Laserske tehnologije 2

Laserske tehnologije 2 Prof.dr.sci.Nermina Zaimović

1

Osnove lasera-procesi u laseru

Laser radi na principu pobude atoma izazivajući svjetlosnu emisiju i apsorpciju pri prelasku sa jednog na drugi energetski nivo. 2

Pojave u pobuđenom atomu

3

EM zračenje „

„

„ „

Emitira se kada pobuđena čestica predaje energijusvaki puta kada prelazi sa višeg na niži energetski nivo. Sa prelaskom sa E2 na E1 atoma ili jona kada se nađe pod djelovanjem fluorescentnog svjetla. Sa promjenom vibracionog nivoa molekula. E je energija koju nosi foton i određena je frekvencijom μ i Plankovom konstantom h. 4

Energija fotona „ „

E=hμ Procesi na kojima se zasniva rad lasera predstavljaju izmjenu energije zračenjem

5

Stimulirana emisija elektrona

6

Izmjena energije zračenjem „ „ „

Zbiva se apsorpcijom te Spontanom i Stimuliranom emisijom zračenja

7

Stimulirana emisija „

If an electron is already in an excited state (an upper energy level, in contrast to its lowest possible level or "ground state"), then an incoming photon for which the quantum energy is equal to the energy difference between its present level and a lower level can "stimulate" a transition to that lower level, producing a second photon of the same energy. 8

Inverzija populacije

9

Inverzija populacije „

When a sizable population of electrons resides in upper levels, this condition is called a "population inversion", and it sets the stage for stimulated emission of multiple photons. This is the precondition for the light amplification which occurs in a laser, and since the emitted photons have a definite time and phase relation to each other, the light has a high degree of coherence 10

Laser

11

Paralelna svjetlost iz lasera

12

Spontana emisija „

Dešava se sama po sebi. E2 Energija

ψ2 apsorpcija emisija

E1

ψ1 Apsorpcija

13

Proces u laseru

14

15

Spontana emisija „

„

„

Atom u stanju ψ2 nakon određenog vremena tj vremena života tog nivoa prelazi spontano u stanje ψ1 emitirajući kvant energije W. Vjerovatnoća tog spontanog prelaza i promjene energije W u vremenu proporcionalna je Einsteinovom koeficijentu A21 a on je obrnuto prporcionalan vremenu života stanja ψ2 ; dW/dt= A21 Prelaz iz stanja u stanje je moguć izmjenom energije.Energija se izmjenjuje 16

Stimulirana emisija „

„

„

Dešava se kada se na atom u pobuđenom stanju djeluje zračenjem gustoće energije ρ. Vjerovatnoća stimuliranih prelaza proporcionalna je faktoru karakteristike atoma, einsteinovom koeficijentu za stimuliranu emisiju B21 i gustoći energije zračenja ρ. dW/dt = B21 ρ 17

Apsprpcija „

„

„

Apsorpcija je suprotan proces.Na atom u nižem nivou pobude ψ1 djeluje zračenje gustoće energije ρ, te mu predaje kvant energije E=hμ. Tada atom iz stanja ψ1 prelazi u stanje više energije ψ2 . U realnim sistemima radi se sa atomskim skupom gustine N atoma u jediničnoj zapremini.Ako se na taj skup primijeni modl sa dva nivoa tada će određeni broj atoma N2 18

Broj spontanih prelaza „

„

Biti u stanju ψ2 a određeni boj N1 u stanju ψ1 .Zbir populacija jednak je ukupnom broju atoma u jediničnom volumenu N= N1+ N2 Broj spontanih prelaza u jedinici vremena je nse = N2 A21 19

Broj stimuliranih i apsorpcijskih prelaza „

U jedinici vremena broj stimuliranih prelaza je nstpr =N2B21 ρ Broj apsorpcijskih preleza u jedinici vremena nap =N1B21 ρ

20

Pojačanje svjetlosti

21

Osnove lasera Osnovni cilj, bez obzira na agregatno stanje aktivne tvari, je stvoriti veliki broj pobuđenih atoma i postići populacijsku inverziju „ populacija gornjeg nivoa određenog prijelaza mora biti veća od populacije donjeg nivoa „

22

Osnovi lasera-nastavak Rezultat će biti pojačanje intenziteta svjetlosti, odnosno povećani broj fotona s energijom prijelaza (slika a i slika b). Na ovoj ideji se zasniva rad lasera. Laser je akronim za pojačanje

svjetlosti pomoću stimulirane emisije zračenja

23

Struktura lasera Laserski materijal je kristal, gas ili poluprovodnik „ Izvor napajanja ili sistem za pumpanje „ Optički prostor ili rezonator „

24

Osnovni dijalovi svakog lasera Svaki laser se sastoji od tri glavna dijela:

optičkog rezonatora, energetske pobude sistema. optičkog pojačala,

25

Shema lasera

26

Shema strukture lasera

27

Optičko pojačalo „

Optičko pojačalo je medij u kojem se pojačava laserska svjetlost pri svakom prolazu. U aktivnom mediju pumpanjem energije iz vanjskog izvora postiže se inverzija naseljenosti između gornjeg i donjeg nivoa čiji prijelaz daje laserski snop. 28

Laserska pojačala Pojačalo jednog proleta „ Rade na principu stimulirane emisije u materijalima sa inverzijom naselejnosti.Faktor pojačanja zavisi od dužine puta x, pojačala gustine energije zračenja i spektralne emisije „

29

Laserska pojačala Spektralna linija sadrži pojas frekvencija i ima raspored intenziteta unutar pojasa. „ Širina pojasa laserskog pojačala je frekvencijski pojas unutar kojeg pojačanje padne na polovicu od max vrijednosti „

30

Energetski nivoi

31

Inkoherentni i koherentni zraci

32

Koherentna svjetlost

33

Koherentna svjetlost „

Coherence is one of the unique properties of laser light. It arises from the stimulated emission process which provides the amplification. Since a common stimulus triggers the emission events which provide the amplified light, the emitted photons are "in step" and have a definite phase relation to each other. This coherence is described in terms of temporal coherence and spatial coherence, both of which are important in producing the interference which is used to produce holograms

34

Proces u laseru

35

Osobine laserske svjetlosti „

„

„

1. Coherent. Different parts of the laser beam are related to each other in phase. These phase relationships are maintained over long enough time so that interference effects may be seen or recorded photographically. This coherence property is what makes holograms possible. 2. Monochromatic. Laser light consists of essentially one wavelength, having its origin in stimulated emission from one set of atomic energy levels. 3. Collimated. Because of bouncing back between mirrored ends of a laser cavity, those paths which sustain amplification must pass between the mirrors many times and be very nearly perpendicular to the mirrors. As a result, laser beams are very narrow and do not spread very much.

36

Pojačala „

Electric field distribution of a few of the lowest order resonant modes of a cylindrical cavity. Up or down arrows ( red or blue regions) indicate the phase of the electric field and arrow length indicates relative strenght.

37

Modovi

38

Izbor karakteristika zračenja Lasersko zračenje je monohromsko jer daje uske spektralne linije, daleko manje od drugih elektromagnetnih izvora. „ Usko vezano sa modom, koji zavisi od tipa rezonatora, laserski snop ima stabilnu frekvenciju. „

39

Izbor laserskog zračenja Sa stanovišta prenosa energije od značaja su usmjerenost sa malom divergencijom i koherentnost koja izražava jednoznačnost i neprekidnost snopa po cijelom presjeku i trajanju. „ Ovo su presudne osobine „

40

Regenerativno pojačalo „

Fabry Perot Cavity

41

Optički rezonator „

Drugi glavni dio svakog lasera je optički rezonator. Tipično se laserski rezonator sastoji od dva paralelna skoro ravna ogledala. Jedno od ogledala ima refleksivnost blizu 100% za lasersku svjetlost, dok je refleksivnost drugoga nešto manja od 100% kako bi dio svjetlosti izišao van i tako stvorio laserski snop. 42

Rezonatori

„

'Hall of Mirrors' effect on radiation reflecting back and forth between the two mirrors of a high reflectivity laser cavity. 43

Energetska pobuda lesera „

Kao energetska pobuda medija može poslužiti apsorpcija fotona, sudari između elektrona ili jona i aktivnih molekula odnosno atoma koji emitiraju lasersko svjetlo, sudari između samih aktivnih atoma odnosno molekula, rekombinacija slobodnih elektrona, rekombinacija nositelja naboja u poluvodiču, kemijska reakcija koja stvara pobuđene molekule ili atome. 44

Kako se dolazi do laserskog svjetla?

„

Vanjska pobuda dovede do inverzije naseljenosti u aktivnom mediju. Ovi atomi spontano emitiraju fotone koji zatim induciraju stimuliranom emisijom dodatne fotone. 45

Proces u laseru „

„

Neki od ovih fotona se vraćaju u medij djelovanjem rezonatora i stvaraju lavinu fotona u istom pravcu. Konačno se stvara ravnotežno stanje u kojemu veliki broj fotona putuje naprijed-natrag u rezonatorskoj šupljini po osi, dok mali dio fotona izlazi kroz ogledalo i daje laserski snop. 46

Monohromatičnost lasera Monokromatičnost lasera nastaje kada laser emitira skoro samo jednu talasnu dužinu svjetlosti. Spektralna širina zračenja dobivena spontanom emisijom s jednog prijelaza reda veličine 10-12–10-10 m,

47

Monohromatičnost Kod laserskog svjetla širina može biti i samo 10-20 m. Ovakva mala širina je posljedica činjenice da laserski rezonator može osigurati da skoro sva svjetlost dolazi stimuliranom emisijom koja potiče od svega nekoliko početnih, sličnih fotona 48

Osobine lasera Laseri su korisni zbog svojih jedinstvanih karakteristika, monokromatičnosti, usmjerenosti, velikog sjaja i velike koherencije. 49

Laserski snop „

„

„

Skoro sva laserska svjetlost je rezultat fotona koji putuju po pravcu paralelnom sa osi rezonatora. U osnovni bi laserski snop trebao biti savršeno kolimiran. Međutim, snop se širi zbog difrakcije jer je transverzalna dimenzija rezonatora konačna. Tipični uglovi divergencije laserskog snopa su manji od 1 miliradiana odnosno 0.05O.

50

Spektralni sjaj „

Spektralni sjaj je optičko svojstvo koje je ujedno mjera monokromatičnosti i usmjerenosti izvora svjetlosti. Spektralni sjaj je definiran kao svjetlosna snaga izračena u jedinični prostorni ugao u jedinični valni interval po jediničnoj površini. Može se usporediti spektralni sjaj sunca i tipičnog He-Ne lasera. Na tipičnoj vidljivoj talasnoj dužini od 500 nm, spektralni sjaj sunca iznosi 7·1012 [W/m3rad]. Spektralni sjaj 1mW He-Ne lasera na talasnoj dužini 632,8 nm koji daje snop promjera 0,5 mm iznosi 5·1023 [W/m3rad], znači 10 milijardi više od sunčevog. 51

Koherencija lasera „

„

Koherencija se definira kao mjera korelacije faza između različitih tačaka talasa . Iako je to osobina putujućeg talasa, koherencija je direktno vezana uz osobine izvora talasa. Slikovito se koherencija može shvatiti uz pomoć slike dva čepa koji plutaju na površini vode. Neka je izvor talasa kamen bačen u vodu daleko od čepova. Tada ćemo imati savršenu korelaciju u pomjeranja dva čepa. Oni ne moraju biti u fazi, odnosno jedan se može pomjerati gore dok drugi ide dole, ali će relativna faza između položaja dva čepa u vremenu ostati konstantna. Pošto je izvor tačkasti koherencija je potpuna. 52

Koherencija talasa Ako su izvori talasa kišne kapi koje nasumice padaju na vodu. Talas je u svakoj tački superpozicija valova nastalih od svih kišnih kapi. Budući da kišne kapi nasumce pogađaju različita mjesta na vodi u nasumičnim vremenskim trenucima, ne može se očekivati da će faza talasa na jednom mjestu biti korelirana s fazom na drugom mjestu. Čepovi sad skaču gore dole bez ikakvog međusobnog odnosa u njihovim Kretanjima. U ovom slučaju izvor talasa stvara nekoherentne talase.

53

Podjela lasera prema vrsti medija

Plinski laseri, „Čvrsti laseri, „Tečni laseri „

54

Podjela lasera prema načinu rada

kontinuirane i impulsne.

55

Kontinuirani i pulsirajući rad lasera

56

Konfiguracija laserskog sistema

57

Čvrsti laser

58

Podjela čvrstih lasera

Rubinski „ Nd-Yag „ Poluprovodnički „ Neodium staklo „

59

Čvrsti laseri „

The ruby laser was the first laser invented in 1960. Ruby is an aluminum oxide crystal in which some of the aluminum atoms have been replaced with chromium atoms. Chromium gives ruby its characteristic red color and is responsible for the lasing behavior of the crystal. Chromium atoms absorb green and blue light and emit or reflect only red light. 60

Rubinski laser „

„ „

„

For a ruby laser, a crystal of ruby is formed into a cylinder. A fully reflecting mirror is placed on one end and a partially reflecting mirror on the other. A high-intensity lamp is spiraled around the ruby cylinder to provide a flash of white light that triggers the laser action. The green and blue wavelengths in the flash excite electrons in the chromium atoms to a higher energy level. Upon returning to their normal state, the electrons emit their characteristic rubyred light. The mirrors reflect some of this light back and forth inside the ruby crystal, stimulating other excited chromium atoms to produce more red light, until the light pulse builds up to high power and drains the energy stored in the crystal.

61

Rubinski laser „

„

„

The laser flash that escapes through the partially reflecting mirror lasts for only about 300 millionths of a second-but very intense. Early lasers could produce peak powers of some ten thousand watts. Modern lasers can produce pulses that are billions of times more powerful. Another characteristic of laser light is that it is coherent. That is, the emitted light waves are in phase with one another and are so nearly parallel that they can travel for long distances without spreading. (In contrast, incoherent light from a light bulb diffuses in all directions.) Coherence means that laser light can be focused with great precision.

62

Slika rubinskog lasera

63

Rubinski laser

64

Nivoi pumpanja lasera

65

Rubinski laser

66

Rubinski laser „

„

In contrast to an ordinary light source, a laser produces a narrow beam of very bright light. Laser light is "coherent," which means that all of a laser's light rays have the same wavelength and are in sync.

67

Princip rada rubinskog lasera 1

„

1. High-voltage electricity causes the quartz flash tube to emit an intense burst of light, exciting some of the atoms in the ruby crystal to higher energy levels. 68

Princip rada rubinskog lasera 2

„

2. At a specific energy level, some atoms emit particles of light called photons. At first the photons are emitted in all directions. Photons from one atom stimulate emission of photons from other atoms and the light intensity is rapidly amplified. 69

Princip rada rubinskog lasera 3 „

3. Mirrors at each end reflect the photons back and forth, continuing this process of stimulated emission and amplification.

70

Princip rada rubinskog lasera 4 „

„

The photons leave through the partially silvered mirror at one end. This is laser light.

71

Rubinski laser

72

Rubinski laser

73

The Nd-YAG Laser „

„

Now supersedes the ruby as the most common doped insulator laser Host material is a crystal of yttriumaluminium-garnate (Y3Al5O12), YAG „

„

doped with 0.7% by weight of neodymium (Nd3+) ions

Laser emission takes place at 1.064 µm (infra-red) 74

Ne-Yag laser „ „

„

Pulsed Laser Oscillator The Neodynium-YAG laser consists of a rod of the material which can be pumped by a flash lamp at a rate of about 15 Hz. The output is Q-switched and mode-locked with the use of a saturable absorber and an acoustooptical modulator. The output consists of an envelope of pulses which can be tuned for optimization by adjusting the mirrors, adjusting the prisms to change optical pathlength, adjusting the crystal in the acoustooptic modulator, and adjusting the frequency of the modulator.

„ 75

Neodium Yag laser

76

Poluprovodnički laseri

77

Laserska dioda

78

Laserska dioda „

„

„

Laser action (with the resultant monochromatic and coherent light output) can be achieved in a p-n junction formed by two doped gallium arsenide layers. The two ends of the structure need to be optically flat and parallel with one end mirrored and one partially reflective. The length of the junction must be precisely related to the wavelength of the light to be emitted. 79

Laserska dioda „

„

The junction is forward biased and the recombination process produces light as in the LED (incoherent). Above a certain current threshold the photons moving parallel to the junction can stimulate emission and initiate laser action. 80

Laserska dioda „

„

„

Laser action (with the resultant monochromatic and coherent light output) can be achieved in a p-n junction formed by two doped gallium arsenide layers. The two ends of the structure need to be optically flat and parallel with one end mirrored and one partially reflective. The length of the junction must be precisely related to the wavelength of the light to be emitted. 81

LED dioda „

„

The junction is forward biased and the recombination process produces light as in the LED (incoherent). Above a certain current threshold the photons moving parallel to the junction can stimulate emission and initiate laser action. 82

Poluprovodnički laser

83

Plinski laseri „

„

„

Aktivni medijum kod plinskih lasera su različite gasne mješavine, koje se pobudom ionizuju, a potom zrače. Najznačajnije su mješavine helija i neona (HeNe laser), ugljendioksida (CO2 laseri), azota i helija, azot, argon i inertni gasovi. Mogu da rade na niskom i visokom pritisku. Pobuđuju se na različite načine: električnim pražnjenjem (najčešće), radio frekventno ili hemijski (rjeđe). Zrače različitim talasnim dužinama od UV do IC oblasti. 84

Podjela plinskih lasera U grupu plinskih lasera spadaju: „ Atomske (He-Ne, Cs,...); „ Jonske (Ar,Kr,...); „ Molekularne (CO2,N2,...).

85

Medij u plinskom laseru Za medij u plinovitom stanju, niti jedna metoda pobude nije tako pogodna kao elektronski sudari u plinu. „ Ovaj tip pobude efikasan je za svaki plinski medij, bez obzira da li se radi o atomskom, ionskom ili molekularnom laseru. „

86

Plinske cijevi Za plinske lasere upotrebljavaju se cijevi od kvarca ili pyrex stakla. Izuzetak predstavljaju ionski laseri, za koje se zbog visoke radne temperature najčešće upotrebljavaju grafitne ili keramičke cijevi od BeO.

87

Vrste plinskih cijevi „ „ „

S obzirom na način ugrađivanja elektroda, postoje: laserske cijevi s unutrašnjim i vanjskim elektrodama. Kod cijevi sa unutrašnjim elektrodama obje elektrode su ugrađene u lasersku cijev, koja je hermetički zatvorena i ispunjena plinom pod malim pritiskom. Kod drugog slučaja elektrode su mali prstenasti segmenti koji su navučeni na cijev, a pobuda se vrši pomoćuvisokofrekventnog generatora. 88

Shema gas lasera

89

Plinski laser „

„

Da bi se ostvarila laserska akcija, treba spriječiti fotone da suviše brzo ne napuste radni prostor (cijev), a one koje su izašli treba vratiti nazad, što se postiže postavljanjem cijevi između ogledala visoke refleksivnosti ovako nastaje optički rezonator 90

Plinski laser

91

Laserska cijev

92

Rezonator

93

Atomski laseri „

He-Ne Laser (Helium – Neon) Helium – Neon laser je prvi plinski-gasni laser sa kontinuiranim načinom rada. Ovaj plinski laser se sastoji od četiri energetska nivoa i on koristi atome helija da bi pobudio atome neona. Lasresku svjetlost proizvode atomski prelazi u neonu.

94

He-Ne laseri-nastavak Najčešće korišteni neonski prelazi u ovom laseru proizvode crveno svijetlo do 632,8 [nm]. Takodje, mogu da proizvedu zelenu i žutu svjetlost (vidljivu), kao i UV i IR (prvi He-Ne laser je radio u IR na 1152,3 [nm]).

95

He-Ne laseri-nastavak Prijenos energije sa atoma helija na atom neona i njegovo pobuđivanje (na sasvim određeni nivo) naziva se selektivnim pobuđivanjem. Jedan od pobuđenih nivoa helija na 20.61 [eV] je veoma blizu nivou u neonu na 20.66 [eV], tako blizu da se iznad sudara atoma helija i neona, energija prenosi sa atoma helija na atom neona 96

Prijenos energije sa atoma helija na atom neona

97

He-Ne laseri-nastavak „

„ „

Snaga koju ovi laseri proizvode je nekoliko desetina mW (mili-Watt ili 10-3 W). Oni nisu izvori velikih snaga laserskog svjetla. Najbitnija karakteristika lasera je da su oni jako stabilni, kako u uslovima njihove talasne dužine (stabilan način rada), tako i kod jačine njihovog izlaznog svjetla (malo treperenje u energetskom nivou). 98

Korištenje He-Ne lasera „ „ „

Zbog ovih razloga, He-Ne laseri se ćešće koriste za stabilizaciju drugih lasera, Koriste u aplikacijama, ako što je holografija, gdje je veoma bitan stabilan način rada. Sve do srednjih devedesetih godina, He-Ne laseri su bili dominantan tip lasera proizvedenih za uptrebu pri malim snagama – za određivanje dometa, skeniranje, laserski pokazivači, itd. Ipak, ostali tipovi lasera, kao što su poluprovodnički laseri, su pobjedili, zbog manjih troškova. 99

Dijelovi He-Ne lasera „

He-Ne laser se sastoji od: „

„

staklene čahure (glass envelope), u kojoj se nalazi mješavina He-Ne gasova, uglavnom u odnosu 5:1 na malom pritisku (približno 300 [Pa]); uske (2 do 3 [mm]) epruvete (laser bore tube), na kojoj se nalaze ogledala, od kojih je jedno ravno i visoko reflektivno (high reflector), a drugo je konkavno i oko 1% propusno (output coupler). Između ovih ogledala se nalaze elektrode, katoda (cathode) i anoda (anode). 100

Šematksi prikaz He-Ne lasera

101

Fotografija lasera „

„

komercijalni He-Ne laser, koji proizvodi malu snagu od oko nekoliko [mW] od 632.8 [nm] sa širinom snopa od nekoliko milimetara, sa cjelokupnom efikasnošću od oko 0.1 [%], što znači da laser za 1 [W] ulazne snage sa izvora napajanja, proizvede 1 [mW] laserskog svjetla. Ali ipak, ovi laseri zbog njihovog dugog vijeka trajanja, oko 20000 sati ili više, i njihovih relativno niskih proivodnih cijena, spadaju među najpopularnije plinske lasere 102

Izgled lasera

103

Jonski laseri 1 „

Jonski laseri se razlikuju od ostalih plinskih lasera po svojim karakteristikama koje omogućuju da se stvori snažni laser sa kontinuiranim režimom rada u vidljivom i ultraljubičastom području spektra.

104

Jonski laser 2 „

Bazični proces jonskog lasera uključuje energetska stanja dobivena u plinskom izboju dvostepenim procesom u kojem se neutralni atom najprije ionizira direktnim sudarom sa elektronom, a zatim se pozitivni ion pobudi na različite energetske nivoe odgovarajućim sudarima sa elektronima. 105

Jonski laser 3 „

„

Jonski laseri proizvode veliki broj laserskih talasnih dužina velike snage koji se protežu od ultraljubičastih, preko vidljivih u skoro infracrveni dio spectra. Skoro svi komercijalni vidljivi laseri proizvedeni danas su CW (Continual Wave - kontinuirani način rada) argonski ili kriptonski laseri 106

Jonski laser „

Teži se ka usavršavanju ovih vrsta da bi se postigao izuzetno pouzdan životni vijek jonskih lasera sa najboljom optičkom stabilnosti, najnižim optičkim zvukom i maksimalnim dometom talasne dužine. 107

Kraj drugog dijela „

Nastavak

Laserske tehnologije 3

108