Fizyka laserów
LASER czyli Light Amplification by
Stimulation Emission of Radiation
Podstawowe zasady działania laserów zostały po raz pierwszy sformułowane przez
Charlesa Townesa i Arthura Schalowa z Bell Telephone Laboratories w 1958 r.,
a pierwszy laser na bazie kryształu rubinu zademonstrował w 1960 r. Theodor Maiman
z Hughes Research Laboratories.
Literatura:
1. A. Kujawski, P. Szczepański LASERY, podstawy fizyczne Oficyna Wyd. P.W. Warszawa 1999
2. B. Ziętek - Lasery wyd. UMK Toruń 2009
3. B. Ziętek Optoelektronika Wyd. UMK Toruń 2011
2012 Wykład 3 1
Rodzaje laserów
" Gazowe (np. HeNe, CO2), ciekłe (barwniki), stałe (np. Nd:YAG,
Yb:YAG, rubin, Ti:szafir), światłowodowe (specjalny rodzaj laserów z
c. stałego), półprzewodnikowe, chemiczne (HF), na wolnych
elektronach, rentgenowskie X-Ray
" X-Ray ( ~1 nm) do dalekiej podczerwieni ( ~1 mm)
" CW (mocy ciągłej) ~ 1-mW (telekomunikacja, zapis pamięci,
wskazniki laserowe)
do ~ 100 kW (obróbka laserowa)
do ~ 5 MW (wojskowe)
" Implusowe do ~ 1015 W
" Czas impulsu ~ 5 fs
" Długość rezonatora ~ 1m (VCSEL) zasięg do 6,5 km
Lasery 2
Ogólna zasada działania
- schemat dwupoziomowy
E
Górny laserowy poziom energii elektronów
E2
N1, N2- obsadzenie poziomów [cm-3]
N2
N1
E1
Dolny laserowy poziom energii elektronów
Zwierciadło
Ośrodek czynny,
półprzepuszczalne
wzmacniacz
Laser to oscylator
Rezonator
i wzmacniacz zarazem!
Lasery 3
Emisja
Emisja
wymuszona
Absorpcja
(stymulowana)
spontaniczna
Warunki akcji laserowej
1. Ośrodek wzmacniający
" Może być nim gaz (plazma), ciecz lub ciało stałe.
" Musi mieć określoną inwersję obsadzeń N2 > N1
" Jeżeli ośrodek jest inwersyjny, to proces stymulowanej emisji
jest mocniejszy niż proces absorpcyjny .
2 2
h h
1
1
2. Mechanizm wzbudzania albo pompowanie :
" pompowanie jest procesem, szeregiem procesów albo metodą
wzbudzania atomów na wyższy poziom energetyczny,
" pompowanie może nie być bezpośrednie, ale odbywać się poprzez
poziom pośredni albo kilka takich poziomów.
Lasery 4
Analiza działania lasera
- schemat trójpoziomowy
E3
E3; N3
E3
E3
hv32
hv13
E2; N2
E2
E2
E2
metastabilny
metastabilny
hv21
E1; N1
E1 E1 E1
hv21
Ni koncentracja atomów o energii Ei
koherentne
fotony
Szybkość przejść w dół (emisji):
Szybkość przejść w górę (absorpcji):
R21 = A21N2 + B21N2r h
R12 = B12N1r h ( )
( )
gdzie A21 współczynnik emisji (Einsteina)
gdzie: B12 stała proporcjonalności
(współczynnik absorpcji Einsteina) spontanicznej,
r(hv) gęstość częstotliwościowa
B21 współczynnik emisji (Einsteina)
energii fotonów [#/cm-3 Hz-1],
stymulowanej
wg prawa Plancka o radiacji c. czarnego:
3
8Ąh
W warunkach równowagi termodynamicznej:
req h =
( )
R12 = R21
h ł
ć
c3 ęexpŁ -1ś Lasery
5
kT
ł
W warunkach równowagi termodynamicznej:
R12 = R21
czyli B12N1 - B21N2 r h - A21N2 = 0
( ) ( )
A21N2
r h =
stąd
( )
B12N1 - B21N2
E2
Teraz stosując statystykę Boltzmanna
i uwzględniając, że poziomy E1 i E2 są zdegenerowane
g2 - podpoziomów
w stopniu g1 i g2 odpowiednio - mamy
(o tej samej energii E2)
N2 N1 h N1 E2 - E1
E1
= expć - expć -
g2 g1 kT g1 kT
Ł ł Ł ł
DN N1 - N2 = N1 1- e-h kT
( )
g1 - podpoziomów
(o tej samej energii E1)
Podstawiając to równanie do powyższego, otrzymamy
3
A21
8Ąh
r h =
( )
req h =
( )
g1 g2 exp h kT B13 - B21
( ) ( )
h ł
ć
c3 ęexpŁ -1ś 6
, a wg teorii
Lasery
kT
ł
Relacje Einsteina
3
A21
8Ąh
i r h =
( )
req h =
( )
Z porównania
g1 g2 exp h kT B13 - B21
( ) ( )
h ł
ć
c3 ęexpŁ -1ś
kT
ł
3
A21 8Ąh
otrzymamy, że
= oraz g1B12 = g2B21 Jeżeli g1= g1 =1,
to
B21 c3
B12 = B21
Wnioski z powyższych wzorów:
1. Zauważmy, że
A21 czyli gdy częstotliwość rośnie, to wzrasta emisja spontaniczna,
3
a zatem światło staje się mniej koherentne.
B21
Dlatego trudniej jest zbudować X-laser.
2. Stosunek szybkości opróżniania poziomu E2 w wyniku emisji spontanicznej
i stymulowanej - wynosi
Rsp A21 p 2 ć hw ł
ć
v3 hw
= -1ś expć -1
Rst B21 hw3 ęexpŁ kT kT
ł Ł ł
Ł ł
Dla optycznych w=2p.5.1014 rad/s i w T=500K mamy zatem Rsp>>Rst. Zatem światło na wyjściu lasera jest niekoherentne!
3. Wzmocnienie światła koherentnego może nastąpić nawet w powyższych
okolicznościach, jeżeli szybkość stymulowanej emisji przewyższy absorpcję.
Lasery 7
Różnica pomiędzy nimi wynosi Rst - Rabs = B21 N2 - N1 r w
.
( ) ( )
Warunki równowagi termodynamicznej
E2 - E1 ł
N2 ( )
- Wg statystyki Boltzmanna: = exp
ę- ś
N1 kT
3
8Ąh
req h =
( )
Równowagowy rozkład energii fotonów wg Plancka
h ł
ć
(promieniowanie doskonałego ciała czarnego):
c3 ęexpŁ -1ś
kT
ł
Zakładając stan równowagi termodynamicznej (korzystając z prawa Plancka)
oraz z faktu, że B12=B21 można wykazać, że
3
A21 8Ąh
[**]
=
B21 c3
Teraz rozważając proporcję emisji stymulowanej do spontanicznej, mamy
R21 stym
( ) c3
R21 stym B21N2r h B21r h
( ) ( ) ( )
a uwzględniając
= r h
( )
= =
3
powyższe równanie
R21 spon 8Ąh
( )
R21 spon A21N2 A21
( )
Ponadto, uwzględniamy relację stymulowanej emisji do absorpcji:
R21 stym
( ) N2
=
R21 absorp N1
( )
Lasery 8
Dalsze dwa wnioski:
1. Aby stymulowana emisja fotonów przekroczyła absorpcję (wg ostatniego równania),
musimy osiągnąć inwersję obsadzeń, czyli
N2 > N1
2. Aby stymulowana emisja fotonów była dużo większa od spontanicznej emisji,
musimy mieć dużą koncentrację fotonów, którą uzyskamy, tworząc wnękę optyczną
gromadzącą fotony.
Wymagania o dużej inwersji N2>N1, oznaczają, że odeszliśmy od stanu równowagi
termodynamicznej. Bowiem stosując statystkę Bolzmanna przy nierówności uzyskujemy
z równania ujemną temperaturę!
[**]
Zasada pracy lasera jest zatem oparta na osiągnięciu stanu
nierównowagi termodynamicznej!
Lasery 9
W nierównowadze &
N2g2
N2 g2 - E2 -E1
kT
< 1
= e
N1g1
N1 g1
<1
g2N1
N2 - < 0
g1
- czyli absorpcja.
g2N1
Zatem jest stanem nierównowagowym, nazywanym
N2 - > 0
inwersją obsadzeń!
g1
Lasery 10
Szybkość absorpcji
dN
1
= -R12N1 = -s12F N1
dt
abs
N1- ilość atomów albo cząsteczek z dolnym poziomem energetycznym, typowe 1020 cm-3
s12- przekrój czynny centrów absorpcyjnych, typowy 10-18 cm-2,
F strumień fotonów #/cm2s
Lasery 11
Dynamika emisji spontanicznej
i stymulowanej
dN2
N2
= -AN2 = -
tsp tsp spontaniczny czas życia [s]
dt
sp
dN2
21
N2 = N20 e-R t @ N20 e-t /t
= -R21N2 = -s21F N2
dt
st
s - przekrój czynny emisji stymulowanej
N2
F strumień fotonów
1,0
t czas życia na poziomie N2
Uwzględniając także nieradiacyjne przejścia:
1
Atot = A + R21
stąd
t =
Atot
t
Lasery 12
Prawodpodobieństwo
Skuteczność działania lasera
Fwy
Fwe
ć
dN2 dN1
F -F = - + dz
wy we
dt dt
Ł st abs ł
dz
- liczba fotonów powstałych w 1 cm3 i 1 s.
Dlatego
F
wy
Krzywa Lorentza
ć
g2N1
1,0
dF = s21F N2 -s12F N1 = s21F N2 - dz
g1
Ł ł
Inwersja:
D=Atot/2p
<0 czyli netto absorpcja,
>0 czyli netto wzmocnienie.
Atot / 4Ą
F =F0
( )
2 2
-0 + Atot 4Ą
( ) ( )
0
-0
Lasery 13
Akcja laserowa
Zwierciadło
Zwierciadło
z reflektancją R1
z reflektancją R2
l
pompowanie energii
aby wytworzyć stan nierównowagi
Kiedy wzmocnienie w ośrodku wzmacniającym zbilansuje straty w zwierciadłach
oraz straty we wnęce, wtedy nastąpi akcja laserowa (lasing):
ć
dF g2N1
21
F z =F 0 es Ninvz
= s21F N2 - s21F Ninv stąd ( ) ( )
dz g1
Ł ł
21
G z = es Ninvz
gdzie: wzmocnienie
( )
g s21Ninv
współczynnik wzmocnienia [cm-1]
Lasery 14
Jednokrotne przejście przez wnękę
g wzmocnienie dwukierunkowe
w rezonatorze m. lustrami
aWG straty w propagacji
E+ 0 = r1E- 0 = r1 E- l e(g -aWG)l/2 e-jk(w)l ł =
( ) ( ) ( )
am - lokalne straty w zwierciadłach
= r1e(g -aWG)l/2 e-jk(w)l r2E+ l =
( )
E-(0)
E+(L)
= r1r2 e(g -aWG)l/2 e-jk(w)l E+ 0 e(g -aWG)l/2 e-jk(w)l ł
( )
r1
r2
- stąd po jednej rundzie promienia przez wnękę:
E+(0)
E+(0)=r1E-(0)
E-(L)
g aWG
1= r1r2 e(g -aWG)l e-j2k(w)l
l z
0
R1(2) = r1(2) r1*
2g = g 2
( )
I P E2
pole E moc
1= r1r2 e(g -aWG)l e-j2k(w)l = R1R2 e(g -aWG)l e-j2k(w)l = e(g -aWG -am)l e-j2k(w)l
G = e(g -aWG ) - net gain
m
e-a l
Transmisja mocy:
ć ć
1 1 1 1 1
am = - ln R1R2 = ln = ln
stąd
( )
T1(2) =1- R1(2)
2l 2l R1R2 l r1r2
Ł ł Ł ł
Wykład 3 15
Warunek laserowania
= bilans strat wzmocnienia
G 2l R1R2 1- Li =1
( ) ( )
Straty po jednym przejściu przez wnękę
albo
2 2
21
albo
e2gl R1R2 1- Li =1 e2s Ninvl R1R2 1- Li =1
( ) ( )
ln R1R2 + 2ln 1- Li
( ) ( )
Nc =
Nc a" Wartość N, dla której spełniony jest
2s21l
warunek lasingu, nazywany krytyczną inwersją
"Critical Inversion .
Często też spotykamy określenie "Logarithmic Losses"
g1 @ - ln R1
( )
g1 + g
2
stąd
g = gi +
g @ -ln R2
( )
2
2
g
gi @ - ln 1- Li
( )
Zatem Nc =
Lasery 16
s l
21
Mody wnęki rezonansowej
l
Straty
wnęki:
gm
Wnęka
rezonansowa
Częstotliwości modów osiowych:
mc
=
m=1, 2, ..
2l
odstęp między modami:
c
D =
2l
Częstotliwość
Lasery 17
wzmacniacza
Pasmo
Refleksyjność
wnęki
Moc wyjściowa
lasera
Warunki laserowania
1. Inwersja obsadzeń jest potrzebna, aby osiągnąć stymulowną emisję.
2. Struktura energetyczna materiału ma kilka poziomów, a najwyższy poziom ma
stan metastabilny. Długość emitowanej fali jest określona przez różnicę poziomów
energetycznych pomiędzy tym ze stanem metastabilnym i kolejnym niższym.
3. Materiał (system) powinien być przezroczysty dla emitowanego światła.
W przeciwnym przypadku światło nie opuści materiału.
4. Odrębność (confinement) materiału i światła przez rezonator.
5. Wzmocnienie progowe musi być większe niż częściowe straty plus światło emitowane.
Lasery 18
Sprawność LED i LD
Sprawność wewnętrzną można obliczyć jako:
ó
ilos ć emitowanych fotonów
hwew =
ó
ilos ć iniektowanych elektronów
Natomiast sprawność zewnętrzną można obliczyć jako:
P
ó
ilos ć fotonów wychodzących
opt.
ł
hzew = =
ó
ilos ć iniektowanych elektronów I EG
ę ś
ę ś
1 Ith
ć1-
ę ś
hzew =hwew
2al
I
ę1+ ś
Ł ł
ę ś
ć
1
ln
ę
R1R2 ś
Ł ł
Zewnętrzną sprawność mocy
P E
ć
opt.
optycznej z kolei wyliczamy jako hop = =hex g
P eV
e Ł ł
Lasery 19
Ch-ki iD-uD i iD-Popt diody laserowej
PWY = hF
ph,WYtotal
iD - ITH
Popt = h hehi
q
iD
Popt
1
hed =hehi
rd
- zewnętrzna
różniczkowa sprawność
kwantowa LD
ITH
uD
ITH iD
Popt
ć
D
h
dP
q
opt
Ł ł
hed = =
iD
ć h diD
D
q
Ł ł
Lasery 20
Laser rubinowy 3 poziomowy
3.
Fast decay
h = E3 - E1
p
2.
h = E2 - E1
F1
1.
F2
Lasery 21
ń
a
e
p
z
m
d
a
R
L
Schemat 4 poziomowego lasera
2.
Przejście selektywne
Górny poziom laserowy
3.
Przejście laserowe
4.
Dolny poziom laserowy
1.
Lasery 22
Energia
Pompowanie
Laser He-Ne
2. Pompowanie 2.
Górny poziom laserowy
3.
20
DE=1,959 eV
4.
Dolny poziom laserowy
15
10
5
1.
Poziom podstawowy
0
Hel
Neon
Lasery 23
Energia
[eV]
Pompowanie 1
Przekrój lasera
yródło zasilania
Ne-He
Mieszanina Ne-He (10:1)
YAG
Sprzęgacz optyczny
Radiator
Pręt YAG -rezonator
ciepła
Zwierciadła
Dioda LED
Lasery 24
Laser Nd:YAG
3.
Fast decay
2.
h = E3 - E0
p
h = E2 - E1
1.
Fast decay
0.
Lasery 25
Porównanie właściwości Nd:YVO4 i Nd:YAG
Lasery 26
Porównanie właściwości Nd:YVO4 i Nd:YAG
Nd:YAG Nd:YVO3 Cr:LiSAF Cr:YSO Ti:Al2O3
Nd3+ :YAG Nd3+ :YVO3 Cr3+:LiSrAlF6 Cr4+:Y2SiO5
Struktura krystaliczna romboedryczna monokliniczna
Współ. załamania n 1,41 1,8
Długość fali emisyjnej [nm] 1064 720-920 1000-1500 532
Pompowanie diodą (absorpcja) [nm] 670 808 390, 595,694, 750
Czas fluorescencji [ms] 90 67 0,7
Przekrój czynny
stymulowanej emisji
[x .10-19 cm2] 6. 25. 0,48. 4,6.
Lasery 27
Zielony wskaznik laserowy na Nd:YVO4
KTP (Potassium Titanyl Phosphate),
is transparent at 1064 nm and
532 nm, has large electrooptic
coefficients, and a large damage
threshold, making it an ideal
choice for frequency doubling of a
Nd:YVO4 laser.
Lasery 28
Schemat działania GLP
Zwierciadło HR (high reflexsibility) lustro OC (output coupler)
Multiple Crystal Assembly
na tylnej powierzchni na przedniej powierzchni
Nd:YVO3 KTP
Zasilanie
diody laserowej
soczewki
Pompująca
Pompujące
poszerzające soczewki
Filtr
dioda laserowa
soczewki
kolimujące
podczerwieni
Lasery 29
The atomic energy level diagram of the
green laser pointer
4
G
4
S
Nd3+ w Nd:YVO4
2
H
4f3
(Nd doped Ytrium OrthoVanadte)
4
F
Fala 808 nm
1064 nm 532 nm
z diody laserowej
KTP dublujący kryształ
4
I
KTiOPO4 fosforan potasowo-tytanylowy
KTP (Potassium Titanyl Phosphate) jest przezroczysty dla fal 1064 nm i
532 nm, współczynniki elektrooptyczne są szczególnie duże, i ma dużą wytrzymałość
progową, czyniąc ten materiał jako idealny do podwajania częstotliwości
promieniowania laserów Nd:YVO4 .
Lasery 30
Generacja drugiej harmonicznej SHG
P = e0cE + skladniki nieliniowe
Aby nastąpiła generacja fali o podwojonej częstotliwości potrzebny jest kryształ
o dużych wartościach współczynników nieliniowych w macierzy polaryzacyjnej:
ł
E2
x
ę
E2 ś
ł
PNL d11 d12 d13 d14 d11 d16 ę y ś
ł
x
ę
E2 ś
ęPNL ś
ęd d22 d23 d24 d25 d26 ś z
=
ę ś
y 21
ę ś
ę ś
E
ęPNL ś
ę ś
d32 d33 d34 d35 d36 ę2Ez y ś
z d31
ę2E E ś
z x
ę ś
ę2E E ś
x y
Efekt: dublowanie częstotliwości wewnątrz wnęki
Efektywność zwiększa się wraz z wielokrotnym przejściem strumienia przez
wnękę, co może jednak wywoływać uszkodzenie kryształu KTP, a stąd spadek
efektywności i uszkodzenie wyjścia Nd:YVO4.
Lasery 31
4
F5/2
SHG
F=50 mm
F=100 mm
M1
LD 25W
4
l= 440 nm
F3/2
Nd:GdVO3
808 nm
5mm/0,1%
1063 nm
M2
4
I11/2
R=-200 mm
879,4 nm
912 nm
4
I9/2
l= 440 nm
l= 440 nm
Diagram
M3
KNbO3
M4
energetyczny
R= -150 mm
R= -100 mm
Nd:GdVO3
Lasery 32
Laser pompowany diodą LED
Pompowanie boczne
Pompowanie od końca (end pumping)
(side pumping)
Soczewki
Światło-
Sprzęgacz
Sprzęgacz
wód
Kryształ lasera
wyjściowy
wyjściowy
Soczewki
HR zwierciadło
LED SESAM
HR zwierciadło
-Semiconductor
saturable absorber
DPSS lasery (Diode-pumped solid state)
są optycznie pompowanymi przyrządami
Długość wnęki
Zwierciadło
monokrystalicznymi, takimi jak
półprzepuszczalne
Nd:YAG i Nd:YLF, wzbudzanymi przez
Pompowanie
diodę laserową albo całą ich baterię
PZT
Nd:YVO3
zamiast lampy wyładowczej albo innego zródła
o dużej intensywności.
Płaska
System może być pompowany od końca
Wyjście
powierzchnia
Wypukła
albo z boku, o typowej geometrii rdzenia.
Przerwa
i polerowana
Pompowane z boku mają zwykle większą moc. powietrzna
HT@808nm
Lasery 33
0,2%T@1064 nm
DPSS laser
Schemat budowy lasera 40-GHz o podwyższonej mocy.
Pompa i laser są oddzielone zwierciadłem półprzepuszczalnym (a dichroic mirror).
Wnęka laserowa jest dostrajana przetwornikiem piezoelektrycznym.
Sprzęgacz
Lustro
wyjściowy
SESAM
półprzepuszczalne
Dioda pompująca Optyka
PZT
LED transmisyjna
2 W
Nd:YVO3
Ogniskowanie
3,11 mm
achromatyczne
Strumień
wyjściowy
Even higher repetition rates of more than 1 THz can be reached with mode-locked edge-emitting semiconductor lasers
[11]. In general, the pulses from such laser diodes are strongly chirped, and the average output power is typically only a
few milliwatts or even below 1 mW. Optically pumped vertical-external cavity surface-emitting semiconductor lasers
(VECSELs) that are passively mode-locked with a semiconductor saturable absorber (SESAM) [12], [13], can
generate high average output powers in picosecond pulses of good quality [14], [15], and close to transform-limited
femtosecond pulses [16]. Recently, a 10-GHz device of this kind with 1.4 W average output power has been
demonstrated [17], and higher repetition rates should be possible
Lasery 34
Sprawność DPSS laserów
Pierwotne
Konwerter
Konwerter
zródło światła
długości fali
modalny
hT = hP hM hl = 3%
Pompująca
Kryształ
Kryształ
dioda laserowa
nieliniowy
lasera IR
The visible output power, 532 nm
in the green spectrum, could break
Duża efektywność
Dobra efektywność
Dobra efektywność
into high-frequency chaotic
hp=50%
hM=12%
hl=50%
oscillations of nearly 100-percent
Słaba modalność
Dobra modalność
Dobra modalność
peak-to-peak amplitude. This
M2 =50
M2 =1,5
M2 =1
was named the green problem
by Tom Baer (then at
Spectra-Physics)
IR laser
Melles Griot DPSS laser optical
SGH
kryształ
trains for producing four different
kryształ
lwy
LBO/
DL pump Optyka Nd:YVO3
visible output wavelengths
532 nm
KTP
808 nm sprzęgająca 1064 nm
Nd:YVO3
457 nm
BBO
914 nm
Nd:YAG
473 nm
LBO
946 nm
Nd:YAG
LBO 651 nm
1123 nm
Lasery 35
Inicjacja akcji laserowej
Inicjacja stymulowanej emisji promieniowania laserowego poprzez emisję
spontaniczną
2
1
144 3
42444
Spontaniczna
Emisja stymulowana
emisja w 4p sr
W innych przypadkach inicjacja jest wywoływana na kilka sposobów,
ale najczęściej innym laserem. Inicjując w ten sposób można ponadto osiągnąć:
1. Uzyskanie impulsów mocy o określonej częstotliwości
2. Stabilność długości fali
3. Czystość widmową ( pasmo o określonej szerokości)
Lasery 36
pompowanie
..cd
światło
światło
Ośrodek
aktywny
g
Np
Np+D Np
D z
Wnęka optyczna albo rezonator są niezbędne, aby
1. zapewnić sprzężenie optyczne ośrodka,
2. określić dozwolone mody przestrzenne i wzdłużne.
Sprzężenie zewnętrzne
Pompa optyczna
Zwierciadło 100%
Ośrodek wzmacniający
Lasery 37
Wzmocnienie progowe
" Jakie jest wzmocnienie progowe?
Ośrodek
wzmacniający
R2
R1
współczynnik odbicia
Wzmocnienie progowe jest wzmocnieniem, które zupełnie kompensuje
straty pojawiające się przy jednokrotnym przejściu przez wnękę:
ć
1 1
gth = a + ln
2l R1R2
Ł ł
Lasery 38
Wzmocnienie progowe
" Obserwując intensywność strumienia fotonów po jednokrotnym przejściu
przez wnękę generującą z ośrodkiem wzmacniającym:
l
I0egL
I0
wzmocnienie
g()
I0R2egL
R2
R1 I0R2eg 2L
th th
Warunek progowy:
I0 = I0 eg l R2 eg l R1
th
czyli I0 = I0 R1R2 e2g l
1
stąd
gth = - ln R1R2
( )
2l
Lasery 39
Przykłady:
He-Ne laser
Dioda laserowa (DL)
1
1
gth = ln 0,995 =1,003.10-5 cm-1
( )
gth = ln 0,950,4 =12,1 cm-1
( )
225 cm
2400 mm
czyli gth = 0,01% cm-1
gth =1201% cm-1
czyli
W przypadku DL mamy zupełnie przeciwny
Jest to szczególnie małe wzmocnienie progowe.
przypadek względem lasera He-Ne.
Zazwyczaj straty na zwierciadłach i inne straty są
Wartość progowa wzmocnienia dla DL jest o 4
dużo wyższe i właściwe wzmocnienie progowe jest
rzędy wielkości większa niż w laserach He-Ne.
dużo większe.
Lasery 40
Przykłady wzmocnienia progowego
( Laser z komórką absorpcyjną Q-switcher)
Wsp. strat
th a a th
I0 = I0 eg leal R2 eal eg l R1
a=3% cm-1
Q-
Rdzeń lasera
switch th
- wzmacniacz
czyli
1 = R1R2 e2g l-2ala
4 cm
40 cm
R1 =0,99 R2 =0,4 1
gthl -ala = - ln R1R2
( )
2
ala 1
gth = - ln R1R2
( )
l 2l
0,3 4 cm 1
gth = - ln 0,990, 4 = 0,0146 cm-1
( )
cm 40 cm 2 40 cm
gth = 1, 46% cm-1
Lasery 41
Metody uzyskania pracy impulsowej -
switching
Rdzeń lasera
Obracające się
- wzmacniacz
zwierciadło
Polaryzator
Komórka
Rdzeń lasera
Kerra
- wzmacniacz
Polaryzacja
Ortogonalna
kołowa
polaryzacja
liniowa
Lasery 42
Ach, te oczy
Widzenie skotopowe (nocne):
V l @ 1,019e-285,4(l -0,559)2
( )
- aktywne przy luminacji
mniejszej niż 0,01 cd/m2
Widzenie fototopowe (dzienne):
ó
V l @ 0,992e-321,9(l -0,503)2
( )
Próg widzenia >3 cd/m2
Lasery 43
BHP z laserem
Nigdy nie patrz w kierunku strumienia lasera!
Never allow a laser beam to enter the eye!
Mikrofale, x, gamma
Ultrafiolet UVA
Diagram of human visual response showing
the wavelength of the GLP line at 532 nm
Widzialne,
IRA, UVA
UVB i IRB
Lasery 44
Light penetration in the human eye
(adapted from Sliney and Wolbarsht 1980).
Oświetlenie siatkówki oka
przez żarówkę, Słońce i laser
Przypadek 1: Patrząc na żarówkę z odległości 1m,
W nasze oko wpada strumień świetlny, który rozprzestrzenia się
w sferę o powierzchni = 4Ą (1 m)2 = 12,6 m2,
zatem intensywność światła wynosi
Żarówka
MOC żarówki 60W
Fna rogówce = = = 4,5 W/m2
Pow. kuli 12,6m2
Słońce - około 150 mln km
Światło wchodzi do oka przez zrenicę (ok. f=2 mm).
Powierzchnia zrenicy = p(1mm)2=3,1.10-6m2
Stąd całkowita moc światła, jaka wchodzi do oka
Laser
Jest równa pow. Intensywność na rogówce x pow. zrenicy
= 1,5 10 5 W (15 W).
Soczewki oka skupiają obraz żarówki o średnicy około 300 mm na siatkówce.
Zatem intensywność na niej wynosi
MOC 1,5.10-5W
F = = = 212 W/m2
na siatkówce
2
Pow. plamki żóltej
p 150źm
( )
Patrząc w Słońce, którego strumień świetlny wynosi około 1000 W/m2, ta sama rogówka zbiera moc 3,1 mW,
a na siatkówkę pada strumień180 kW/m2.
Narażając się na strumień lasera o typowej średnicy 2 mm, swoją rogówkę oświetlimy strumieniem 1,6 kW/m2,
a siatkówkę wypalimy strumieniem o intensywności 64.106 W/m2.
Lasery 45
Klasy bezpieczeństwa laserów
1 - Lasery, które są bezpieczne w racjonalnych warunkach pracy
1M - Lasery emitujące promieniowanie w zakresie długości fal do 302,5 nm do 4000 nm,
które są bezpieczne w racjonalnych warunkach pracy, ale mogą być niebezpieczne
podczas patrzenia w wiązkę przez przyrządy optyczne
Symbol ostrzegawczy
przed laserami
2 - Lasery emitujące promieniowanie widzialne w przedziale długości fal od 700.
klasy 2 i wyższej
Ochrona oka jest zapewniona w sposób naturalny przez instynktowne reakcje obronne.
2M - Lasery emitujące promieniowanie widzialne w przedziale długości fal od 700.
Ochrona oka jest zapewniona w sposób naturalny przez instynktowne reakcje obronne,
ale mogą być niebezpieczne podczas patrzenia w wiązkę przez przyrządy optyczne.
3R - Lasery emitujące promieniowanie w zakresie długości fal do 302,5 nm do 106 nm,
dla których bezpośrednie patrzenie w wiązkę jest potencjalnie niebezpieczne.
3B - Lasery, które są niebezpieczne podczas bezpośredniej ekspozycji promieniowania.
Patrzenie na odbicia rozproszone są zwykle bezpieczne.
4 - Lasery, które wytwarzają niebezpieczne odbicia rozproszone.
Mogą one powodować uszkodzenie skóry oraz stwarzają zagrożenie pożarem.
Podczas obsługi laserów klasy 4 należy zachować szczególną ostrożność.
Lasery 46
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
lasery nr 07egzamin laseryLaseryF3 laseryBHP Laseryściąga laseryETP wyklad 13 lasery w geodezji niwelatory laserowe i kodowe35 LASERYEmisja wymuszona lasery(1)2006 02 Lasery w medycynie i rehabilitacjiWyklad Lasery i ich zastosowanie awięcej podobnych podstron