LASERY INSTRUMENTACE Vítězslav Otruba1 2010prof.Otruba MÉNĚ OBVYKLÉ PŘEDPONY 2010 2 prof.Otruba název značka poměr k výchozí jednotce atto a 10-18 femto f 10-15 piko p 10-12 nano n 10-9 giga G 109 tera T 1012 peta P 1015 exa E 1018 PEVNOLÁTKOVÝ LASER 2010 3 prof.Otruba Rezonátor Buzení Aktivní materiál Zrcadlo 100 % Chlazení Řídící jednotka Zdroj buzení Výstupní záření Zrcadlo 8 - 90 % RUBÍNOVÝ LASER (CR3+:AL2O3) 2010prof.Otruba 4  První laser zkonstruovaný T. Maimanem v r. 1960.  Používá se v impulsním režimu, výkon ve volně běžícím režimu do 10J (1ms), Qspínaném režimu pak do 5J (1 – 10 ns)  Pracuje jako tříhladinový systém 2010 prof. Otruba 5 ENERGETICKÝ DIAGRAM CHROMU V RUBÍNOVÉM LASERU RUBÍNOVÝ LASER  Konstrukční uspořádání rubínového laseru 2010 6 prof.Otruba REZONÁTORY  Fabry-Perot etalon  rovinný  konfokální  Kruhový  střechový 2010 prof. Otruba 7 PASIVNÍ Q-MODULACE  Příklad použití saturačního absorbéru pro generaci krátkých (nanosekundových) výkonových impulsů (GW) u rubínového laseru 2010 8 prof.Otruba NEODYMOVÝ LASER 2010prof.Otruba 9  Je nerozšířenější pevnolátkový laser (cca 1% Nd v Y3Al5O12) . Pracuje na 1,064 nm, v kontinuálním režimu výkony do 1 kW, pulzní do 10 J a opakovací frekvence až několik kHz. V Q-spínaném módu pulzy 1 – 10 ns, při synchronizaci módů až 10 ps. ENERGETICKÝ DIAGRAM NEODYMU V ND:YAG LASERU 2010prof.Otruba 10  Nd3+ v ytrito-hlinitém granátu (Y3Al5O12) zastupuje ionty Y3+. Monokrystaly jsou mechanicky pevné, tepelně stálé s minimem optických vad na rozdíl od neodymových skel. Pro čerpání se používají xenonové výbojky nebo laserové či LED diody. NEODYMOVÝ LASER 2010 11 prof.Otruba PASIVNÍ Q-MODULACE V3+:YAG 2010 12 prof.Otruba ZELENÉ LASEROVÉ UKAZOVÁTKO 2010 13 prof.Otruba ZELENÉ LASEROVÉ UKAZOVÁTKO 2010prof.Otruba 14 AKTIVNÍ Q-MODULACE  V tomto případě je Q rezonátoru modulováno optickými závěrkami, např. elektrooptickým modulátorem na principu Kerrova jevu nebo akustooptickým modulem. 2010 15 prof.Otruba 2010prof.Otruba 16 ČASOVÝ PRŮBĚH AKTIVNÍ Q-MODULACE  Typické časy u Nd:YAG laseru:  Nárůst inverzní populace (T0) 150µs  Klíčovací impuls (TD) 1 ns  Generace záření 10ns OPTOAKUSTICKÝ MODULÁTOR 2010prof.Otruba 17  Šíří-li se zvuk optickým prostředím, dochází ke změně hustoty a tím indexu lomu.  Nejjednodušší je Braggova difrakce: akustická rovinná vlna působí částečný odraz záření, vyhovuje-li úhel Θ Braggově podmínce (Braggova cela) 2010prof.Otruba 18 SYNCHRONIZACE MÓDŮ  Při pasivní nebo aktivní modulaci rezonátoru frekvencí f = c/2L získáme sled velmi krátkých impulzů, jejichž délka je určena Fourierovým obrazem spektrální čáry a opakovací frekvence dobou průletu oblaku fotonů rezonátorem tam i zpět. ND:YAG LASER  Laser s Q-modulací (1-6), dvoustupňovým zesilovačem (8), kompenzátorem dvojlomu (9) a násobiči frekvence (10), výstup 1064 nm (13), 532/355 nm (14), 266/1064 nm zbytkový (15) 2010prof.Otruba 19 TI-SAFÍR KRYSTAL AL2O3:TI3+ 2010prof.Otruba 20 TITANIUM DOPED SAPPHIRE AL2O3:TI3+ 2010prof.Otruba 21  Ti2O3 concentration 0.06-0.5 wt% Hardness 9 Mohs Thermal conductivity 0.11 cal/(°C x sec x cm)  Optical Properties Laser action 4-Level Vibronic Fluorescence lifetime 3.2 µsec (T = 300 K) Tuning range 660-1050 nm Absorption range 400-600 nm Emission peak 795 nm Absorption peak 488 nm Refractive index 1.76 @ 800 nm TI:SAFÍR LASER 2010 22 prof.Otruba VLÁKNOVÉ LASERY  Uspořádání s lineárním Fabry Perotovým rezonátorem  Vlnový multiplex WDM (Wavelength Division Multiplex) 2010prof.Otruba 23 VLÁKNOVÉ LASERY  FBG – Fiber Bragg Grating - Braggovské vláknové mřížky 2010prof.Otruba 24 YTERBIEM DOPOVANÝ VLÁKNOVÝ LASER 2010 25 prof.Otruba OPTICKÉ SYSTÉMY BUZENÍ 2010prof.Otruba 26 VLÁKNOVÉ LASEROVÉ ZESILOVAČE 2010prof.Otruba 27 PLYNOVÝ LASER HE-NE  Invented in 1960 as IR laser; red line used first in 1962  Electric discharge in gas excites He to 2S levels  Nearly parallel Ne levels exist  Atomic collisions transfer excitation 2010prof.Otruba 28 PLYNOVÝ LASER HE-NE  Cheap and easy to manufacture – first lasers under $100  Gas tube has 85% He, 15% Ne 2010prof.Otruba 29 HE-NE LASER 2010prof.Otruba 30 DUSÍKOVÝ LASER 2010prof.Otruba 31 Schéma energetických hladin molekuly dusíku CO2 LASER 2010prof.Otruba 32 Průběh intenzity emisních čar CO2 laseru Selekce vlnových délek a vyvazování svazku ENERGETICKÉ SCHÉMA CO2 LASERU 2010prof.Otruba 33 2010prof.Otruba 34 EXCIMER  Excimer –nestabilní molekula vznikající na přechodnou dobu v důsledku působení excitovaného atomu (molekuly) s atomem (molekulou) v základním stavu. Po přechodu excimeru do základního stavu (vyzáření fotonu) dojde během 10-14s k disociaci Závislost potenciální energie E soustavy atomů (molekul) A, B, vytvářejících excimer, na jejich vzdálenosti RAB KRF EXCIPLEXOVÝ LASER 2010prof.Otruba 35 HeKrFHeKrF FFeF eKreKr       * 2 2 Exciplex - excitovaný komplex Excimer – excitovaný dimer Realizace: 1970 Basov, Xe2 * buzené elektrony EXCIMEROVÝ LASER 2010 36 prof.Otruba odvod plynů do vakuové pumpy napájecí zdroj a spínání elektronika (stíněný) výstupní optika laserový svazek Modul řízení plynů vstupy plynů (Kr,F,Ne) vstup plynu tepelný výměník zásobník plynu chladící voda válcový ventilátor Halogenový filtr zadní zrcadlo a měřič energie 2010prof.Otruba 37 ARGONOVÝ IONTOVÝ LASER Schéma argonovéha laseru: 1-vysokoproudová kapilára 2-vodní chlazení 3-solenoid 4-vyrovnávací kapilára 5-zrcadla A-anoda, K-žhavená katoda, VN- vysoké napětí Schéma přechodů ArII a ArIII iontů ARGONOVÝ IONTOVÝ LASER 2010 38 prof.Otruba DYE LASERS Dye lasers are an ideal four-level system, and a given dye will laser over a range of ~100 nm. 2010 39 prof.Otruba A DYE’S ENERGY LEVELS The lower laser level can be almost any level in the S0 manifold. S0: Ground electronic state manifold S1: 1st excited electronic state manifold Laser Transitions Dyes are so ideal that it’s often difficult to stop them from lasing in all directions! Pump Transition 2010 40 prof.Otruba BARVIVOVÉ LASERY  Vyznačují se velkou spektrální šířkou pásma zesílení (10 - 100 nm) a z toho plyne 1. Možnost kontinuální změny vlnové délky laserového záření v rozsah dostatečného pásma zesílení 2. Možnost generace krátkých impulzů, až do 1 ps 2010prof.Otruba 41 GENERALIZOVANÝ JABLONSKÉHO DIAGRAM ENERGETICKÝCH HLADIN A PŘECHODŮ V BARVIVU 2010 42 prof.Otruba ENERGETICKÝ SYSTÉM BARVIVA Excitace absorpcí záření přechodem ze základního do prvního singletového stavu Fluorescenční přechod do základního stavu (možnost inverzní populace) Nezářivý přechod z S1 do metastabilního tripletového T1 stavu (parazitní proces) Absorpce fluorescenčního záření přechodem T1T2(T3) – zháší fluorescenci, snižuje zesílení aktivního prostředí 2010prof.Otruba 43 BARVIVOVÝ LASER - PRINCIP 2010 44 prof.Otruba WOOD BIREFRINGENT FILTERS 2010prof.Otruba 45  Wood birefringent filter consists of two polarizers and a crystalline quartz plate cutted parallel with crystal axis. The thickness of the plate depends on wavelengths we want to separate. For already given example of Sodium doublet it gives the thickness of approximatelly 31.8 mm (depends also on operated temperature). These types of filters are very exact optical devices and it is necessary to hold very exact manufacture thickness tolerances. LYOT BIREFRINGENT FILTERS 2010prof.Otruba 46  This filter is in fact constructed from several Wood filters serially lined up. The thickness 'd' of the first plate is such that transmits requested wavelength and provides requested performance of the filter. Each next birefringent plate has a double width of the previous one. That provides two facts; firstly, the requested wavelength is transmitted and secondly, the unwanted transmitted wavelengths of a previous birefringent plate are filtered out. Such a cascade of birefringent plates sandwiched between polarizers provides high performance filter with a half-width in order of 1/100 nanometers BARVIVOVÝ LASER 1. Zrcadlo (ladění) 2. Mřížka 3. Expandér paprsku 4. Kyveta s barvivem 5. Zrcadlo rezonátoru 6. Čerpání (laserem) 2010prof.Otruba 47 PIKOSEKUNDOVÝ LASER 2010prof.Otruba 48 Δλ= 570 – 1000 nm Τip ≈ 200 ps τid ≈ 0,8 - 50 ps f = 50 – 150 MHz BARVIVOVÝ LASER SE SYNCHRONIZACÍ MÓDŮ 2010prof.Otruba 49 TYPY BARVIV PRO LASERY Rozsah emise(nm) Strukturní typ 340 - 430 stilbeny 360 - 480 oxazoly 410 - 440 antraceny 440 - 520 akridiny 460 - 540 kumariny 510 - 700 xanteny 540 - 1200 cyaniny 630 – 720 oxaziny 2010 50 prof.Otruba EXPERIMENTÁLNÍ LASEROVÉ PRACOVIŠTĚ 2010 51 prof.Otruba PRAGUE ASTERIX LASER SYSTEM 2010prof.Otruba 52  Páteří Badatelského centra PALS je obří jódový laserový systém. Ve stávající konfiguraci a na základní vlnové délce 1315 nm je schopen poskytovat v hlavním laserovém svazku pulzy o energii až 1 kJ, a k tomu až 100 J ve dvou menších přídavných svazcích. Vlnová délka laserových svazků může být konvertována na vlnovou délku odpovídající druhé (658 nm, červená) nebo třetí (438 nm, modrá) harmonické základní frekvence. Vzhledem k velmi krátké délce laserového pulzu (cca 350 ps) je špičkový pulzní výkon laseru obrovský - až 3 TW, tj. 3 milióny megawattů. Laser je schopen dodat takovýto obří puls zhruba jednou za půl hodiny. Výstupní svazek laseru PALS je velmi kvalitní, tj. prostorově homogenní, a stabilní, tj. jeho energie se výstřel od výstřelu prakticky nemění. JÓDOVÝ LASER ASTERIX 2010prof.Otruba 53 Asterix IV je plynový laser, v němž se využívá atomů jódu ke generaci záření v blízké infračervené oblasti, na vlnové délce 1,315 μm. Jódový atom je přitom získáván z mateřské molekuly alkyljodidu C3F7I fotodisociací. Atom se uvolňuje z chemické vazby prostřednictvím pulzního UV záření dodávaného výbojkami. Elektronový obal jódu vystupujícího z fotodisociační reakce je excitován, čímž je automaticky zformována inverze populace vzhledem k níže ležícímu základnímu stavu. Tím jsou vytvořeny podmínky pro laserovou akci. CELKOVÉ USPOŘÁDÁNÍ PALS PALS je jednosvazkový laserový systém, sestávající z oscilátorové sekce generující počáteční slabý světelný pulz a z řetězce pěti laserových zesilovačů, jež tento pulz postupně zesilují. Takové schéma uspořádání se anglicky nazývá "master oscillator - power amplifiers" (MOPA), neboli řídicí oscilátor - výkonové zesilovače. Rozměr zesilovačů se od jednoho zesilovacího stupně k druhému zvětšuje, takže průměr zesilovaného laserového svazku postupně roste, od počátečních 8 mm až na koncových 290 mm. Tím se udržuje plošná hustota výkonu laserového svazku na hodnotě, při které ještě nemůže dojít k poškození povrchu jednotlivých optických prvků vlivem přílišné světelné zátěže. 2010prof.Otruba 54 OPTICKÝ ZESILOVAČ Laserový řetězec Asterix IV/PALS zahrnuje celkem pět výkonových zesilovačů. Jejich úkolem je zesílit pulsy přicházející z oscilátorové části na energii až jeden kilojoule. Velikost jednotlivých zesilovačů postupně narůstá směrem ke konci řetězce finální pátý zesilovač je dlouhý přes 13 m (viz obrázek) a poskytuje laserový svazek o průměru 29 cm. Zlomek sekundy před vlastním laserovým výstřelem jsou zesilovače "aktivovány" vybitím velkých baterií kondenzátorů do výbojek, které obklopují kyvety zesilovačů obsahující plynné pracovní prostředí. Intenzivní záblesk nekoherentního ultrafialového záření produkovaného výbojkami dá v kyvetách vzniknout velkému množství excitovaných atomů jódu, které jsou "připraveny" odevzdat svoji přebytečnou energii laserovému pulsu přicházejícímu z oscilátorové části. 2010prof.Otruba 55 2010prof.Otruba 56 LASEROVÉ DIODY  Pro malé proudy má záření LED spontánní charakter a je lineární funkcí budícího proudu. Po dosažení prahového proudu, prudce narůstá výkon stimulovaného záření a ze zrcadel rezonátoru je emitováno koherentní záření opět lineárně závislé na velikosti budicího proudu. Zároveň také dochází ke kvalitativní změně tvaru vyzařovací charakteristiky laserové diody vyjádřené zmenšováním úhlu vyzařování v rovině kolmé a rovnoběžné s rovinou přechodu PN, rovněž ke zmenšení šířky pásma emitovaného záření SPEKTRUM LED A LASEROVÝCH DIOD 2010 57 prof.Otruba 2010prof.Otruba 58 HETEROSTRUKTURNÍ LASERY  V těchto typech laseru s heteropřechody je vymezení vlnovodu dáno skokovou změnou indexu lomu v oblasti heteropřechodu. Současně s účinným vedením světla zabezpečuje heterostruktura i podmínky k účinnému soustředění menšinových nosičů. Působením heteropřechodu se soustřeďuje záření a injektové nosiče do zvolených oblastí. 2010prof.Otruba 59 LASERY S ROZPROSTŘENOU ZPĚTNOU VAZBOU (DISTRIBUTED FEED BACK)  U tohoto typu laseru je rezonátor realizován bez zrcadel pomocí prostorových periodických struktur (difrakčních mřížek). Funkce je založena na periodické změně indexu lomu ve směru šíření. Zpětná vazba vzniká trvalým navázáním šířící se vlny do opačného směru Braggovským rozptylem. Mřížka se vytváří leptáním přímo na povrchu aktivní vrstvy. Tyto lasery jsou označovány jako DFB 2010prof.Otruba 60 LASERY S ROZLOŽENÝM BRAGGOVÝM ZRCADLEM (DISTRIBUTED BRAGG REFLECTOR).  Generace optického záření a zpětná vazba (opět pomocí optické mřížky) se uskutečňují v samostatných částech struktury. Užívají se dva typy konstrukce, s jedním nebo se dvěma Braggovými zrcadly. V běžné praxi se časteji užívá typ se dvěma Braggovými zrcadly na koncích vlnovodu 2010prof.Otruba 61 SPEKTRUM LASEROVÝCH DIOD 2010prof.Otruba 62 HRANOVĚ VYZAŘUJÍCÍ LASERY  Tento typ (Edge Emiting Lasers EEL) vysílá záření z hrany přechodu. Ve výrobě i aplikacích laserových diod zatím převládá 2010prof.Otruba 63 PLOŠNĚ VYZAŘUJÍCÍ LASERY  VCSEL (Vertical Cavity Surface Emiting Lasers) emitují záření z plochy součástky rovnoběžné s rovinou přechodu. Záření emitované z plochy je pohlceno substrátem a ztraceno nebo, což je výhodnější, se odráží od kovového kontaktu 2010prof.Otruba 64 FREKVENČNÍ KONVERZE  První možností je využít nelineárních jevů druhého (třetího) řádu. Intenzita záření druhé harmonické je úměrná druhé mocnině koeficientu optické nelinearity a intenzity záření dopadající vlny, nepřímo úměrná čtvrté mocnině vlnové délky. 2010prof.Otruba 65 NELINEÁRNÍ PROSTŘEDÍ - KRYSTALY krystal Δλ (μm) MW/cm2 KDP (dihydrogenfosfát draselný) 0,2-1,35 400 KDDP (deuterovaný KDP) 0,2-1,8 500 ADP (dihydrogenfosfát amonný) 0,2-1,2 500 RDP (dihydrogenfosfát rubidný) 0,2-1,5 300 CDA (dihydrogenrsenát cesný) 0,26-1,6 500 LiIO3 0,3-4,5 60 LiNbO3 0,4-4,5 120 Ba2NaNb5O15 0,38-5 100 HIO3 0,4-1,3 100 BBO (β-BaB2O4) 0,2-1,5 400 2010prof.Otruba 66 FREKVENČNÍ KONVERZE The blue arrow corresponds to ordinary (linear) susceptibility, the green arrow corresponds to second-harmonic generation, and the red arrow corresponds to optical rectification. 2010prof.Otruba 67 OPTICAL PARAMETRIC OSCILLATOR (OPO)  Založen na koherentním rozpadu fotonu o kruhové frekvenci ω3 na dva fotony, jejichž kruhové frekvence ω1 a ω2 (signálová a jalová vlna), při čemž platí: ω3 = ω1+ ω2 a poměr ω1/ ω2 =f(υ) OPO SPECTRA PHYSICS 2010 68 prof.Otruba HOMOGENIZACE PAPRSKU 2010 69 prof.Otruba Secondary mirror Raw laser beam Condensor lensPrisms - array Homogenizer array Primary mirror Schwarzschild- objectiv Image Cell window Aperture Field lens 193 nm mirror LASER S VOLNÝMI ELEKTRONY (FEL, FREE ELECTRON LASER) 2010 70 prof.Otruba Aktivním prostředím jsou relativistické elektrony procházející periodickým magnetickým polem. Elektrony při svém pohybu po zakřivených drahách vyzařují elektromag. záření o vlnové délce (γ<< λ0, γ je tzv. relativistický faktor): 2 22 0 0 1 1 2 1 c vv c             SPEKTRÁLNÍ BRILIANCE  Pro porovnání zdrojů vysoceintenzivního (především synchrotronového) záření se zavádí pojem spektrální briliance (spectral brilliance), udávající počet vyzařovaných fotonů za sekundu na 1 mm2 plochy zdroje záření, na divergenci 1 mrad2 a na 10% šířky (Δλ/λ=0,1) vlnového oboru. Čím užší a paralelnější je svazek záření a čím více jsou fotony koncentrovány do co nejužšího vlnového oboru, tím je vyšší spektrální briliance.  Ta je v nepřímém poměru k emitanci (emittance), což je v podstatě součin rozměru zdroje záření a divergence záření. 2010 71 prof.Otruba SYNCHROTRONOVÉ ZÁŘENÍ 2010 72 prof.Otruba Zdroje magnetického pole •bending magnety •undulatory •wigglery •free electron lasers LASER NA VOLNÝCH ELEKTRONECH  Čtvrtá generace zdrojů SZ je založena na využití lineárních urychlovačů, které umožňují snížit emitanci a zkrátit délku pulsů. Probíhá-li krátký elektronový shluk dostatečně dlouhým undulátorem, pak elektromagnetická vlna generovaná v každém místě undulátoru postupuje společně s elektronovým svazkem a interaguje s ním. Vzniká tak laser na volných elektronech, neboli free electron laser – FEL. Ten se vyznačuje vysokou briliancí, podstatně vyšší než u klasického undulátoru, koherencí a krátkostí pulsů, dosahujících desítek fs. K urychlení elektronů na hodnoty řádu GeV je zapotřebí velmi dlouhého lineárního urychlovače. 2010 73 prof.Otruba LASER NA VOLNÝCH ELEKTRONECH 2010prof.Otruba 74 Shluky elektronů se pohybují po vlnkovité dráze. Nabité částice, které mění svou rychlost (postačí směr), září. Pro pochopení si představme, že se elektrony v shluku pohybují po sinusoidě podél undulátoru. Pokud se na ně díváme z konce této osy, nevidíme, že se pohybují směrem k nám, ale vidíme kmitat shluk nabitých částic. Shluky tak generují koherentní rentgenový paprsek. Za undulátorem jsou silným magnetickým polem elektrony odkloněny a vzniklý rentgenový laserový paprsek pokračuje do haly s experimenty FEMTOSEKUNDY 2010prof.Otruba 75 Nadzvukový Concorde létá přibližně rychlostí 2 machů (dvojnásobek rychlosti zvuku ve vzduchu), neboli 600 m/s (2 160 km/h). Za dobu 10 fs uletí jen 6 pikometrů (6.1012 m), to je 10krát méně, než je průměr atomu uhlíku Průměrná vzdálenost Země a Měsíce je kolem 380 000 km. Světlo pohybující se rychlostí 300 000 km za sekundu urazí tuto vzdálenost za dobu o něco delší než 1 s. Během 100 fs však světlo uběhne pouze 30 µm, neboli méně, než je tloušťka vlasu ČERP (CHIRP) 2010prof.Otruba 76  U impulsů optického záření se čerpem rozumí postupná změna frekvence během impulsu (zvyšování nebo snižování). To znamená, že frekvence na náběžné hraně je jiná než v závěrné hraně. Šíří-li se takový impuls v disperzním prostředí, je rychlost šíření záření v náběžné hraně menší (nebo větší) než v závěrné části a tím se impuls zkracuje (nebo prodlužuje). Díky relacím neurčitosti není možné mít krátký (~fs) světelný puls ve viditelné oblasti spektra, který by byl monochromatický CHIRP FEMTOSEKUNDOVÉHO PULZU 2010prof.Otruba 77  V disperzním prostředí femtosekundový puls, který má velký frekvenční rozsah (velký rozsah vlnových délek), je rozšířen díky různé disperzi (indexu lomu, rychlosti světla) různých vlnových délek. Je proto nutné pro zachování časového profilu impulsu provést korekci kompenzátorem disperze. MODEL TISSA-20: < 20 FS  Stable Kerr-lens mode-locking operation5-mirror compact cavity design.  Model TISSA-20: Seeding source of broadband femtosecond pulses for Ti:sapphire amplifiers 2010prof.Otruba 78 STRETCHER AND COMPRESSOR DESIGN 2010prof.Otruba 79 With gratings compressor With gratings stretcher ZESÍLENÍ FEMTOSEKUNDOVÝCH PULSŮ S VÝKONY DO PW 2010 80 prof.Otruba