Klasyfikacja laserów
Według materiałów aktywnych
Systemy pompowania
Prąd elektryczny
Wyładowania elektryczne
Lampa wyładowcza (naświetlanie)
Inny laser
Reakcja chemiczna
Półprzewodnikowe
(np. GaAs)
Gazowe atomowe
(Ne)
, jonowe
(Cd,Ar)
, molekularne
(XeCl, CO
2
)
Na ciele stałym - jonowe
(Nd, Cr, Yb, Ti)
Molekuły w roztworach
(barwniki)
Ekscymerowe
(XeCl, KrF, ArF)
Klasyfikacja z punktu widzenia sposobu działania
Klasyfikacja laserów
cd
Ciągłego działania (cw)
Impulsowe
Wysokiej mocy lub energii w impulsie
Mikrolasery
Włóknowe
Ekscymerowe (
irradiacja
)
Przestrajalne
Chemiczne
Niektóre osiągane parametry przez współczesne lasery
Stabilizacja częstotliwości nawet do
10
-13
Ceny od
1$
(diody LED) do
wielu milionów $
Objętość od
1cm
3
do
całego budynku
Rekord – lasery gazodynamiczne kilkadziesiąt kW podczas kilku sekund
Lasery chemiczne
Moce
ciągłe działanie (
cw – continuous wave
) od
μW – kilka kW
w impulsie rzędu
5 fs
max. moc
10
20
W
, energia impulsu do
10
4
J
Nowy rekord
1.6 fs
przez wykorzystanie kilku pasm emisyjnych
Photonics Spectra, luty 2005, strony 92-105
Lasery gazowe
Atomowe
typowy
He-Ne
Hel
Neon
Z
d
er
ze
n
ie
e
le
kt
ro
n
ó
w
z
at
o
m
a
m
i
He
zderzenia
atomów
He
z
Ne
zderzenia ze
ściankami kapilary
3.39
μm
0.633
μm
1.15
μm
0.594
μm
1961 Javan (USA)
λ = 1.15 μm
1962
λ =
632.8 nm
Długości fal w nm
543.3
594.1
611.8
632.8
1152.3 2395.1 3395.1
Praca ciągła
He:Ne
5:1 9:1
Mieszanina
λ =
633
nm
1.15
μm
Moce
0.5 – 50
mW
Na zamówienie światło
spolaryzowane liniowo, mod
TEM
00
Rezonatory laserów
He-Ne
promieniowanie niespolaryzowane
promieniowanie spolaryzowane
liniowo
Budowa kompaktowa lasera
He-Ne
Czas pracy 20 tys. godzin
Lasery gazowe
cd
Jonowe
przejścia
między
poziomami energetycznymi jonów
Laser argonowy i kryptonowy
(gazy szlachetne)
Pompowanie wzdłuż kapilary o wysokich gęstościach natężenia
prądu
30 – 150 A/cm
2
w gazie o niskim ciśnieniu
Praca ciągła – do
25 W
dla wielu linii
,
10 W
Ar dla
λ = 488 nm
Energia impulsu do
100 mJ
Konieczność chłodzenia (przepływ wody)
Drogi – czas życia kapilary – 2 lata
Wiele linii
Ar
457.9 476.5
488.0
496.5 501.7
514.5
528.7
nm
Kr
476.2
520.8 530.9
568.1
647.1 676.4
nm
Selekcja linii w laserach na gazach szlachetnych
Ośrodek czynny
Obrotu pryzmatu i zwierciadła niezależne, tak aby na płaszczyzny
prymatu promienie wiązki generowanej padały pod kątem Brewstera
Lasery gazowe
cd
Jonowe na parach metali
Jony wyparowanego metalu
przemieszczają się w stronę katody i
są osadzane w obszarze schładzania
Cd
+
+
-
grzejnik
schładzanie
Laser He-Cd
Pompowanie na
He
,
zderzenia
He
z
Cd
emisja laserowa na
kadmie
Długości fal
325.0 353.6
441.6 nm
cw
Moce
10 – 200 mW
Po włączeniu lasera
–
oczekiwanie kilku minut na parowanie metalu
Laser kadmowy
Lasery kadmowe cw HeCd
λ
[nm]
325
442
moce [mW]
5 -
50
10 - 150
jednocześnie
dla dwóch
długości fal
Lasery gazowe
cd
Lasery molekularne
Przejścia między wibracyjno-rotacyjnymi poziomami energetycznymi
molekuł
Laser CO
2
Mieszanina gazów
CO
2
:N
2
0.8:1
Pompowanie na azocie,
akcja laserowa na CO
2
Szybki przepływ gazu
(usuwanie zużytych
molekuł i ich chłodzenie)
Wiązka lasera
zasilanie
Zasilacz
Laser
TEA
Transverse Electric
Atmospheric
Lasery gazowe
Laser CO
2
cd
Długości fal
linie
10.6
μm
w paśmie 22 nm
Praca impulsowa
ciągła (cw)
Ciśnienie
atmosferyczne
obniżone 50
x
Średnia moc
1 kW
typowa 5 kW (do 100 kW)
Energia
w impulsie
do 10 kJ z repetycją 1 kHz
N
2
CO
2
Z
d
er
ze
n
ie
el
ek
tr
o
n
ó
w
z
m
o
le
ku
ła
m
i
N
2
zderzenia
molekuł
N
2
i
CO
2
zderzenia ze
ściankami kapilary
λ
= 10.6
μm
Wyjątkowo
wysoka sprawność
do 30%
do 20 %
Lasery gazowe
cd
Lasery ekscymerowe
Praca impulsowa
kilka ns
z repetycją
10 Hz – 1 kHz
Lasery
UV
dużej średniej mocy (
1 – 100 W
)
i energii impulsu (
100 mJ – 10 J
)
Długości fal
XeCl
308 nm
KrF
248 nm
ArF
193 nm
Ośrodek czynny z mieszaniny gazów (głównie
He
) z ekscymerami,
związki fluoru i chloru, przykładowo
XeCl, KrF, ArF
Gazy niebezpieczne dla zdrowia
Poprzeczne pompowanie impulsowe
Laser bez rezonatora
Generacja przez irradiację
Lampa
wyładowcza
Lasery na ciele stałym
Wpływ temperatury na trwałość powłok
Typowe rezonatory
α
B
Kąt padania osi wiązki na ścianki pręta
pod kątem Brewstera
α
B
Możliwość wstawienia modulatorów itp
Konieczność zjustowania elementów
Pompowanie
poprzeczne
Dopasowanie geometryczne
Zwierciadło
eliptyczne
Pręt
laserowy
Lekko matowana powierzchnia
aby uniknąć irradiacji i poprawić
jednorodność pompowania
Lasery na ciele stałym
cd
Pręt laserowy
nośnik
(osnowa pręta)
+
atomy (jony)
jako centra aktywne
kryształy:
YAG, korund,
forsteryt, YVO i inne
szkło
ceramika
Nd Cr Ti Er
i inne
Problem technologiczny
:
czystość chemiczna
i
jednorodność optyczna
Lasery na ciele stałym
cd
Granat itrowo-aluminiowy YAG ma
dobrą przewodność cieplną
i
jednorodność (defekty) zależną
od technologii
Pompowanie
lampą wyładowczą
(np. kryptonową)
lub diodą laserową
λ = 808 nm
Długość fali
λ = 1.064 μm
Laser Nd:YAG
w granacie jony
Nd
3+
Praca ciągła impulsowa
Moc
100 W – 1 kW
impuls ns
do 250 W
ps
do 30 W
Energia
do 100 J do 50 mJ
Częstotliwość repetycji
do 50 kHz
do 100 Hz
Sprawność
do 1 % do 4 %
Konieczność chłodzenia obiegiem wody, lub przy mniejszych mocach
powietrzem
Laser Nd na szkle
w szkle
jony Nd
3+
Niska przewodność cieplna szkła
–
praca lasera z repetycją 10 Hz
Duże średnice i długości prętów
Długości fal
λ = 1.054 - 1.062 μm
Praca impulsowa
ms
ns
10 ps
Moc średnia
do 1 W
Energia
0.5 kJ
do 0.2 kJ
do 10 mJ
Sprawność
do 1 %
Lasery chemiczne
Lasery na ciele stałym
Dopasowanie geometryczne
cd
Widmo lampy wyładowczej
powinno być dopasowane
do widma
absorpcyjnego pręta laserowego
w celu zoptymalizowania sprawności
układu pompującego
Pompowanie
wzdłużne
λ
las
Dioda
Promieniowanie
pompy
λ
p
Zwierciadło: transmisja
λ
p
odbicie
λ
las
Zwierciadło: odbicie
λ
p
częściowa transmisja
λ
las
Dopasowanie widmowe
Generowanie drugiej harmonicznej
Druga harmoniczna
I
ω
I
ω
I
2
ω
Mikrolaser
Moce – kilkadziesiąt mW
Lasery włóknowe
Pompowanie laserów z włóknami dwupłaszczowymi