(Pra)początki

Byłoby niemożliwym wymienić wszystkie zastosowania lasera

Quas [laser] habeat utilitates admixtum aliis, inmensum est referre

Pliniusz Starszy, Naturalis Historia, XXII, 49

Arkesilaos i kupcy, połowa VI w. p.n.e.

470-375 p.n.e.

322-277 p.n.e.

250-246 p.n.e.

Laser – 60 lat temu

Maser – Townes 1955

pompowanie optyczne w gazie: Gordon Gould (U.S. patent 4,161,436), Charles Townes and Arthur Schawlow (Phys. Rev. 112, 1940 (1958))

Ali Javan (Bell Labs) "Possibility of producing negative temperature in gas discharge", Phys. Rev. Lett. 3, 87 (1959)

J. H. Sanders (Oxofrd, Bell) "Optical maser design", Phys. Rev. Lett. 3, 86 (1959)

16 maja 1960, Theodore Maiman, Hugher Research, pierwszy laser (rubinowy)

13 grudnia 1960, Javan, Benett, Herriott, pierwszy laser He-Ne, 1153 nm

1962, pierwszy czerwony He-Ne

1963, CO2 10,6 mm, 1965 – 200 W CW

14 lutego 1964, argonowy 488 nm

1966, 50 kW CO2

Początki

26 kwietnia 1951, Franklin Park, Washington

Townes

Townes Square, Downtown, Greenville

Labbook Townesa, 11 maja 1951

Labbook Townesa

Apparatus for obtaining short microwaves from excited atomic or molecular system

Gas [in] room temp. or hotter

Ground or unwanted so later deflected by magnetic or electric field as in molecular beam spectroscopy

electro- magnetic field (energy determined by molecules)

smal l hole for obtaining useful radiat ion

emerging molecules pumped off of frozen out

Laser – początki

James Gordon i Charles Townes przy drugim działającym maserze wykorzystującym wiązkę cząsteczek amoniaku do wzmocnienia mikrofal o długości fali 1,25 cm

LASER po raz pierwszy – Gordon Gould (TRG)

Some rough calculations on the feasibility of a LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

Theodore (Ted) Maiman

16 maja 1960

poniedziałek

Hughes Laboratories

Theodore (Ted) Maiman

In this laboratory an optical pumping technique has been successfully applied to a fluorescent solid resulting in the attainment of negative temperatures and stimulated optical emission at the wave-length of 6943 Å.

Under very intense excitation the population of this metastable state (2E) can become greater that that of the ground-state; this is the condition for the negative temperatures and consequently amplification via stimulated radiation.

Początki

Pierwszy laser po 40 latach - rekonstrukcja

Początki

Pierwszy laser He-Ne, Javan, Benett, Herriott, 1961, Bell Labs

Młodość

Pierwszy laser argonowy, Bell Labs

W Polsce (WAT)

Pierwszy polski laser (He-Ne), 20 sierpnia 1963, Puzewicz, Dzięciołowski

Wiek dojrzały

półprzewodniki

1962 – pierwszy laser

półprzewodnikowy

oparty na GaAs (GE,

IBM, MIT)

1963 – laser oparty o

heterozłącze

półprzewodnikowe

1975 – pierwsza

komercyjna dioda

laserowa pracy ciągłej

działająca w

temperaturze pokojowej

1979 – VCSEL

1996 – GaN

atomy i światło

1961 – druga

harmoniczna

1964 – maser i pomiar

promieniowania tła

1967 – separacja

izotopów (bromu)

1970 – penseta

optyczna

1985 – pułapkowanie i

chłodzenie atomów

1995 – BEC

2000 – optyczne

grzebienie częstości

medycyna

1961 – pierwsza operacja

(siatkówki)

1987 – operacja rogówki

1998 – LASIK

komunikacja

1965 – płyta CD

1968 – pierwszy laser

w kosmosie

1970 – pierwsza laserowa

latarnia morska

1971 – komercyjny

światłowód (Corning)

1974 – kod kreskowy

1977 – telefonia

1982 – fotolitografia

1988 – kabel pod oceanem

1995 – GPS

© The Nobel Foundation 2006

Nagrody Nobla

1964: Charles H. Townes, Alexander M. Prokhorov i

Nicolay G. Basov za "fundamentalne prace z dziedziny

elektroniki kwantowej, które doprowadziły do skonstruowania

oscylatorów i wzmacniaczy opartych na zasadzie masera-lasera",

1966: Alfred Kastler za "odkrycie i rozwinięcie metod optycznych

pozwalających badać rezonanse Hertza w atomach",

1971: Dennis Gabor za "wynalezienie i rozwinięcie holografii" ,

1981: Arthur Schawlow i Nicolaas Bloembergen za "wkład w rozwój spektroskopii laserowej",

1997: Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji i William D. Phillips za "rozwój metod

pułapkowania i chłodzenia atomów przy pomocy światła laserowego",

2000: Zhores I. Alferov i Herbert Kroemer za "podstawowe prace w dziedzinie technologii

informatycznych i komunikacyjnych" oraz "rozwinięcie heterostruktur do zastosowań w

ultraszybkiej optoelektronice",

2001: Eric Cornell, Carl Wieman i Wolfgang Ketterle za “osiągnięcie kondensacji Bosego-

Einsteina w gazie",

2005: John L. Hall i Theodor W. Hansch za "wkład w rozwój precyzyjnej spektroskopii

laserowej, w tym optycznych grzebieni częstości",

2009: Charles K. Kao, Willard S. Boyle, and George E. Smith "za przełomowe osiągnięcia w

technologii przesyłania informacji włóknami światłowodowymi".

Oddziaływanie foton - atom

założenia: • jeden atom dwupoziomowy

• wnęka rezonansowa (rezonator) dla światła

• wybieramy 1 mod rezonatora (u – objętość modu)

• emisja spontaniczna (spontaneous emission)

pole EM

21

2 121 2

/

2 2 2( ) 0 0 sptA t

sp

dN dNA N

dt dt

N t N e N e

- czas spontanicznego zaniku populacji w stanie górnym

Emisja spontaniczna

dla dużej liczby atomów początkowo w stanie wzbudzonym

- spontaniczny

czas zaniku

fluorescencji

(0)N

( )spN p t N

sp

dNp N

dt

( ) (0) (0)sp spp t tN t N e N e

sp

N(t)

t

Oddziaływanie światło – atom, pozostałe procesy • absorpcja (absorption)

pole EM

szybkość

absorpcji

• emisja wymuszona (stimulated emission)

pole EM pole EM

szybkość emisji

wymuszonej 1 2

21 2

dN dNB u N

dt dt

2 112 1

dN dNB u N

dt dt

Wzmocnienie światła

pole wejściowe

pompowanie

ośrodek wzmacniający

pole wyjściowe

wzmacniacz idealny :

wzmocnienie G>1

wzmacniacz rzeczywisty:

wzmocnienie

pasmo

zmiana fazy

szum

nasycenie

pompowanie

( ) ( )out inE t G E t

( )inE t ( )outE t

Wzmocnienie światła – równania populacji

obsadzenia poziomów

absorpcja

emisja wymuszona prawdopodobieństwo przejścia jednego atomu z poziomu

1 do poziomu 2 z absorpcją fotonu (na jednostkę czasu)

liczba zaabsorbowanych fotonów na jednostkę

czasu w jednostkowej objętości

liczba fotonów wyemitowanych w skutek emisji wymuszonej

na jednostkę czasu w jednostkowej objętości

bilans fotonów w wiązce:

inwersja obsadzeń (population inversion)

1 2,N N

3

1[ ]cm

2 1i i in N W N W N W

3

1[ ]cm

1 iN W

2 iN W

( )iW

in out

2 1N N N

id NWdz

( ) ( )i

dN W N

dz

0 ( ) ( )

d

dz

Wzmocnienie światła

współczynnik wzmocnienia

nienasyconego

wzmocnienie światła

tłumienie (absorpcja przeważa)

ośrodek jest przeźroczysty

0 ( ) ( )d

dz

2

0 ( ) ( ) ( )8 sp

N N g

1[ ]cm

0 ( )( ) (0)

zz e

0 ( )( ) ( , ) ( ,0)

zI h I z I e

0N

0N

0N

z

0 0

0 0

rezonatory optyczne, 1

Optyka geometryczna: rezonator stabilny kiedy promień nie „ucieka” z luster (jego odległość od osi jest zawsze mniejsza niż promień mniejszego lustra.

komórka elementarna

=

rezonatory optyczne, 2

warunek stabilności rezonatora (w podejściu opt. geometr.)

komórka elementarna

=

rezonatory optyczne, przykład 1

11 /L R

21 /L R

Najprostszy rezonator

dwu-zwierciadlany

rezonatory optyczne, przykład 2

rezonator typu Z

0,0

0,5

1,0

1,5

0 500 1000 1500

0,0

0,5

1,0

1,5

0 500 1000 1500

645 650 6550,00

0,05

0,10

0,15

[m

m]

a)

b)

z [mm]

[

mm

]

c)

z [mm]

d)

obszary stabilności

promień wiązki

d3=900mm

laser, 3

progowa szybkość

pompowania

PtP

mo

c w

yjś

cio

wa

„slope efficiency”

Szerokość pasma wzmocnienia

wzmocnienie zależy od

częstości; maksymalne dla

- szerokość linii (pasma) wzmocnienia

0 0 0

1( ) ( )g

przykłady: wzm. He-Ne,

wzm. szafirowy,

He-Ne

szafir

90.633 1.5 10 m Hz m

140.8 10 m Hz m

0.002nm

200nm

c

2

2

c

c

Równania bilansu obsadzeń

• 2 poziomy, bez przejść wymuszonych, bez pompowania

rozwiązania stacjonarne

2 21 20

1 1 1

2

2

2

22 1

21 1

1

1 1

dNN

dt

dNN N

dt

1 2 0dN dN

dt dt

1 1 2 0 N N

1 2 10, 0 N N

• 2 poziomy, bez przejść wymuszonych, z pompowaniem

rozwiązanie stacjonarne

- szybkość pompowania poziomu i iR 3

1[ ]cm s

2 22

2

2 1 21

1 21

dN NR

dt

dN N NR

dt

10 2 1 2 2 1 1

21

( ) ( ) (1 )N N N R R

Równania bilansu obsadzeń

rozwiązania stacjonarne procesy wymuszone

zmieniają (niszczą)

inwersję obsadzeń

• w dobrych ośrodkach wzmacniających

przejścia wymuszone równie prawdopodobne jak przejścia spontaniczne

• 2 poziomy, pełne zagadnienie ( )iW

2 22 2 1

2

2 1 21 2 1

1 21

i i

i i

dN NR N W N W

dt

dN N NR N W N W

dt

0

22 1

21

1

1

s i

s

NN

W

lim 0 iW

N

20 21 2 20 2 21s

0

21

1 1 1

2dla i

s

W N N

Rzeczywiste schematy pompowania

• schemat 3 - poziomowy

(gęstość atomów)

(stan podstawowy)

przybliżenie:

musimy ponad połowę atomów przenieść na poziom 2

1 2 3N N N N

1 2R R R

1

32 30 0N

2 21 2 1

21

1 2

i i

dN NRN N W N W

dt

N N N

2 1 22N N N N N

202

NN N

nienasycona inwersja obsadzeń

małe małe

duże

iW 210

31

1

1

RN

R

0

21

10N R

0

1 s i

NN

W

?s

Rzeczywiste schematy pompowania

rozwiązania stacjonarne

• małe , zaniedbujemy przejścia wymuszone pomiędzy

poziomami 1 i 2

• schemat 4 – poziomowy (najlepszy)

32 2 3( 0)N

2 20

2

1 2 1

21 1

0 1 2

i

i

dN NRN NW

dt

dN N NNW

dt

N N N N

0 :idN

dt

10 2

21

1N R

10 1 21

21

0 1N

10

21

0 2

10 21

1

1 ( )N NR

R

Metody pompowania ośrodków wzmacniających

• wyładowanie elektryczne w gazie (He-Ne, Ar, He-Cd, CO2)

dioda

laserowa

kryształ (Nd:YAG)

• wiązka innego lasera (Nd:YAG, włókna)

• reakcja chemiczna (HF)

• lampy błyskowe (Nd:YLF)

HR@laser (1064 nm)

HT@pump (532 nm)

OC

Wybrane ośrodki wzmacniające

J – poszerzenie jednorodne

NJ – poszerzenie niejednorodne

2

0 0[ ] [ ] spm cm n m

130.6328 1 10 0.7 1.5 1 NJ s GHzm

200.6943 2 10 3 60 1.76 J ms GHz

191.064 4 10 1.2 120 1.82 J ms GHz

201.06 3 10 0.3 3 1.5 NJ ms THz

211.55 6 10 10 4 1.46 J/NJ ms THz

160.56-0.64 2 10 3 5 1.33 J/NJ ns THz

190.66-1.18 3 10 3.2 100 1.76 J s THzm

1810.6 3 10 2.9 60 1 J MHz

120.515 3 10 10 3.5 1 J ns GHz

He-Ne

3+

2 3Rubin Cr :Al O

)3+

3 2 12Nd :YAG (Y Al O

3+Nd :

3+Er :

2 3Ti:Al O szafir

2CO

+Ar

szkło

włókno

RhGG (barwnik)

Przykład rzeczywistego schematu pompowania – Nd: YAG

4 - poziomowy 1253

3 : OAlYNd

poszerzenie jednorodne 120 GHz

praca ciągła (CW) bądź impulsowa

pompowanie: lampy błyskowe, lasery diodowe

mikroobróbka laserowa, 1

fs laser

Wynik zależy od:

• materiału

• długości fali światła

• natężenia

• czasu trwania impulsu

Materiały:

• polimery

• metale

• półprzewodniki

• szkła

• ceramika

• kompozyty

Mechanizmy:

• termiczny

• „fizyczny”

• „chemiczny”

mikroobróbka laserowa, 2

Źródła:

Szczeliny 40 mm w cyrkonii o grubości 100 mm

skrzydło motyla

mikroobróbka laserowa, 3

produkcja stentów

mikroobróbka laserowa, 4

światłowody w szkle

BHP laserów, 1

a b

c d

oczy

BHP laserów, 2

a b

c d

oczy

NIF, 1

National Ignition Facility

200MJ, 4ns 500TW =5x1014W

192 wiązki laserowe

cel = laserowa fuzja termojądrowa

2 3 4 1

1 1 2 1D T He n

NIF, 2

NIF, 3

laser

deformowalne lustro

3

kryształ KDP

The deuterium-tritium

L function (minimum

neτE needed to satisfy

the Lawson criterion)

minimizes near the

temperature 25 keV

(300 million kelvins).

Inertial confinement fusion

NIF, 4

NIF, 5

komora

hohlraum

podstawy fachu zegarmistrza

oscylator przekładnia licznik/wyświetlacz

historia zegarmistrzostwa, 1

DennisD McCarthy, Evolution of time scales from astronomy to physical metrology, Metrologia 48 S132-S144 (2011)

historia zegarmistrzostwa, 2

Początek 20 wieku: pierwsze zegary elektryczne

1929: pierwszy zegar kwarcowy

1955: atomowy zegar cezowy L. Essen, NPL

definicja sekundy i metra

Od 1967: 1 second = the duration of 9 192 631 770 periods of the radiation corresponding to the transition between the two hyperfine levels of the ground state of the caesium 133 atom.

Od 1983: The metre is the length of the path traveled by light in vacuum during a time interval of 1/299,792,458 of a second.

mikrofalowy zegar cezowy

N

S

microvawe cavity

detektor

counter stabilność zegara cezowego jest ograniczona bo: • poszerzenie dopplerowskie • skończony czas oddziaływania

oven N

S

F=4

F=3

133Cs

dlaczego optyczny zegar atomowy?

Allan, D. W. Statistics of atomic frequency standards, Proc. IEEE 54, 221-230 (1966).

Jak zliczać oscylacje? • łańcuchy częstości • optyczny grzebień częstości

jak dobre są zegary atomowe?

N. Hinkley, et al., An atomic clock with 10-18instability, Science Express, Aug. 22, 2013 pozostałe: P. Delva, J.Lodewyck, Atomic clocks: new prospects in metrology and Geodesy, arXiv:1308.6766v1

Sr

po co nam lepszy zegar?

T. Roseband et al., Science 319, 1808-1811 (2008) Polski Optyczny Zegar Atomowy

Optyczny Grzebień Częstości (OGC), 1

I(f)

fCE

f fr

f

fc

T=1/fr

Jak mierzyć fCE?

0

x2

stabilizacja częstości grzebienia

wzorzec częstości

laser pompujący

AOM PF

laser fs

Jak mierzyć częstość lasera?

laser fs

stabilny laser

wyjście RF

f

fl

fb

fk

Lasery ekscymerowe

odległość jąder

energ

ia

Laser Centurion

wojsko

Northrop Grumman Corporation (NYSE:NOC) has produced the most powerful light ray yet created by an electric laser, measured at more than 105 kilowatts (kW)

7x15kW

Lasery półprzewodnikowe

wielkość [m]

czas [s]

jądro atomu

atom

cząsteczka

komórka

człowiek

planeta

Wszechświat

100 1010 10-10 10-5 105

10-20

10-15

10-10

10-5

100

105

1010

1015

1015 10-15 1020 1025

przejścia oscylacyjne, dE=meV -> fs

przejścia elektronowe, dE=eV -> as

Ultrakrótkie impulsy laserowe – szkic historii

1878: Muybridge – fotografia

1899: Abram, Lemoigne – komórka Kerra

1955: Harold Edgerton (ms)

1963: pierwsze obserwacje synchronizacji modów

w laserze rubinowym, Guers, Mueller

w laserze He-Ne, Statz, Tang

1966: laser barwnikowy, Schäfer et al.

1970 – 10 ps

1980 <100 fs

1985(7) – 10 fs

1974: Sub-ps-pulses, Shank, Ippen [16].

1985: Chirped Pulse Amplification, Strickland, Morou, [27].

Ultrakrótkie impulsy laserowe – szkic historii

1986: Laser szafirowy, P. F. Moulton [28].

impulsy rzędu 100 fs

- technika pompa-sonda (pump-probe)

- pakiety falowe w cząsteczkach, A. Zewail

1987: 6 fs @ 600 nm, zewnętrzna kompresja, Fork et al. [18, 19].

1991: Kerr-lens modelocking, Spence et al. [32, 33, 34, 35, 36].

impulsy rzędu kilku fs

- samomodulacja fazy (SPM)

- poszerzanie widma i kompresja

1974: Ippen włókno z CS2 , nJ

1978: Stolen, Lin włókno jednomodowe, nJ

1996: Nisoli włókno z gazem, mJ

Ultrakrótkie impulsy laserowe – szkic historii

era pikosekundowa 10 ps -> 100 fs 15 lat

era femtosekundowa 100 fs -> 5 fs 18 lat

era aattosekundowa 5 fs ->... >15 lat

2000: Corkum, attosekundy generacja wysokich harmonicznych (HHG),

model 3-stopniowy

2001: 5 fs, poniżej dwóch cykli optycznych, oktawa, Ell et al.[42]

2001: 250 as, generacja wysokich harmonicznych, Krausz et al.[43]

2006: Sansone, pojedynczy impuls 160 as

Ultrakrótkie impulsy laserowe – szkic historii

© Erich Ippen

Ultrakrótkie impulsy laserowe – szkic historii