Lasery instrumentace méně obvyklé předpony 2 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 2 Pevnolátkový laser Rezonátor Buzení Aktivní materiál Zrcadlo 100 % Chlazení Řídící jednotka Zdroj buzení Výstupní záření Zrcadlo 8 - 90 % 3 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 4 Energetický diagram chromu v rubínovém laseru 5 Rubínový laser • Konstrukční uspořádání rubínového laseru 6 6 Rezonátory • Fabry-Perot etalon ❖ rovinný ❖ konfokální ❖ kruhový ❖ střechový 7 Pasivní Q-modulace • Příklad použití saturačního absorbéru pro generaci krátkých (nanosekundových) výkonových impulsů (GW) u rubínového laseru 8 8 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. 9 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. 10 Neodymový laser 11 11 Pasivní Q-modulace V3+:YAG 12 Zelené laserové ukazovátko 13 13 Zelené laserové ukazovátko 14 Aktivní Q-modulace • V tomto případě je Q rezonátoru modulováno optickými závěrkami, např. elektrooptickým modulátorem na principu Kerrova jevu nebo akustooptickým modulem. 15 15 Časový průběh aktivní Q-modulace • Typické časy u Nd:YAG laseru: • Nárůst inverzní populace (T0) 150µs • Klíčovací impuls (TD) 1 ns • Generace záření 5 - 10ns 16 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) 17 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. Fourier decomposing functions ' 0 0 1 1 ( ) cos( ) sin( )m m m m f t F mt F mt     = = = +  ANHARMONIC WAVES ARE SUMS OF SINUSOIDS. 19 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) 20 Ti-safír krystal Al2O3:Ti3+ Nd-doped yttrium orthovanadate (Nd:YVO4) crystal 21 Safír dopovaný titanem Al2O3:Ti3+ • Ti2O3 koncentrace 0.06-0.5 wt% Tvrdost 9 Mohs Tepelná vodivost 0.11 cal/(°C x sec x cm) • Optické vlastnosti Laserový přechod - Vibrační Hladiny Fluorescence lifetime 3.2 µsec (T = 300 K) Laditelný rozsah 660-1050 nm Absorpce rozsah 400-600 nm Emisní maximum 795 nm Absorpční maximum 488 nm Index lomu 1.76 @ 800 nm 22 Ti:safír laser 23 Vláknové lasery • Uspořádání s lineárním Fabry Perotovým rezonátorem • Vlnový multiplex WDM (Wavelength Division Multiplex) 24 • FBG – Fiber Bragg Grating - Braggovské vláknové mřížky Vláknové lasery 25 Yterbiem dopovaný vláknový laser 26 26 Optické systémy buzení 27 Vláknové laserové zesilovače 28 Plynový laser He-Ne • Objeven v 1960 jako IR laser; emise čáry červené oblasti poprvé použita v 1962 • Elektrický výboj v plynu excituje He na 2S hladinu • Existuje blízká paralelní energetická hladina Ne • Atomic collisions transfer excitation 29 Plynový laser He-Ne • Levný a snadno vyrobitelný - první lasery pod 100 $ • Výbojová trubice s 85% He, 15% Ne 30 He-Ne laser Sada HeNe Laser Project Kit stavebnice obsahuje vše, co je potřeba k sestavení vlastního helium-neonového laseru, včetně laserové trubice, napájecí jednotky, hliníkové desky, držáků a také sadu vysoce kvalitních zrcadel HeNe Laser Cavity. Tato stavebnice je určena pro výuku nebo pro laboratorní práce. 31 Dusíkový laser Schéma energetických hladin molekuly dusíku 32 Energetické schéma CO2 laseru 33 CO2 laser Průběh intenzity emisních čar CO2 laseru Selekce vlnových délek a vyvazování svazku 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 35 KrF exciplexový laser HeKrFHeKrF FFeF eKreKr +→++ +→+ +→+ +− − + * 2 2 Exciplex - excitovaný komplex Excimer – excitovaný dimer Realizace: 1970 Basov, Xe2 * buzené elektrony 36 Excimerový laser 37 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 37 Argonový iontový laser Schéma argonového 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 38 39 Argonový iontový laser 39 Barvivové lasery Barvivové lasery (dye lasers) - ideální čtyřhladinový systém, barvivo bude vyzařuje v rozsahu ~ 100 nm. 40 Energetické hladiny barviva • Dolní laserová hladina může být téměř libovolná úroveň S0 S0: základní energetické hladiny S1: 1st excitované energetické hladiny Laser Transitions Barviva - ideální aktivní prostředí, často obtížné zastavit vyzařování ve všech směrech! Pump Transition 41 41 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 42 Generalizovaný Jablonského diagram energetických hladin a přechodů v barvivu 43 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 44 Barvivový laser - schema 45 Dvojlomné filtry (Wood birefringent filters) • Dvojlomný filtr se skládá ze dvou polarizátorů a krystalické křemenné desky řezané rovnoběžně s krystalovou osou. • Tloušťka desky závisí na vlnových délkách, které chceme oddělit. • Na příklad u dubletu sodíku je tloušťka asi 31,8 mm (záleží také na provozní teplotě). • Tyto typy filtrů jsou velmi přesná optická zařízení a je nutné dodržovat velmi přesné tolerance tloušťky při výrobě. 46 Dvojlomný filtr Lyotova typu (Lyot birefringent filters) • Tento filtr je ve skutečnosti sestaven z několika dvojlomných filtrů sériově seřazených za sebou. Tloušťka „d“ první desky je taková, že propouští požadovanou vlnovou délku a zaručuje požadované vlastnosti filtru. Každá další dvojlomná deska má dvojnásobnou šířku než předchozí. Výsledkem toho je že požadovaná vlnová délka je dále propouštěna zatímco se nežádoucí vlnové délky propuštěné předchozí dvojlomnou deskou odfiltrují. • Taková kaskáda dvojlomných desek vložených mezi polarizátory poskytuje vysoce účinný filtr s pološířkou řádově 1/100 nanometrů 47 Barvivový laser 1. Zrcadlo (ladění) 2. Mřížka 3. Expandér paprsku 4. Kyveta s barvivem 5. Zrcadlo rezonátoru 6. Čerpání (laserem) 48 Pikosekundový laser Δλ= 570 – 1000 nm Τip ≈ 200 ps τid ≈ 0,8 - 50 ps f = 50 – 150 MHz 49 Barvivový laser se synchronizací módů 50 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 51 Experimentální laserové pracoviště 52 52 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. 53 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. 54 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. 55 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. 56 Centrum HiLASE Fyzikální ústav AV ČR, v. v. i. Za Radnicí 828 252 41 Dolní Břežany https://www.hilase.cz/ Vysokoenergetický nanosekundový laser BIVOJ (až 100 J) Pikosekundový laser s vysokou opakovací frekvencí PERLA® B Pikosekundový laser s vysokou opakovací frekvencí PERLA® C Nanosekundový DG laser s vysokou opakovací frekvencí (1 kHz) ... 57 CENTRUM ELI BEAMLINES The Extreme Light Infrastructure ERIC ELI Beamlines Facility Za Radnicí 835 Dolní Břežany https://www.eli-beams.eu/cs/ LASER L4 ATON - extrémně vysoký špičkový výkon 10 PW (petawattů) při délce trvání pulzu asi 150 fs. LASER L3 HAPLS LASER L2 DUHA LASER L1 ALLEGRA - generování sub 20fs pulzů s energií vyšší než 100 mJ při opakovací frekvenci (1 kHz). ... 58 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 59 Spektrum LED a laserových diod 60 (distributed feedback) 60 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. 61 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 62 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 63 Spektrum laserových diod 64 Hranově vyzařující lasery • Tento typ (Edge Emiting Lasers EEL) vysílá záření z hrany přechodu. • Ve výrobě i aplikacích laserových diod zatím převládá 65 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 66 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. 67 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 68 69 Frekvenční konverze Modrá šipka odpovídá běžné (lineární) susceptibilitě, zelená šipka odpovídá druhému harmonickému generování a červená šipka odpovídá optické rektifikaci. Optický parametrický oscilátor (OPO) Optical Parametric Oscillator • 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) 70 OPO Spectra Physics 71 71 Homogenizace paprsku 72 Secondary mirror Raw laser beam Condensor lensPrisms - array Homogenizer array Primary mirror Schwarzschild- objectiv Image Cell window Aperture Field lens 193 nm mirror 72 Laser s volnými elektrony (FEL, free electron laser) 73 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 − ==      −=     73 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. 74 74 Synchrotronové záření 75 Zdroje magnetického pole •bending magnety •undulatory •wigglery •free electron lasers 75 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. 76 76 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 77 Femtosekundy 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 78 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 79 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. 80 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 81 Stretcher and compressor design Mřížkový compressor Mřížkový stretcher 82 Stretcher and compressor design 83 Zesílení femtosekundových pulsů s výkony do PW 84