docLasery barwnikowe
download 
Reklamacja Transkrypt
Lasery barwnikowe
Lasery przestrajalne Rodzaj przestrajania dyskretne w obszarze linii szerokie szerokie pasmo wybór linii widmowej wyższe harmoniczne Podziały z różnych punktów widzenia lasery gazowe oscylatory (OPO – optical parametric oscillator) cieczowe impulsowe na ciele stałym z repetycją półprzewodnikowe ciągłego działania Lasery przestrajalne Przestrajanie dyskretne Typowy przykład – laser argonowy λ [nm] 457.9 476.5 488.0 496.5 501.7 514.5 528.7 Ośrodek czynny Wybór linii przez obrót pryzmatu i zwierciadła Lasery przestrajalne Przestrajanie dyskretne W laserze He-Ne trudno zrealizować przestrajanie, na przykład, między liniami 632.8 i 594 wymagane wysokie współczynniki odbicia jednocześnie dla obydwu linii Wybór 3391 lub 632.8 nm za pomocą metanu absorbującego linię 3.39 μm zderzenia atomów He z Ne 3.39 μm 3.39 μm Zderzenie elektronów z atomami He He + Ne 0.633 μm zderzenia ze ściankami kapilary 0.633 μm He + Ne metan Hel Neon Lasery przestrajalne Przestrajanie dyskretne cd Lasery izotopowe CO2 W paśmie λ = 8.9 - 12.4 μm około 1500 linii o szerokości Δλ ~ 0.01 - 0.05 nm Długoterminowa stabilność porównywalna z atomowym zegarem cezowym Szczególne zastosowanie w spektroskopii Generacja wyższych harmonicznych Przykład: Laser Nd:YAG λ1 = 1.064 μm II-ga harmoniczna λ2 = λ1/2 = 0.532 μm III-cia harmoniczna λ3 = λ1/3 = 0.355 μm IV-ta harmoniczna λ4 = λ1/4 = 0.266 μm V-ta harmoniczna λ4 = λ1/5 = 0.213 μm Nadfiolet próżniowy UV Lasery Ramanowskie Przy dużej mocy wiązki padającej (optyka nieliniowa) przy przejściu kwantowym do pośredniego poziomu w wiązce rozproszonej występują dodatkowe symetrycznie przesunięte linie widmowe Trzy impulsy λ = 1.159 μm λ = 1.064 μm Nd:YAG Modulator dobroci λ = 1.177 μm Kryształ generujący rozproszenie Ramana Wykorzystując dodatkowo generację harmonicznych i mieszanie fal można uzyskać promieniowania o długości fal 532, 555, 559, 579, 589 [nm] i innych, co ważne jest w zastosowaniach medycznych λ = 532 nm λ = 579 nm λ = 588 nm Lasery przestrajalne ArF KrF XeCl XeF λ = 193 248 308 351 Przestrajanie w obszarze linii Δλ = 2.1 2.1 0.12 0.08 Lasery ekscymerowe Impulsowe lasery gazowe wysokiej mocy w paśmie UV Przestrajanie temperaturowe – zmiana długości optycznej rezonatora wraz z temperaturą Przykładowo zmiana długości fali laserów półprzewodnikowych sterowana prądem zasilania W laserze rubinowym Δλ ≈ 0.6nm na 1000C Szerokie przestrajanie Lasery barwnikowe 1964 Barwniki – związki organiczne – np. rodamina Widmo emisyjne Widmo absorpcyjne λ Wykorzystuje się oscylacyjne poziomy energetyczne molekuł Typowy szerokie krzywe absorpcyjne i emisyjne barwnika 100 nm Układ poziomów energetycznych pompowanie szybkie przejścia wolna relaksacja hνlas emisja wymuszona pułapka kwantowa Konieczna wysoka moc pompowania laserem argonowym Lasery barwnikowe cd Zalety: szerokie pasmo ważne dla synchronizacji modów i szerokiego przestrajania łatwość chłodzenia ośrodka Wady: pompa wysokiej mocy, najczęściej impulsowa Wpływ szerokości impulsu pompującego na sprawność lasera barwnikowego sprawność 0.8 0.6 0.4 0.2 0 100 200 300 [ns] czas trwania impulsu pompującego Lasery barwnikowe cd Gwałtowny rozwój koniec lat 60-tych setki barwników w całym paśmie widzialnym i bliskiej IR łatwe odprowadzanie ciepła praca cw i impulsowa Szczególne właściwości: zawężanie impulsu do 7 fs stabilizacja częstotliwości ~ Hz/s Pompowanie laserem argonowym przepływająca struga barwnika Zwierciadło rezonatora Zwierciadło rezonatora wiązka laserowa Przestrojenie przez obrót zwierciadła Lasery barwnikowe właściwości Przestrojenie w paśmie 0.4 – 1 μm wymaga zestawu 10 barwników Wymiana barwników nie jest trudna, ale i kłopotliwa Pompowanie laserem, np. argonowym, ze zogniskowaną wiązką podgrzewa barwnik, który pod wpływem ciepła ulega dysocjacji Wypływ barwnika z dyszy jest pewnym rozwiązaniem, ale współczynnik załamania strugi ulega fluktuacji powodując niestabilność długości fali generowanej wiązki W latach 80-tych ubiegłego stulecia opracowano lasery na ciele stałym mające szerokie pasma emisji Laser tytanowy 1982 P.Moulton z zespołem MIT Początek lat 80-tych - apogeum laserów barwnikowych Szerokość impulsu Tytanowy Lasery barwnikowe OPA Impuls skompresowany Lata Goodbye dye lasers Przestrajalne lasery na ciele stałym Szerokie przestrajanie Przejścia laserowe na jonach metali: Cr Ti i inne Rubinowy Al2O3:Cr3+ – tylko wąskie przestrajanie Tytanowy Al2O3:Ti3+ Forsterytowy Mg2SiO4:Cr4+ Czarny YAG YAG:Cr4+ 0.6 0.8 Aleksandryt BeAl2O4:Cr3+ 1.0 1.2 1.4 1.6 μm Praca ciągła, impulsowa i synchronizacja modów Pompowanie laserem argonowym lub neodymowym Rozszerzenie pasma przestrajanie przez drugą harmoniczną Lasery na ciele stałym wypierają barwnikowe Metody przestrajania rezonator Szerokie przestrajanie Wykorzystanie dyspersji pryzmatu Szerokość pasma odpowiadająca kątowi rozbieżności wiązki przestrajanie dn - dyspersja materiału pryzmatu dλ λ Δλ = dn π 2w 0 dλ 2w 0 - średnica wiązki Zmniejszenie szerokości pasma przez zastosowanie kilku pryzmatów Zaleta – niskie straty Metody przestrajania Szerokie przestrajanie cd rezonator Odbicie od siatki dyfrakcyjnej pod kątem α α przestrajanie sin α = λ m d d – stała siatki m – rząd dyfrakcyjny Zmieniając kąt α dla danego rzędu m zmieniamy λ Szerokość pasma Δλ = 8λd cos α π m 2w 0 Zwiększenie selektywności – zmniejszenie Δλ - przez zwiększenie średnicy wiązki 2w0 za pomocą układu pryzmatów Zastosowanie rozszerzacza afokalnego wnosi straty fresnelowskie, które i tak są duże – odbicie od siatki dyfrakcyjnej Parametryczny wzmacniacz optyczny OPA – Optical Parametric Amplifier νp λ p Pompa νp λp Ośrodek nieliniowy Sygnał νs λs νpos λpos ν pos = ν p − ν s ν s λs Kosztem wiązki pompującej o częstotliwości νp wzmacniany jest słaby sygnał o częstotliwości νs i ponadto generowana jest wiązka pośrednicząca (idler) o częstotliwości νpos Proporcje między trzema wiązkami można zmieniać przez dopasowanie fazowe w krysztale nieliniowym (obrót kryształu) Zaleta: uzyskanie sygnału na innej i zmienianej długości fali Kryształy: BBO beta-barium borate – boran beta-barowy KTP potassium titanyl phosphate – fosforan tytanylowo potasowy Parametryczny oscylator optyczny Szerokie przestrajanie OPO – Optical Parametric Oscillator νp Pompa νp λp νpos νs ν s = ν p − ν pos Kryształ nieliniowy Pompowanie laserem νp w drodze oscylacji wywołuje promieniowanie pośredniczące νpos i na drodze mieszania powstaje promieniowanie νs Zmieniając optyczną długość rezonatora (np. obrót kryształu) zmieniamy płynnie νpos i tym samym νs Proporcje między trzema wiązkami zależą od charakterystyki spektralnej rezonatora i ponadto można je zmieniać przez dopasowania fazowe w krysztale nieliniowym (obrót kryształu) Parametryczny oscylator optyczny Szerokie przestrajanie Zakresy widmowe impulsowych OPO na podstawie Photonics Spectra July 93, strony 109-112 pompa 0.355 μm pompa 0.532 μm pompa 1.06 μm 0.4 . 0.5 . 1.0 . 1.5 . 2.0 . 2.5 . 3.0 . 3.5 . 4.0 . λ [μm] Lasery przestrajalne ciągłe działanie impulsowy Wolne elektrony 0.2 μm 1 mm Barwniki Tytan Aleksandryt Forsteryt Ciało stałe Oscylatory Półprzewodniki 0.5 . 1.0 . 1.5 . 2.0 . 2.5 . 3.0 . 3.5 . λ [μm] Laser przestrajany na wolnych elektronach Lasery przestrajalne Szerokie przestrajanie Praca impulsowa Energia [J] Moc [W kHz] Barwnikowe Tytanowy Aleksandryt Oscylator BBO Wolne elektrony 400 2500 5.5 220 > 100 > 0.1 ~ GW 13 6 0.11 cw Moc [W] 43 43 6.5
