový přechod. K získání paprsku zde slouží přebytečná energie vyzářená při rekombinaci páru elektron-díra. Vzhledem k velikosti indexu lomu na přechodu krystalu a vzduchu není potřeba zrcadel k vytvoření rezonátoru. Díky své velmi malé velikosti a levné výrobě nahradily v mnoha aplikacích jiné druhy LASERů. V dnešní době se využívají např. v tiskárnách, CD/DVD přehrávačích, přenosu 6
informací nebo jako vnější zdroj energie pro jiné LASERy. Je možné dokonce najít diody s tak velkým výkonem (až 10 kw), že jsou samy využívány v průmyslu k řezání a sváření. Pevnolátkové LASERy Do této kategorie patří vůbec první zprovozněný LASER (rubínový). Aktivním médiem je zde krystalická (nebo skleněná) tyč, která je dopována ionty jiného prvku (např. chrom nebo neodym) prostřednictvím výbojky, aby se dosáhlo potřebné energetické hladiny. Aktivní prostředí se opět musí chladit, protože se při činnosti LASERu krystal značně zahřívá. Celková účinnost těchto LASERů bývá relativně malá (v jednotkách %). Tento fakt je dán převážně kvalitou rezonanční dutiny a zahříváním krystalu. Jako příklad můžeme uvést LASER využívající yttriumaluminiový granát s příměsí neodymu nebo chromu (Nd:YAG resp. Cr:YAG). Poděkování: Tento text vznikl za podpory projektu ESF CZ.1.07/2.2.00/07.0247 Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření. Formát zpracování originálu: titulní list barevně, další listy včetně příloh barevně. 7