vrste laserjev - university of...
TRANSCRIPT
Osnove laserske tehnike
Vrste laserjev
Parametri laserskih izvorov
Plinski laserji
Trdninski laserji
Polprevodniški laserji
Vlakenski laserji
1
Osnove laserske tehnike
Parametri laserskih izvorov
2
Optični parametri:
Valovna dolžina
Način delovanja: kontinuirno (CW) / bliskovno
Izhodna moč / energija
Čas bliska, frekvenca ponavljanja bliskov
Kvaliteta žarka (premer, rodovna struktura, divergenca)
Ostalo:
Izkoristek
Zahtevnost vzdrževanja
Življenska doba
Velikost
Osnove laserske tehnike
Plinski laserji
3
He-Ne laser
CO2 laser
Ekscimerni laser
Osnove laserske tehnike
Skupne značilnosti plinskih laserjev
4
Aktivna snov je plin (mešanica)
Črpanje:
Z razelektritvijo
Kemično
Kompresija/ekspanzija plina (redkeje)
Dobra kvaliteta žarka (tudi pri večjih močeh)
Valovne dolžine v IR, vidnem in UV področju
Osnove laserske tehnike
He-Ne laser
5
Osnove laserske tehnike
Značilnosti He-Ne laserjev
6
Aktivna snov je plinska mešanica: 85% He – črpalni in hladilni medij
15% Ne – laserski medij
Črpanje z razelektritvijo
Valovne dolžine:
543.5, 594, 604, 612, 632.8 (najpogostejša), 1150 in 3390 nm
Kontinuirno delovanje
Izhodna moč: 0.5-100 mW
Visoka kvaliteta žarka: TEM00
Dolga življenska doba: do 50,000 ur
Dolžina resonatorja: 0.1-1 m
Osnove laserske tehnike
Črpanje He-Ne laserja
7
1: vzbujanje elektronov z razelektritvijo 2: vzbujanje helija na metastabilni nivo preko trkov z elektroni 3: vzbujanje neona na zgornji laserski nivo preko trkov z
vzbujenimi He atomi
Vzbujanje He: Po prenosu energije s He na Ne:
Metastabilni nivo helija
Helij Neon Helij Neon
Vzbujanje He atomov s trki elektronov v plazemskem obloku
Vzbujanje Ne atomov s trki med vzbujenimi He atomi
Osnove laserske tehnike
Energijski diagram He-Ne laserja
8
Osnove laserske tehnike
Shema He-Ne laserja
9
Katoda
Izstopno zrcalo (prepustno 1%)
Rezervoar He-Ne plina (p=~0.003 bar)
Anoda
Zadnje (100%) zrcalo
Kapilara, ki določa razelektritveno območje
Električno napajanje
balastni upor cca 1000 V
zagon
delovanje
Osnove laserske tehnike
Zgradba He-Ne laserja
10
Osnove laserske tehnike
Zgradba He-Ne laserja
11
Osnove laserske tehnike
Uporaba He-Ne laserjev
12
Zaradi visoke kvalitete žarka se uporablja predvsem v merilni tehniki:
Interferometrija
Čitalci črtnih kod
Lasersko uravnavanje in niveliranje
V zadnjem času jih izpodrivajo polprevodniški laserji
Osnove laserske tehnike
CO2 laser
13
Osnove laserske tehnike
Značilnosti CO2 laserjev
14
Aktivna snov je plinska mešanica (1:1:8):
CO2 (laserski medij)
N2 (črpalni medij)
He (hladilni medij)
Črpanje z razelektritvijo
Valovne dolžine v IR območju (~9-11 mm -prevladuje 10.6 mm)
Kontinuirno in bliskovno delovanje
Izhodna moč: >10 kW
Kvaliteta žarka: eno in večrodovna struktura
Dober izkoristek: do 30%
Velikost: narašča z močjo – od 0.3 m do >2 m
Osnove laserske tehnike
Notranja energija molekul
15
Notranjo energijo molekul sestavljajo trije prispevki:
Notranja energija atomov (Wat) – razporeditev elektronov po energijskih lupinah
Energija nihanja atomov okrog težišča molekule (Wnih)
Energija rotacije molekule okrog njenega težišča (Wrot)
Vsi trije prispevki so kvantizirani!
Osnove laserske tehnike
Aktivna snov - CO2 molekule
16
Molekula CO2 ima tri lastne nihajne oblike:
Osnove laserske tehnike
Aktivna snov - CO2 molekule
17
Pri CO2 laserju se izkorišča energijske prehode med vibracijskimi stanji molekul:
simetrične oblike
upogibne oblike
asimetrične oblike
Ener
gija
(eV
)
Osnove laserske tehnike
Energijski diagram CO2 laserja
18
1: vzbujanje elektronov z razelektritvijo 2: vzbujanje N2 na metastabilni vibracijski nivo preko trkov z
elektroni 3: vzbujanje CO2 na zgornji laserski nivo preko trkov z vzbujenimi N2
molekulami
Osnove laserske tehnike
Izvedbe CO2 laserjev
19
Zaprta izvedba
Izvedbe z aksialnim pretokom plina
aksialna razelektritev
transverzalna razelektritev
Izvedbe s transverzalnim pretokom plina
Osnove laserske tehnike
CO2 laser – zaprta izvedba
20
Osnove laserske tehnike
CO2 laser z aksialnim pretokom in aksialno razelektritvijo
21
Osnove laserske tehnike
CO2 laser s transverzalnim pretokom in razelektritvijo
22
Osnove laserske tehnike
CO2 laser s transverzalnim pretokom in razelektritvijo
23
Osnove laserske tehnike
TEA – CO2 laser
24
TEA – Transversely Excited at Atmospheric pressure
Kot že ime pove, ti laserji delujejo pri visokem tlaku (>=1 bar)
Z zviševanjem tlaka se povečuje izhodna moč na volumen plina.
Zaradi nestabilnosti razelektritve pri višjih tlakih (nad 13.3 kPa) delujejo v bliskovnem načinu.
Zaradi visoke prebojne električne jakosti pri atmosferskem tlaku (cca 1.2 kV/mm), se uporablja le prečno razelektritev.
Ti laserji dosegajo visoko energijo na enoto volumna aktivne snovi (do 50 J/liter).
Osnove laserske tehnike
Shema TEA – CO2 laserja
25
Osnove laserske tehnike
Uporaba CO2 laserjev
26
Obdelava materialov
rezanje
vrtanje
varjenje
…
Medicina
rezanje in ablacija tkiva
Pri obdelovalnih procesih jih zaradi ustreznejše valovne dolžine postopoma izpodrivajo trdninski (Nd:YAG) in vlakenski laserji.
Osnove laserske tehnike
Ekscimerni laserji
27
Osnove laserske tehnike
Značilnosti ekscimernih laserjev
28
Osnove laserske tehnike
Energijski diagram KrF laserja
29
Osnove laserske tehnike
Značilnosti ekscimernih laserjev
30
Osnove laserske tehnike
Shema ekscimernega laserja
31
Konstrukcija je podobna TEA laserju - transverzalna razelektritev in pretok plina.
Osnove laserske tehnike
Uporaba ekscimernih laserjev
32
Obdelava materialov
visoka absorbcija UV svetlobe, visoka energija bliskov
Fotolitografija
visoka ločljivost zaradi kratke valovne dolžine
Medicina
visoka absorbcija UV svetlobe in posledično majhna vdorna globina
Kot svetlobni izvor pri optičnem črpanju nekaterih laserjev
Osnove laserske tehnike
Trdninski laserji
33
Nd:YAG
Nd:steklo
Rubinov laser
Osnove laserske tehnike
Nd:YAG laser
34
Osnove laserske tehnike
značilnosti Nd:YAG laserjev
35
Aktivna snov je YAG kristal (itrijev aluminijev granat - Y3Al5O12), ki so mu dodane primesi Nd3+
Valovna dolžina: 1064 nm – uporabni so isti optični elementi kot za vidno svetlobo
Nekatere izvedbe uporabljajo nelinearne kristale za podvojevanje oziroma potrojevanje frekvence svetlobe (valovni dolžini 532 in 355 nm)
Optično vzbujanje (bliskavke, polprevoniški laserji, …) Možno je kontinuirno ali bliskovno delovanje Bliskovni načini: prosta generacija, preklop kvalitete ali
uklepanje rodov izhodna moč (povprečna): do nekaj kW Izkoristek: ~1% (vzbujanju z bliskavico) do 30% (vzbujanje s polprevodniškim laserjem)
Osnove laserske tehnike
Energijski diagram Nd:YAG laserja
36
Nd:YAG je štirinivojski sistem, zato je inverzna populacija dosežena že pri majhni moči črpanja.
Osnove laserske tehnike
Shema Nd:YAG laserja
37
bliskavica
aktivna snov
Q preklopnik (opcijsko) reflektor za svetlobo bliskavice
zadnje ogledalo
delno prepustno ogledalo
Prožilni pulz
El. napajanje
kondenzator dušilka
Osnove laserske tehnike
Konfiguracije bliskavke in laserske palice
38
Osnove laserske tehnike
Nd:YAG laserski izvor kot sistem
39
Osnove laserske tehnike
Primerjava črpanja z bliskavico in polprevodniškim laserjem
40
Osnove laserske tehnike
Črpanje s polprevodniškim laserjem vzdolžna konfiguracija
41
Osnove laserske tehnike
Črpanje s polprevodniškim laserjem prečna konfiguracija
42
Osnove laserske tehnike
Uporaba Nd:YAG laserjev
43
Obdelava materialov
rezanje, vrtanje, varjenje, označevanje, dolbenje, krivljenje, …
v primerjavi s CO2 laserjem se svetloba bolje absorbira v materialu
Medicina
dermatologija, kirurgija, estetika, …
Osnove laserske tehnike
Laser Nd:steklo
44
Nosilec Nd3+ ionov je lahko tudi steklo,
je izotropno, poceni in enostavno za izdelavo,
valovna dolžina: 1054 do 1062 nm,
aktivna snov ima večje optično ojačanje kot Nd:YAG,
ima slabo toplotno prevodnost, zato ni mogoče kontinuirno delovanje ali bliskovno z repeticijo večjo od nekaj Hz,
uporablja se predvsem za ojačevalnike v laserjih velikih energij (do 5000 J) vendar z majhno repeticijo.
Osnove laserske tehnike
Rubinov laser
45
Osnove laserske tehnike
Rubinov laser - značilnosti
46
Prvi delujoči laser (1960), a se danes bolj redko uporablja.
Aktivna snov je kristal rubina (Al2O3) z ~0.05% primesi kroma, ki kot Cr3+ zaseda mesta Al3+ v kristalni rešetki.
Rubin absorbira svetlobo v modrem in zelenem delu spektra in emitira svetlobo v rdečem delu spektra (692.7 in 694.3nm).
3 nivojski sistem: prag inverzne populacije je razmeroma visok, zato je potrebno intenzivno črpanje.
Slab izkoristek – potrebno intenzivno hlajenje.
Komercialni modeli delujejo bliskovno– razmeroma nizke povprečne moči (nizka repeticija).
Prosta generazija: energije do 400 J/blisk,
Preklop kvalitete: energije do 10J/blisk, vršna moč do 10MW/blisk
Osnove laserske tehnike
Rubinov laser – energijski diagram
47
Osnove laserske tehnike
Rubinov laser – uporaba
48
Holografija – zaradi visoke energije bliskov in velike koherenčne dolžine je možna osvetlitev holografskih plošč z enim samim bliskom.
Medicina – odstranjevanje tattoojev.
Osnove laserske tehnike
Polprevodniški laserji
49
sopomenki:
diodni laserji
laserske diode
Osnove laserske tehnike
Polprevodniški laserji – značilnosti
50
Aktivna snov: polprevodniški materiali (GaAs, AlGaAs, InP, …)
Valovna dolžina: najpogosteje med 0.5 in 1.55mm.
Črpanje: električno
Kontinuirno delovanje (možno tudi bliskovno, vendar vršna moč ni bistveno višja)
Izhodna moč: od mW do W
Visok izkoristek: cca 50%
Majhna velikost: <1mm !!!
Osnove laserske tehnike
Energijski pasovi v trdnih snoveh
51
Če so atomi medsebojno dovolj oddaljeni, njihovi elektronski ovoji ne vplivajo drug na drugega – diskretni črtni spektri.
Ko se atomi dovolj približajo (npr. ob kristalizaciji), začnejo njihovi elektronski ovoji vplivati drug na drugega.
Energijski nivoji se zato razširijo v pasove.
Energijski pasovi atoma
Ener
gija
ele
kto
no
v
Razdalja med atomi
Tipična razdalja med atomi (~1nm)
Osnove laserske tehnike
Valenčni in prevodni energijski pas
52
Za delovanje laserjev so najpomembnejši elektroni na zunanji lupini.
Ti lahko zasedajo dva energijska pasova: valenčni in prevodni pas
V valenčnem pasu so elektroni „trdno“ vezani k posameznim atomom.
V prevodnem pasu se lahko elektroni prosto gibljejo pod vplivom električnega polja (premikajo se od - proti +)
Prepovedan pas je območje energij, ki jih elektroni ne morejo zasesti.
Širina prepovedanega pasu določa energijo, ki je potrebna za prehod elektrona iz valenčnega v prevodni pas.
Prevodni pas
Valenčni pas
Ener
gija
Prepovedani pas
Osnove laserske tehnike
Struktura energijskih pasov snovi z različno električno prevodnostjo
53
Izolator in polprevodnik se razlikujeta v širini prepovedanega pasu.
Pri polprevodniku je potrebna majhna energija (EG~1eV) za prehod elektrona v prevodni pas (dovolj je gretje, da postane električno prevoden).
Osnove laserske tehnike
Primer polprevodnika – čisti silicij
54
Osnove laserske tehnike
Rekombinacija prostega elektrona in vrzeli v polprevodnikih
55
V polprevodniku lahko toplotna energija poruši katero od vezi. Nastane elektron, ki je prost in lahko sodeluje pri prevajanju el. toka.
Na mestu, kjer je bila porušena vez, nastane VRZEL (primankljaj elektrona).
V primeru zapolnitve vrzeli s prostim elektronom (REKOMBINACIJA) se lahko sprosti energija v obliki vibracij kristalne strukture (toplota), ali pa izseva foton energije EG=hn.
Oblika sproščene energije je odvisna od polprevodniške snovi (Silicij ne izseva fotonov!).
EG
Prevodni pas
Valenčni pas
hn = EG
Prosti elektroni
Vrzeli
Osnove laserske tehnike
Dodajanje primesi v polprevodnik pridobivanje prostih elektronov in vrzeli
56
Z zamenjavo nekaterih atomov v kristalni strukturi z atomi, ki imajo na zunanji lupini en elektron več oziroma manj, lahko spreminjamo koncentracijo prostih elektronov oziroma vrzeli in s tem prevodnost.
V primeru primesi, ki poveča število prostih elektronov, nastane n-tip polprevodnika (negativni naboj).
S primesjo, ki poveča število vrzeli, nastane p-tip polprevodnika (pozitivni naboj).
Osnove laserske tehnike
Primer polprevodnika P-tipa z manjkajočimi elektroni
57
Osnove laserske tehnike
Primer polprevodnika N-tipa z dodatnimi elektroni
58
Osnove laserske tehnike
PN spoj (dioda)
59
Osnove laserske tehnike
PN spoj polariziran v NEPREVODNI smeri
60
Osnove laserske tehnike
PN spoj polariziran v PREVODNI smeri
61
Osnove laserske tehnike
Energijski nivoji PN spoja
62
Osnove laserske tehnike
Snovi za polprevodniške laserje
63
Osnove laserske tehnike
Slika kristalne strukture galijevega arzenida
64
Osnove laserske tehnike
Polprevodniški laser kot 4-nivojski sistem
65
Osnove laserske tehnike
LED in laserska dioda
66
Osnove laserske tehnike
Laser z enojnim PN spojem
67
Osnove laserske tehnike
Homogena in heterogena struktura laserjev - princip
68
Osnove laserske tehnike
Heterostruktura prostorska omejitev nosilcev toka in fotonov
69
Bolj koncentrinano dovajanje el. toka v aktivno področje omogoča manjši vnos energije in posledično manjše segrevanje diode.
Heterostruktura - plasti različnih polprevodnikov z različnimi lomnimi količniki - zagotavlja, da se svetloba zaradi totalnega odboja širi le znotraj aktivnega področja.
Osnove laserske tehnike
Heterostruktura prostorska omejitev nosilcev toka in fotonov
70
Osnove laserske tehnike
Optične karakteristike žarka polprevodniškega laserja
71
Osnove laserske tehnike
Primer izvedbe laserske diode
72
Osnove laserske tehnike
Statična karakteristika laserske diode
73
Osnove laserske tehnike
Temperaturna karakteristika laserske diode
74
Osnove laserske tehnike
Temperaturna karakteristika (2) laserske diode
75
Osnove laserske tehnike
Občutljivost na statično elektriko
76
Osnove laserske tehnike
Polprevodniški laserji velikih moči
77
Osnove laserske tehnike
Polprevodniški laserji velikih moči osnovni gradnik
78
Osnove laserske tehnike
Polprevodniška laserska palica
79
Osnove laserske tehnike
Sklad polprevodniških palic
80
Osnove laserske tehnike
Vlakenski laserji
81
Osnove laserske tehnike
Vlakenski laserji princip delovanja
82
Osnove laserske tehnike
Vlakenski laserji notranja zgradba vlakna
83
Osnove laserske tehnike
Primer vlakenskega laserja manjše moči
84
Osnove laserske tehnike
Dinamika razvoja vlakenskih laserjev
85
Osnove laserske tehnike
Prednosti vlakenskih laserjev
86
Osnove laserske tehnike
Primerjava treh tipov obdelovalnih laserjev
87