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