200 < Ve zkratce) Lasery - zdroj koherentního zářer u A—1 Helena Jelínková V květnu letošního roku si celý vědecko-technický svět připomínal padesát let od uvedení do provozu prvního laseru (16. květen 1960). Laserem generujícím „speciální" elektromagnetické záření byl rubínový lasera vědcem, který poprvé uvedl takové zařízení v činnost, byl Theodor H. Maiman, pracovník Hughes Research Laboratories, USA. Slovo laser je akronym názvu Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, což v doslovném překladu znamená „zesílení světla stimulovanou emisí záření". Obr. 1 Srovnání vlastností nekoherentního a koherentního záření Obr. 2 Vlnové a časticové vlastnosti elektromagnetického Vlnové vlastnosti světla Odraz Lom Disperze Ohyb Difrakce SLUNCE t Časticové vlastnosti světla Hybnost fotonu p = hv/c = hlX Absorpce Spontánní emise t I Stimulovaná emise 2hv=2(E2-E,) hv= E,-E, ľ Historie laseru Obr. 3 Znázornění dějů probíhajících při interakci elektromagnetického záření s kvantovou soustavou Historie laseru ale započala daleko dříve než v roce 1960. Na přelomu devatenáctého a dvacátého století Max Plaňek z výsledků zkoumání „absolutně černého tělesa" odvodil vztah mezi energií E a frekvencí záření v: E = hv. Energie E může být emitována nebo absorbována pouze v diskrétních objemech, které Plaňek nazval kvanta. (Konstanta úměrnosti h je Planckovou konstantou: h = 6,626.10"34 Js.) Potvrdil tím hypotézu dvojí povahy elektromagnetického záření tzv. korpuskulárně-vlnovýdualismus (obr. 2). Na Planckův výzkum navázal Albert Einstein (1905) studií tzv. fotoelektrického efektu -energie světlaje přenášena vdiskrétních kvantových částicích nazývaných fotony. V roce 1915 Niels Bohr uveřejnil tzv. „General assumptions", kde shrnul výsledky týkající se studia atomu. Definoval tzv. „stacionární stavy" s danou energií. Emise nebo absorpce elektromagnetického záření může existovat pouze ve spojitosti s přechodem mezi těmito stacionárními stavy kvantové soustavy. Frekvence v emitovaného nebo absorbovaného záření je úměrná rozdílu energií E2 a E, těchto stacionárních stavů: v = (E2 - E,) /h. č. 4-5 < Čs. čas. fyz. 60 (2010) > 201 Otevřený rezonátor ■ Aktivní prostředí ■ u'd _ M , i, Zrcadlo 100% Pevná látka '2 Zrcadlo 8 - 99 % Kapalina Řídicí jednotka Zdroj buzení Buzení el. 1 proudem Odrazné plochy polovodiče Aktivní oblast Polovodič typu N Odrazné plochy polovodiče Při interakci kvantové soustavy (souboru atomů nebo molekul) s elektromagnetickým polem může tedy dojít k absorpci kvanta záření (soustava se nachází v nestabilním - excitovaném - stavu) nebo k tzv. spontánní emisi kvanta záření - k vyzáření přebytečného fotonu při návratu soustavy do stabilního stavu (obr. 3). Vyzářený foton má energii, která je rovna rozdílu energií E2-E, daného přechodu, ale směr pohybu fotonu a jeho další vlastnosti vlnové (polarizace nebo fáze) jsou naprosto náhodné. V roce 1916 vyslovil Einstein hypotézu: při přechodu z vyšší energetické hladiny na nižší může kromě emise spo/itó/i/i/existovat také emise vynucená, indukovaná, stimulovaná (obr. 3), která nastává tehdy, kdy spontánní foton způsobí přechod další kvantové soustavy z excitovaného na základní stav. Nový emitovaný foton má nejenom stejnou energii (a tedy i vlnovou délku) jako foton „stimulující" (záření bude monochromatické), ale bude se také pohybovat ve stejném směru (záření bude směrové) a-z hlediska vlnových vlastností - se stejnou fází (záření bude koherentní). Tato emise je základem funkce jak maseru (mikrovlnný předchůdce laseru), tak samotného laseru. Trvalo ovšem více než čtyřicet let, než vědci byli schopni zesílit tuto emisi natolik, aby byla měřitelná a aby tak Einsteinova hypotéza byla potvrzena. Obr. 4 Schematické znázornění součástí laserového oscilátoru (nahoře) pevnolátkový, plynový a kapalinový laser; (dole) polovodičový laser) Komponenty laseru Laserový oscilátor se v základě skládá ze tří částí (obr. 4), kterými jsou: ■ aktivníprostředí (kry'stal, plyn, barvivo, polovodič, plazma) -zdroj kvantových soustav; ■ čerpací zdroj (záblesk světla, elektrický výboj, elektronový svazek atp.) dodávající energii laserovému aktivnímu mediu, umožňující dosažení inverzního obsazení hladin; ■ optický rezonátor-soustava dvou nebo více odrazných zrcadel vnáší kladnou zpětnou vazbu, jíž lze dosáhnout optického zesílení (různé typy rezonátorů jsou na obr. 5). (-V1/2)/ R, = L/2 R. R, = L/2 R2= L/2 5 1 Koncentrický R, = °o L R,= co g, = 1-L/R, R, = co R2= L Hemisférický R, =-L/2 R3 = L/2 Nestabilní neg. větev Obr. 5 Příklady laserových rezonátorů; elektromagnetické pole uvnitř rezonátorů má tvar daný parametry zrcadel rezonátorů Vysoce odrazné zrcadlo Aktivní médium Částečné propustné zrcadlo lonty aktivního media v základním stavu Čerpání šírokospektrálním zdrojem, aktivní ionty přecházejí do excitovaného stavu l li i] i| II II II i| Počáteční spontánní emise - všesměrová • - • ľ^* _ • 9~-9 0 • Záření emitované 3=9 9 3=9 • 3=9 • 3=9 9 v ose rezonátorů Je jass3=9 3=# 3=9 9 3=9 9 9 3=9- zesilováno stimulovanou ,"*"3=9 9 3=9 9 3=9 9 i9 9 emisí Laser-zesilování světla IH *-^=^3^Kí!=«ÍmÍ^ • ^EĚ^ĚĚšĚ?~ pomocí stimulované emise # 359 Obr. 6 Vznik laserového záření uvnitř otevřeného rezonátorů Vznik laserového záření Vznik laserového záření je graficky znázorněn na obr. 6. Působením čerpacího záření přecházejí atomy (molekuly) aktivního laserového materiálu do excitovaného stavu a některé z nich se vracejí do stavu základního za současného vyzáření spontánního fotonu. Ten může splnit úlohu stimulujícího fotonu, způsobujícího vynucený přechod další excitované kvantové soustavy (atomu, molekuly) do základního stavu za současného vyzáření kvanta - stimulovaného fotonu. Při šíření těchto dvou fotonů aktivním prostředím nastává lavinovitý proces, počet stimulovaných fotonů se zvyšuje. Zároveň dochází k výběru směru dráhy, po které se fotony v rezonátorů pohybují. Fotony pohybující se jinými směry, než je směr kolmý k zrcadlům rezonátorů, se nevrací do aktivního média a jejich počet se tedy nezvyšuje. Generované laserové záření, vznikající po mnoha obězích fotonů rezo-nátorem, vychází částečně propustným zrcadlem ven z rezonátorů a může být identifikováno přístroji. Z naměřené energie nebo výkonu a průřezu generovaného svazku lze určit intenzitu záření /. 202 Ve zkratce > Děje probíhající při generaci laserového záření V procesu generace laserového záření jsou podstatné vždy dvě hladiny, nazývané laserová (horní) hladina (E2) a terminálni^(dolní) hladina (E,), mezi kterými dochází k laserovému přechodu. V počátečním stavu (před začátkem buzení) je obsazení (populace) energetických hladin aktivního média dáno termodynamickou rovnováhou, kterou lze popsat Boltzmannovým rozdělením N2 = N, expHEj-EJ/kT), kde N„ N2 jsou obsazení energetických hladin E, a E2, k je Boltzmannova konstanta (k^^S.IO^J.K1), T je absolutní teplota. Obsazení energeticky vyšších hladin se tedy exponenciálně zmenšuje (obr. 7). Z teorie vyplývá, že tzv. Einsteinovy koeficienty pravděpodobnosti absorpce a stimulované emise mezi dvěma energetickými hladinami se rovnají a že přírůstek (úbytek) intenzity záření způsobený stimulovanou emisí (absorpcí) je úměrný populaci té hladiny, ze které daný jev nastává. Pro dosažení narůstání počtu stimulovaných kvant v rezonátoru (stimulovaná emise převládá nad absorpcí) je nezbytné dosáhnout stavu, kdy je obsazení laserové hladiny větší než obsazení terminálni hladiny, tzn. je nutné dosáhnout inverze populace hladin (N2> N,) (obr. 7). V reálném aktivním prostředí existuje obvykle velký počet energetických hladin, ale při základním, zjednodušeném popisu děje se omezujeme pouze na dvě hladiny. Je ale nutné mít na paměti, že dvouhladinový systém nemůže pracovat jako zesilo- Dvouhladinový systém Čerpací přechod n Laserový přechod Nelze dosáhnout inverze populace, maximálně 50:50 Tříhladinový systém Čerpací přechod Rychlý nezářivý přechod Laserový přechod Čerpací přechod Čtyřhladinový systém Dosažení inverze, musí být vybuzena více než polovina atomů => vysoký práh Rychlý nezářivý přechod Laserový přechod Rychlý nezářivý přechod Snadné dosažení inverze populace, nízký práh Obsazení energetických hladin v termodynamické rovnováze dané Boltzmanovým zákonem i i Inverze populace hladin při intenzivním buzení, systém v termodynamické nerovnováze i i i EA- \ \ exp[-(E2- E,)/kT| E* \ Obr. 7 Obsazení energetických hladin v termodynamické rovnováze a při inverzním obsazení vač záření, protože u něho nelze čerpáním dosáhnout inverze populace hladin. Maximálně se ustaví rovnováha obsazení laserové a terminálni hladiny (obr. 8). Popis reálného laserového děje (v nejjednodušším přiblížení) lze provést pomocí jednoho ze dvou modelů -tříhladinového nebočtyřhladinového(obr.8). U obou dochází k laserovému přechodu mezi hladinami E2 a E, (jsou to tedy hladiny, které ve zjednodušeném modelu uvažujeme jako laserovou a terminálni), ale čerpání probíhá mezi hladinami E, a E3 (tříhladinový systém, např. rubínový laser) nebo E„a E3 (čtyřhladinový systém, např. Nd:YAG laser) (obr. 8). Při generaci laserového zářenídochází v každé vrstvě aktivního prostředí o tloušťce Az(vizobr.4) kabsorpci budícího záření, ke spontánní emisi a k zesílení rezonančního záření pomocí stimulované emise. V případě, že stimulovaná emise převýší podstatně spontánní emisi, může být spontánní emise zanedbána a intenzitu / elektromagnetické vlny šířící se daným homogenním prostředím se vzdáleností z lze vyjádřit vztahem: / = /0e(9"a)z kde /0je intenzita záření proz = 0 a g = o (N2- N,) je koeficient zesílení, oje účinný průřez stimulované emise - materiálový parame-traktivního média, N,, N2 jsou obsazení energetických hladin E, a E2, a je koeficient ztrát daný difrakčními ztrátami, nehomoge-nitami v aktivním prostředí a také „činnými" ztrátami částečně propustným zrcadlem rezonátoru. Pro dosažení zesílení v laserovém rezonátoru musí platit: / > /„, tzn. že po dvojnásobném průchodu záření rezonátorem (po odrazu od obou zrcadel, viz obr. 4), musí být intenzita /4 > l0, přičemž /4 = R2/3 = R1R2/oe2(g"a)L/ kde h = /2e(9-a)L = R,/0e2(9-a)L, l2 = Rn/n = R,l0e{g~a>l a /, = /„e(9-a)L. (R, a R2 jsou odrazivosti zrcadel, L je délka rezonátoru daná vzdáleností jeho zrcadel). Z podmínky l4 > /„plyne: R^e2'9""- > 1, což v případě rovnosti představuje tzv. prahovou podmínku generace laserového záření. Pro dosažení generace laserového záření musí platit: R,R2e2(9"a)L > 1, a tedy g > ((- In R,R2)/2L) + a. Jakmile laserové záření dosáhne prahové hodnoty, může se jeho intenzita po dalších obězích rezonátorem zvyšovat. Narůstání intenzity probíhá až do doby, kdy čerpání dané zdrojem už nestačí vytvářet inverzní obsazení hladin - nastává tzv. saturace zisku, při které saturovaný zisk vyrovnává ztráty. Intenzita / dosáhne hodnoty saturační intenzity ls, která je definována /s= hv/oT, kde t je doba života na laserové hladině, tj. na hladině E2. lSl a a t jsou materiálové parametry charakterizující aktivní médium. Obr. 8 Dosažení inverze populace hladin v tříhladinovém nebo čtyřhladinovém systému Různé druhy laserů V současné době existuje velký počet laserových systémů. Abychom pochopili jejich různorodost, je vhodné roztřídit je podle kritérií, kterými obvykle jsou: aktivní prostředí, generované vlnové délky, typ kvantových přechodů, typ buzení, časový režim provozu laseru. Podle druhu aktivního prostředí rozlišujeme lasery: pevnolátkové, polovodičové, plynové, kapalinové, plazmatické. Podle generovaných vlnových délek se lasery dělí na: infračervené, viditelné, ultrafialové a rentgenové. Podle energetických hladin zúčastněných při stimulované emisi jsou lasery rozlišovány jako: elektronové a molekulární (rotační, rotačně-vibrační, vibrační). Z hlediska časového rozvoje lze lasery rozdělit na kontinuální, kvazikontinuálnía pulsní. V časové doméně se můžeme setkat s kontinuálními lasery (např. laserové ukazovátko nebo výkonný MW plynový laser) a také s lasery emitujícími pulsy s délkou od milisekund (10"3s) až po attosekundy (10"1S s). Generované energie mohou být v řádu mi-krojoulů (10~6 J) až do několika megajoulů (106 J). V jednom krátkém impulsu z laseru na laboratorním stole lze běžně získat výkon 109 W, což řádově odpovídá výkonu elektrárenského bloku JETE. Uvážíme-li různé typy buzení, je možné třídění laserů uspořádat do obr. 9. Vzhledem ke svým unikátním schopnostem bylo laserové záření po uvedení prvního laseru do provozu využito téměř okamžitě v aplikacích. V medicíně (oftalmologii a der-matologii) bylo laserové záření aplikováno už v roce 1961 (operace oční sítnice) a také v technologiích byl laser použit velmi brzy. Od té doby využití laseru jenom roste. Kromě medicíny, kde se uplatňuje jak v diagnostických, tak léčebných zásazích (v oftalmologii, dermatologii, chirurgii, ORL, kardiológii, gynekologii, stomatologii, neurologii a dalších) se laser objevuje jako běžný nástroj v technologiích (použití pro řezání, sváření, vrtání), mikroelektronice (litografie), při přenosu, záznamu a vyčítání informací (optické spoje, laserové čtečky atp.), ve fyzice plazmatu (generace hustého horkého plazmatu, výzkum inerciální termojaderné syntézy), astronomii a kosmickém výzkumu, geodézii (přesné měření vzdálenosti objektů, zpřesňování tvaru Země), výzkumu a sledování atmosféry, výpočetní technice, v holografii, zábavní a vojenské technice a dalších aplikacích. Z pomyslného „stromu", v jehož kmeni byl pevnolátkový rubínový laser (obr. 10), vyrostla celá řada různých laserů (jen pev-nolátkových aktivních materiálů bylo vyzkoušeno 620) a také celá soustava aplikací, jejichž počet není ještě z daleka uzavřen. Aktivní materiály Typy laserů Buzení ^P^^^p ^^^^^^ Rubínový laser 16.5.1960 Obr. 10 Typy laserů a jejich aplikace. Autorka děkuje doktorandům Ing. O. Kitzlerovi a Ing. M. Fibrichovi za pomoc při vytvoření ilustrujících obrázků. Telekomunikace 204 { komerční prezentace ) Optické prvky i pro lasery Krátká historie Město Turnov se může pochlubit mj. i tím, že zde najdeme nejstarší české optické pracoviště kontinuálně vyrábějící optiku - Dioptru, a. s., která v loňském roce oslavila 112 let od svého založení. Historie turnovské optické výroby je založena na opracování polodrahokamů, které je ve městě a okolí dokladováno již od patnáctého století. Kromě polodrahokamů dovedli naši předci výtečně pracovat i se sklem. A tak ve dvacátém století vznikl v Turnově Výzkumný ústav monokrystalů, později známý pod názvem Monokrystaly a transformovaný do dnešního Crytur, s. r. o. Po zahájení programu Interkosmos v šedesátých letech hledal Astronomický ústav tehdejší ČSAV pracoviště k realizaci optiky pro družicové experimenty. Přirozeným místem hledání byl i Turnov, konkrétně Výzkumný ústav monokrystalů. Z jedné jeho skupiny bylo pak k 1. lednu 1965 vytvořeno detašované optické pracoviště Astronomického ústavu. Jeho hlavním úkolem bylo především zajistit výzkum, vývoj a výrobu optických součástí programu Interkosmos, dále pak zajišťovat i pro ostatní ústavy ČSAV vývoj a výrobu unikátních optických prvků. Pracoviště prošlo mnoha různými peripetiemi, čtrnáct let fungovalo samostatně pod názvem „Vývojová optická dílna AV ČR"a od 1. ledna 2006je detašovanou součástí Ústavu fyziky plazmatu AV ČR, v.v.i., v Praze. Optické prvky obecně Turnovské pracoviště je vybaveno technicky i personálně na přípravu všech optických dílů v rozměrech od mikročoček až do 500 mm a také příslušnou měřicí technikou. Pracoviště zvládlo nejen klasickou optiku, ale i velmi náročné přesné elementy laserové optiky či přípravu polotovarů k realizaci rentgenové optiky používané v kosmu nebo přípravu polotovarů speciálních mikroobjektivů pro rentgenové ozařování. Z krystalů se zde zhotovuje optika především z krystalického křemene a vápence, ale také např. z germania, křemíku či flu- oritu. Na pracovišti tenkých vrstev se pracuje především s tvrdými dielektriky na bázi Si02, Ti02, Hf02, Zr02, Al203 a též s kovy AI, Ag, Cu, Ni, Cr,Au atd. Za éru své existence se může pracoviště pochlubit celou řadou unikátních výsledků práce. V oblasti výzkumu a vývoje na pracovišti dlouhodobě působil a dosud působí dr. Ivan Sole, známý svými pracemi v oboru krystalové a rentgenové optiky. V sedmdesátých letech zde byla vyvinuta optika pro experimenty umožňující zobrazení v RTG oblasti spektra. Pracovalo se na úzkopásmových dvojlomně polarizačních interferenčních filtrech Šolcova i Lyotova typu, především pro pozorování chromosféry Slunce a pro diagnostiku a hrazení laserů [1], [2], [3]. V této oblasti byly též metodami na párování zhotoveny úzkopásmo-vé dielektrické filtry Fabry-Perotova typu s pevným dielektrikem. Zajímavým úkolem byl vývoj a výroba několika typů mikroakcelerometrů. Tyto unikátní optické díly byly v provozu nejen v pozemských laboratořích, ale též na několika družicích. Byla též zhotovena řada atypických optických prvků a zařízení pro optické měřicí přístroje v ústavech ČSAV a AV ČR, především optické díly používané ke stavbě laserů. Pracovníci oddělení optické diagnostiky Ústavu fyziky plazmatu řešili několik projektů cíleného výzkumu - v této oblasti se podařilo realizovat nové unikátní přístroje či ultrapřes-né optické díly. V současné době je zde řešen i mezinárodní grantový projekt týkající se návrhu velkého evropského slunečního dalekohledu ESTa také mezinárodní projekt Infrasens v rámci programu Eureka, zaměřený na využití nových optických materiálů pro použití v IR oblasti. Laserová optika V Československu byly první lasery realizovány počátkem šedesátých let. V dubnu 1963 byly v Praze spuštěny neodymový (FZÚ ČSAV) a poté i rubínový (ÚRE ČSAV) laser [4]. Jeden z prvních plynových laserů byl postaven v Ústavu přístrojové techniky ČSAV v Brně ve skupině vedené Františkem Petrů již v roce 1964. Některé optické díly pro tyto tehdy nové přístroje zhotovilo pracoviště v Turnově. Vývoji laserových optických dílů zde byla následně věnována mimořádná pozornost. Optika laserů se liší od klasické především tím, že vyžaduje použití dokonale homogenních optických materiálů a zároveň je nutno zvládnout závěrečné opracování optických ploch do požadovaného tvaru na zlomky vlnové délky, přičemž plochy nemají do optické soustavy vnášet rozptyl. K tomu je proto nutné uzpůsobit výrobní proces tak, aby se dosáhlo požadovaného tva- ru plochy a mikrodrsnosti přibližně o řád lepší než při výrobě fotografické optiky. Zároveň je nutné úspěšně provést následné nanášeníop-tických vrstev, a by takové tenké vrstvy vydržely vysoké hustoty energie v optickém svazku, které musejí přenášet. Zajištění dokonalé čistoty laserových optických ploch je zcela zásadní. Na turnovském pracovišti byla za dobu jeho činnosti realizována velká řada všech typů dílů pro stavbu laserů. Slo především o podložky pro zrcadla rezonátorů, průhledy, speciální hranoly, Brewsterova okénka, trubice rezonátorů, ale také o různé typy přesných fázových destiček, polarizační elementy pro kontinuální úpravu svazku, úzkopásmové hradicí filtry [5], rozšiřovače svazku a pod. Ke stavbě přístrojů využívajících lasery byly na pracovišti zhotoveny stovky optických dílů, hlavně pro ústavy Akademie a vysoké školy. S výhodou se vždy využívalo úzkých kontaktů s optiky na ostatních pracovištích. Následně tak byly do sériové výroby optických podniků vřazeny výrobky, které vznikly jako prototypy v optické dílně Akademie. Po spuštění provozu laseru na pracovišti PALS turnovské optické pracoviště dodalo některé náročné optické díly i pro tento výkonový laser. Slo nejen o některé justážní optické díly, ale i o výrobu rozměrných prvků, jakým byl například přesný optický klín na zdvojení laserového svazku. Centrum speciální optiky a optoelektronických systémů TOPTEC Obtížnost řešení současných úkoluje stále vyšší, a to jak z hlediska komplexnosti, tak např. s ohledem na dosažení požadované přesnosti. Existující technologické a přístrojové vybavení již nepostačuje k zajištění těchto nově kladených požadavků. Z uvedených důvodů Ústav fyziky plazmatu připravil v roce 2009 projekt na vybudování „Centra speciální optiky a optoelektronických systémů (TOPTEC)". Žádost byla podána do druhé prioritní osy operačního programu Výzkum a vývoj pro inovace. Cílem projektu je zásadní modernizace a roz- č. 4-5 < Čs. čas. fyz. 60 (2010) > 205 šíření současného technologického a prístrojového vybavení i posílení kolektivu výzkumných pracovníků tak, aby bylo možné dosahovat výsledků srovnatelných se špičkovými světovými pracovišti. Projekt obdržel kladné hodnocení a byl vybrán v tvrdé konkurenci ostatních projektů, v současné době je v negociační fázi a je vysoce pravděpodobné, že jeho realizace bude započata na podzim roku 2010. Ústav fyziky plazmatu očekává, že bude možné v nově vznikajícím Centru TOPTEC realizovat první úkoly smluvního výzkumu již v průběhu roku 2011 - viz inzerát v tomto čísle. Z hlediska laserové fyziky a techniky bude obzvláště zajímavá asférická či adaptivní optika s rozměry až do 500 mm vyvíjená v Centru TOPTEC, stejně tak jako nové způsoby nanášení tenkovrstvých systémů. Dále se uvažuje o možnosti vytváření rozměrných holografic-kých optických elementů ultrapřesným iontovým obráběním. Literatura [1] I. Šolc:„Novýtypdvojlomného filtru",Čs. čas. fyz. 3, 266(1953). [2] R. Melich.Z. Melich, I. Šolc: „Šolc birefringent filter for several interesting spectral lines", in: Proceedings of the Physics of Chromospheric Plasma, 2007 (Eds. P. Heinzel, I. Dorotovič, R. Rutten), Astronomical Society of the Pacific - Conference Series, Vol. 368, s. 621. [3] P. Koubský, P. Mayer, J. Čáp, F. Žďárský, J. Zeman, L. Pína, Z. Melich: „Ondřejov echelle spectrograph - OES", in: Stellar Spectroscopy at Ondřejov Observatory (Publications of the Astronomica Institute No. 92), Astronomical Institute AS CR, Ondřejov, 2004, s. 37. [4] red.: „Také Československo má své lasery", Jemná mechanika a optika 8,142 (1963). [5] Z. Melich: „Prvky krystalové optiky", Jemná mechanika a optika 28, 286 (1993). TQP centrum speciální optiky _ _ _ a optoelektronických fcL systémů Zbyněk Melich, Vít Lédl Oddělení Optická diagnostika, Ústav fyziky plazmatu AV ČR, v. v. i., Skálová 89,511 01 Turnov e-mail: vod@ipp.cas.cz; tel.: 481 549 441; fax.: 481 322 913 Vývoj monokrystalů pro pevnolátkové lasery vCRYTURspol.sr.o. Firma CRYTUR,spol.s r.o., byla založena v roce 1998. Svou činností navazuje na tradici vývoje a výroby syntetických monokrystalů trvající v Turnově již od roku 1943. V rámci společnosti CRYTURjsou integrovány technologie pěstování monokrystalů,jejich opracování i naparování a naprašování dielektrických a kovových vrstev. V současné době vyrábí firma CRYTUR zejména scintilační detektory a detekční jednotky, safírová pouzdra a kapiláry pro termočlánky a zabývá se rovněž opracováním tvrdých materiálů, například korundové keramiky. Významnou součástí výrobního programu jsou rovněž laserové tyče, zrcadla, čočky a další ~... i a 1« ■ i ■ i i t 1 r Obr. 1 Laserové tyče z produkce CRYTUR. Obr. 2 Pec pro pěstování monokrystalů Czochralského metodou. optické elementy převážně pro pevnolátkové lasery generující ve vlnové oblasti 1-3 um. Na vývoji laserových krystalů a optiky CRYTUR úzce spolupracuje zejména s Fyzikálním ústavem AV ČR (FZÚ) a Fakultou jadernou a fyzikálně inženýrskou ČVUT v Praze (FJFI). Monokrystaly určené pro výrobu laserových tyčí se pěstují Czochralského metodou tažením krystalu z taveniny na orientovaném zárodku. Automatická regulace pěstovacích pecí je založena na sledování přírůstku hmotnosti krystalu a následné regulaci příkonu odporového nebo indukčního topení. Pro laserové aplikace se připravují zejména monokrystaly yttrito-hlinitého granátu, Y3AI5012 (YAG), respektive yttrito-hlinitého perovskitu, YAI03 (YAP), dotované zpravidla třímocnými ionty lanthanoidů (Nd3+, Tm3+, Er+, Yb3+ atd.). Moderní lasery axiálně čerpané polovodičovými diodami kladou zvýšené nároky na odvod tepla z aktivního prostředí. Pro diodově čerpané lasery byly vyvinuty složené laserové tyče sestávající z jednotlivých segmentů s různou koncentrací dopantu. Nedotované koncovky difusně spojené s dotovanými částmi krystalu zlepšují odvod tepla z aktivního prostředí, snižují termickou čočku a tak umožňují Obr. 3 Složená tyč YAG-Nd:YAG. 206 { komerční prezentace ) rovinne HR @ 2010 nm HT @ 785 nm r = 0,15/0,3m R = 92/97,5% @ 2010 nm LD vlákno D = 400jum NA = 0,22 výstup 785 nm 2010 nm fokusace 1:1 2 x 75 mm Obr. 4 Schéma Tm:YAG rezonátoru FJFI. stabilní laserovou generaci i při vyšších čerpacích výkonech. Oproti klasickému uspořádání jsou navíc dielektrické vrstvy napařené na nedotované koncovce méně tepelně namáhány a prodlužuje se tak jejich životnost. Technologie difusního spojování dotovaných a nedotovaných segmentů byla nejvíce využita pro zlepšení odvodu tepla z Yb:YAG a Tm:YAG krystalů. Hlavní nevýhodou Yb3+ a Tm3+ dotovaných materiálů je tříhladinová (respektive kvazi-tříhladinová) povaha energetického schématu laserových přechodů. [1] Dolní laserová hladina je součástí starkovsky rozšířené základní hladiny. Tepelnou populací z nejnižší hladiny dochází ke snižovánízisku laseru a k celkovému zhoršování podmínek generace, která je způsobena reabsorpcí lasero- Obr. 6 Kompaktní 1,3um Q-spínaný laser. vého záření tou částí aktivního prostředí, která není dostatečně čerpaná. Tm:YAG a Tm:YAP lasery generující ve vlnové oblasti 2 um se používají v radarové technice, kurčovánísloženíatmosféryazejména pro lékařské účely. Záření v oblasti 2 um se dobře absorbuje ve vodě a lzeje použít pro řezání nebo koagulaci měkké tkáně. Na rozdíl od Er:YAG laseru lze pro přenos 2um laserového záření použít standardní optická vlákna. Díky iont-iontové interakci dochází v thuli-em dotovaných materiálech při absorpci budicího záření ve vlnové oblasti 0,8 um ke vzniku páru excitovaných iontů Tm3+. Vzhledem k tomuto efektu má Tm:YAP a Tm:YAG laser podstatně větší účinnost, než by odpovídalo přenosu energie čerpacího záření na fotony s více než dvojnásobnou vlnovou délkou [2]. Další výhodou Tm:YAG a Tm:YAP laserů je Tm:YAG 5x3 mm AR@785a2010nm dlouhá doba života excitovaného stavu, což umožňuje kumulaci energie a generaci Q-spí-naných pulsů. LD vlákno D = 400 um NA = 0.22 K diskriminaci módů, tzn. k upřednostnění oscilace základního módu oproti módům vyšších řádů, byla vyvinuta výstupní zrcadla s proměnnou hodnotou reflektivity. Tato takzvaná gaussovská zrcadla slouží rovněž ke zvýšení homogenity výstupního laserového svazku zejména při nízkém zesílení a vyhlazení profilu svazku, což snižuje riziko poškození optických prvků laserového rezonátoru. Reflektivita zrcadla je nevyšší uprostřed a klesá směrem k okraji zrcadla dle R{r) = R0exp {-2{r/w0)n), kde R0je centrální reflektivita, rje vzdálenost od středu zrcadla, w0je velikost odrazné plochy a Rje1 a n určují řád gaussovského profilu [3]. rovinné zrcadlo HR -0.8 um PM r= 150 mm R = 97,5% @~2 (jm OC vystup laseru ~0.79 um fokusační optika 1:1 2 X 75 mm Tm:YAP 3x3 mm, 4%Tm/Y AR @ -0.8 [jm & ~2 um Obr. 5 Schéma Tm:YAP rezonátoru FJFI. Technologie difusního spojování byla využita nejen ke zvýšení odvodu tepla z aktivního prostředí, ale i ke konstrukci kompaktních Q-spínaných laserů. V jednom elementu jsou bez použití pojiv a jiných světlo rozptylujících částic spojeny segmenty nedotovaného krystalu YAG, aktivního prostředí Nd:YAG a pasivního saturovatelného absorbéru V3+:YAG. Dielek-trická zrcadla jsou napařena přímo na leštěná čela složeného krystalu. UnikátnítechnologieCRYTURpro pěstování YAG v redukčním prostředí byla úspěšně využita při vývoji pasivního saturovatelného absorbéru V3+:YAG. Vlastnosti V:YAG saturovatelného absorbéru závisejí na koncentraci a oxidačním stavu vanadových iontů, které nahrazují Al3+ v tetraedrické podmřížce YAG. Krystaly VYAG jsou používány jako pasivní závěrky pro Q-spí-nání Nd:YAG, Nd:YAP a Nd:YV04 laserů ve vlnové oblasti 1,2-1,4 um. Laserové krystaly vyráběné v CRYTURu se často používají v nestabilních rezonátorech. Krystaly a optické komponenty firmy CRY-TUR nalézají uplatnění zejména v lékařských laserech a speciálních aplikacích. CRYTUR představuje své nové výrobky pravidelně na mezinárodních veletrzích (např. LASER v Mnichově) a odborných konferencích. [mm] Obr. 8 Příklad profilu gaussovského zrcadla CRYTUR. Literatura [1] W. Koechner: Solid State Laser Engineering, 5th ed., Springer-Verlag, Berlin 1999. [2] R. C. Powell: Physics ofSolid-State Laser Materials, Springer-Verlag, New York 1998. [3] Prospekt CRYTUR, Graded reflectivity mirrors, 2008. www.crytur.cz ^^^^^^ Obr. 7 Pasivní saturovatelný absorber V:YAG. Karel Nejezchleb CRYTUR, s. r. o., Palackého 175, 511 01 Turnov