2010 prof. Otruba Lasery instrumentace 1 Vítězslav Otruba méně obvyklé předpony název značka poměr k výchozí jednotce 10-18 10-15 10-12 10-9 109 1012 1015 1018 atto femto piko nano giga tera peta exa a f p n G T P E Pevnolátkový laser Rezonátor Aktivní materiál Výstupní záření Zrcadlo 100 % Zrcadlo 8 - 90 % Buzení Chlazení Řídící jednotka Zdroj buzení Rubínový laser (Cr3+:Al2O3)  První laser zkonstruovaný T. Maimanem v r. 1960. Používá se v impulsním režimu, výkon ve volně běžícím režimu do 10J (1ms), Q-spínaném režimu pak do 5J (1 – 10 ns) Pracuje jako tříhladinový systém   Energetický diagram chromu v rubínovém laseru 2010 prof. Otruba 5 Rubínový laser  Konstrukční uspořádání rubínového laseru 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 Neodymový laser  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  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 Pasivní Q-modulace V3+:YAG Zelené laserové ukazovátko Zelené laserové ukazovátko Aktivní Q-modulace  V tomto případě je Q rezonátoru modulováno optickými závěrkami, např. elektrooptickým modulátorem na principu Kerrova jevu nebo akustooptickým modulem. Časový průběh aktivní Q-modulace  Typické časy u Nd:YAG laseru: inverzní populace (T0) 150µs impuls záření (TD) 1 ns  Nárůst  Klíčovací  Generace 10ns Optoakustický modulátor  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)  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) Ti-safír krystal Al2O3:Ti3+ Titanium Doped Sapphire Al2O3:Ti3+  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 Vláknové lasery   Uspořádání s lineárním Fabry Perotovým rezonátorem Vlnový multiplex WDM (Wavelength Division Multiplex) Vláknové lasery  FBG – Fiber Bragg Grating - Braggovské vláknové mřížky Yterbiem dopovaný vláknový laser Optické systémy buzení Vláknové laserové zesilovače 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    Plynový laser He-Ne   Cheap and easy to manufacture – first lasers under $100 Gas tube has 85% He, 15% Ne He-Ne laser Dusíkový laser Schéma energetických hladin molekuly dusíku CO2 laser Průběh intenzity emisních čar CO2 laseru Selekce vlnových délek a vyvazování svazku Energetické schéma CO2 laseru 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 Kr + e → Kr + + 2e F2 + e → F − + F F − + Kr + + He → KrF * + He Exciplex - excitovaný komplex Excimer – excitovaný dimer Realizace: 1970 Basov, Xe2* buzené elektrony Excimerový laser odvod plynů do vakuové pumpy napájecí zdroj a spínání elektronika (stíněný) zadní zrcadlo a měřič energie výstupní optika Halogenový filtr chladící voda zásobník plynu tepelný výměník válcový ventilátor vstup plynu vstupy plynů (Kr,F,Ne) laserový svazek Modul řízení plynů Argonový iontový laser Klepnutím lze upravit styly předlohy textu. Druhá úroveň Třetí úroveň Čtvrtá úroveň Pátá úroveň Schéma přechodů ArII a ArIII iontů Schéma argonovéha laseru: 1-vysokoproudová kapilára 2-vodní chlazení 3-solenoid 4-vyrovnávací kapilára 5-zrcadla A-anoda, K-žhavená katoda, VN- vysoké napětí Argonový iontový laser Dye lasers Dye lasers are an ideal four-level system, and a given dye will laser over a range of ~100 nm. A dye’s energy levels  The lower laser level can be almost any level in the S0 manifold. S1: 1st excited electronic state manifold Pump Transition S0: Ground electronic state manifold Laser Transitions Dyes are so ideal that it’s often difficult to stop them from lasing in all directions! 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 Generalizovaný Jablonského diagram energetických hladin a přechodů v barvivu Klepnutím lze upravit styly předlohy textu. Druhá úroveň Třetí úroveň Čtvrtá úroveň Pátá úroveň 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 T1-T2(T3) – zháší fluorescenci, snižuje zesílení aktivního prostředí Barvivový laser - princip Wood birefringent filters  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  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) Pikosekundový laser Δλ= 570 – 1000 nm Τip ≈ 200 ps τid ≈ 0,8 - 50 ps f = 50 – 150 MHz Barvivový laser se synchronizací módů Typy barviv pro lasery Rozsah emise(nm) 340 - 430 360 - 480 410 - 440 440 - 520 460 - 540 510 - 700 540 - 1200 630 – 720 Strukturní typ stilbeny oxazoly antraceny akridiny kumariny xanteny cyaniny oxaziny Experimentální laserové pracoviště Prague Asterix Laser System  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 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. 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. 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 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. 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 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 Spektrum laserových diod Hranově vyzařující lasery  Tento typ (Edge Emiting Lasers - EEL) vysílá záření z hrany přechodu. Ve výrobě i aplikacích laserových diod zatím převládá 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 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. Nelineární prostředí - krystaly krystal KDP (dihydrogenfosfát draselný) KDDP (deuterovaný KDP) ADP (dihydrogenfosfát amonný) RDP (dihydrogenfosfát rubidný) CDA (dihydrogenrsenát cesný) LiIO3 LiNbO3 Ba2NaNb5O15 HIO3 BBO (β-BaB2O4) Δλ (μm) 0,2-1,35 0,2-1,8 0,2-1,2 0,2-1,5 0,26-1,6 0,3-4,5 0,4-4,5 0,38-5 0,4-1,3 0,2-1,5 MW/cm2 400 500 500 300 500 60 120 100 100 400 Frekvenční konverze The blue arrow corresponds to ordinary (linear) susceptibility, the green arrow corresponds to secondharmonic generation, and the red arrow corresponds to optical rectification. 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 Homogenizace paprsku Homogenizer array Raw laser beam Prisms array Field lens Aperture 193 nm mirror Secondary mirror Condensor lens Schwarzschildobjectiv Primary mirror Image Cell window Laser s volnými elektrony (FEL, free electron laser) 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):  c  λ0 λ = λ0  − 1 = 2  v  2γ γ= 1 v2 1− 2 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.  Synchrotronové záření 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. Laser na volných elektronech 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 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 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 Čerp (chirp)  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  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  Stretcher and compressor design With gratings compressor With gratings stretcher Zesílení femtosekundových pulsů s výkony do PW