Post on 19-Oct-2020
VRSTE LASERA
1
Podela lasera
2
Prema vrsti materijala od
kojeg je napravljen izvor:
Čvrstotelni laseri
Gasni laseri
Poluprovodnički laseri
Tečni laseri
Prema načinu pumpanja
aktivne (radne) sredine
laseri sa optičkim pumpanjem
(kristalni i tečni)
laseri koji se pumpaju
električnim pražnjenjem.
Hemijski laseri
Prema režimu rada:
Kontinualni
Impulsni laser
Prema oblasti spektra u kojoj
emituje svetlost:
Laseri u vidljivom delu spektra
Laseri u bliskoj infracrvenoj
oblasti
Laseri u dalekoj infracrvenoj
oblasti
X- laseri, zračenje u X- oblasti
1952. godine predložen princip generisanja i pojačavanja
elektromagnetskog zračenja ultravisokih frekvencija na bazi pojave
indukovanog zračenja
Ovo otkriće je doprinelo tome da se ostvari generator zračenja, vrlo
malih talasnih dužina
1960. godine – Prvi optički kvantni generator- aktivni materijal
sintetički rubin
LASER - Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
Laser na bazi rubina, kao aktivnog materijala, radio je u impulsnom
režimu rada, a njegovo zračenje je pripadalo crvenoj oblasti spektra
elektromagnetskog zračenja. Sama pobuda lasera je ostvarivana
snažnim svetlosnim izvorom .
Čvrstotelni laseri
Uvod-Kratak istorijski osvrt
1961. godine R. W. Hellwarth otkrio metod Q-switch za
koncentrisanje izlaza lasera na bazi rubina u jedan impuls
Q-prekidač je optički zatvarač koji sprečava laserski niz akcija
tokom impulsa blic lampi čime inverzna populacija može da
dostigne veliku vrednost
Prvi čvrstotelni neodimijumski laser otkriven 1961. godine bio je na
bazi kalcijum-tungstena (wolfram) dopiran jonima neodimijuma
Iste godine E. Snitzer demonstrirao je neodimijumski stakleni laser
Helijum-neonski laser
Uvod-Kratak istorijski osvrt
1962. godine dobijena su indukovana zračenja u poluprovodničkoj
diodi, laserska dioda, što je omogućilo konstrukciju lasera na bazi
čvrstotelnih materijala
Veliki broj aktivnih materijala
Generisanje posebnog zračenja na bazi kristala uz korišćenje jona
retkih zemalja
Generisani laserski zrak poseduje niz svojstava, kakva se ne mogu
naći u običnim izvorima zračenja.
Lasersko zračenje je koherentno u prostoru i vremenu,
monohromatsko, prostire se u vrlo uskom snopu velike gustine
energije, koje je smatrano čak i nedostižnom.
Ovo je omogućilo primenu laserskog zraka za ispitivanje različitih
materijala, za objašnjenje strukture atoma i molekula, da se utvrdi
priroda njihovog uzajamnog delovanja, ali i za utvrđivanje živih
ćelija u čovekovom i drugim živim organizmima.
Uvod-Kratak istorijski osvrt
Laserskim zrakom moguć je i prenos signala kao i realizovanje
veza između dalekih objekata
1963. godine ispitivana površina meseca. Laserski zraci iz žiže
teleskopa upućivani su u pravcu meseca u obliku snažnih impulsa.
Odbijeni zrak je oslabljen 10 puta i bio je dovoljan da se odredi
konfiguracija površine meseca.
Snažan podstrek razvitku laserske tehnike dalo je otkriće nekih
novih struktura materijala tzv. Heterostrukturnih slojeva što je
omogućilo konstrukciju lasera sa zračenjem u vrlo širokom opsegu
talasnih dužina
Sve ovo omogućilo je da se laseri sve više koriste u različitim
oblastima
Uvod-Kratak istorijski osvrt
7
Čvrstotelni Rubinski Laser
Radno telo je kristal rubina (Aℓ2O3) sa primesama hroma (Cr).
Atomi (joni) hroma uzrokuju postojanje metastabilnih energijskih
stanja u kristalu Aℓ2O3, neophodnih za postizanje inverzne
naseljenosti energijskih nivoa.
Oni, prema tome, imaju ključnu ulogu u procesu dobijanja laserske
svetlosti.
8
Čvrstotelni Rubinski Laser
9
Energetski nivoi rubinskog lasera su nivoi jona Cr3+ u rešetki kristala Al2O3.
Rubinski laser ima dve osnovne apsorpcione pruge 4F1 i 4F2 , čiji centri
su na talasnim dužinama 0,55m (zelena) i 0,42 m (ljubičasta).
Energetski nivoi
rubinskog lasera.
Prelazi sa tih traka na gornje laserske nivoe 2 E (2 A i E ) su neradijacioni i brzi.
Pošto su nivoi 2 A i E međusobno povezani brzom neradijacionom relaksacijom,
njihova naseljenost se termalizuje (rastojanje nivoa 2 A i E je malo u poređenju
sa kBT, tako da su njihove naseljenosti uporedljive, iako je naseljenost nivoa
E veća). Laserska generacija se može dobiti na dva prelaza R ( 1=0,6943 μm ) i
R 2 ( 2 =0,6928 μm ) sa nivoa E i 2 A na osnovni nivo 4F2 .
Rubinski laser uglavnom radi u impulsnom režimu.
Za pumpanje se koriste impulsne ksenonske lampe srednjeg pritiska (7104 Pa ).
Prečnik laserskog štapića je obično 5−10 mm, a dužina 5−50 cm.
U režimu modulacije dobrote snaga rubinskog lasera pri impulsu trajanja
10−20ns je 10−50 MW (snaga može biti i veća u režimu sinhronizacije modova,
vreme trajanja impulsa 10 ps daje snagu reda veličine nekoliko GW).
Pri pumpanju živinom lampom visokog pritiska rubinski laseri mogu raditi i u
neprekidnom režimu (snaga je reda 100 mW).
Laseri koji rade u neprekidnom režimu se obično hlade posebnim sistemom za
hlađenje.
Pošto rubinski laser obično radi po šemi tri nivoa njegova granična energija
pumpanja je za red veličine veća nego kod lasera koji rade po šemi četiri nivoa
(npr. Nd:YAG).
I pored toga, rubinski laser se još uvijek primenjuje u nekim naučnim
istraživanjima, npr. u impulsnoj holografiji i pri merenju rastojanja (uključujući i
laserske daljinomere za vojne svrhe)
10
YAG laser
11
Itrijum Aluminijum Garnet (YAG, sa hemijskom formulom Y3Al5O12) se ustalio kao
najproizvođeniji laser i od skoro uživa popularnost kao zamena materijala za optičke
komponente.
YAG je stabilna komponenta, mahanički čvrst, fizički jak, optički izotrpan i
transparentan od ispod 300 nm do iznad 4 mikrona.
Prvi objavljeni YAG materijal sa jonom Neodijuma (Nd3+) bio je u Bell Telephone
Laboratory 1964 godine.
YAG sistemi mogu da rade na višim prijemnim režimima, višim izlaznim energijama,
i da rade sigurnije od prve generacije rubinskih sistema, prvenstveno zbog termičke
stabilnosti i robusne prirode Nd:YAG materijala.
Dodatne primene, od kojih mnoge koriste kablovske prenosne sisteme, proširene su
da bi uključile sečenje, zavarivanje i bušenje metala u automobilskoj industriji,
obeležavanje i popravku poluprovodničkih materijala, kao i za medicinu i zubarstvo.
Ovo je implementirano uz pomoć lasera koji rade u opsegu od ultravioletnog do
blisko-infracrvenog zračenja, koristeći Holmijum (Ho3+), Tulijum (Tm3+), Erbijum
(Er3+), Iterbijum (Yb3+), Hrom (Cr3+).
12
Nd : YAG Neodimijumski laser
➢ Najčešće korišćeni čvrstotelni laser
➢ Tipičan predstavnik lasera sa 4 energetska nivoa
Za rad u impulsnom režimu
koriste se ksenonske
bljeskalice, a u neprekidnom
režimu kriptonske bljeskalice
visokog pritiska
Aktivnu sredinu ovog lasera
predstavljaju trostruko
jonizovani atomi neodijuma
(Nd+3)
Generišu zračenje na više
talasnih dužina
Energija elektrona se predaje
veoma brzo i efikasno kristalnoj
rešetci
13
Sistem ima 4 diskretna apsorpciona nivoa između elektronskih podnivoa 4I9/2 i 4F5/2 koji potiču od Nd
3+ jona u YAG kristalnoj rešetki.
Najznačajniji laserski prelaz se dešava između početnog stanja 4F3/2 i završava
se na 4I11/2 stanju, pri čemu emitovana svetlost ima talasnu dužinu od 1064nm.
Iz ovog stanja se atomi Nd relaksiraju opet u osnovno stanje 4I9/2 sve dok proces
pumpanja ne počne ponovo iz početka.
Relavantni energetski nivoi Nd:YAG-a
14
Brzi neradijativni relaksacioni procesi zajedno sa dugim vremenom života 4F3/2 stanja obezbeđuje visoku kvantnu efikasnost pri konverziji pumpane energije u
lasersku energiju na izlazu.
Kod neradijativnog prelaza energija elektrona se predaje veoma efikasno i brzo
kristalnoj rešetki, usled čega se kristal zagreva.
Metastabilni I nivoi su neuobičajeni u tome što imaju relativno dugo vreme života
od prlike 550 µs.
Inverzna populacija je potreban uslov za stimulisanu emisiju da bi postala
apsorpcija i prerasla u pojačanje svetlosti.
15
Hemijska formula Nd:Y3Al5O12
Težina % Nd 0.725%
Atoma % Nd 1.0%
Nd atoma/cm 1.38x1020
Energija fotona 1.061µm 1.86x10-19 J
Spektralna širina prelaza 0.45 nm
Srednje vreme života laserskog prelaza
(4F3/2→4I11/2)
550 µs
Presek za stimulisanu emisiju σ21=2.7-8.8x10-19 cm2
Srednje vreme života za relaksacioni prelaz sa
donjeg laserskog nivoa na osnovni nivo
Nd(4I11/2→4I9/2)
30 ns
Indeks prelamanja 1.82 (na 1.0 µm)
Gubici usled rasejanja αp≈0,002 cm-1
Termalna provodljivost 0,14 Wcm-1K-1
Fizička i optička svojstva Nd:YAG lasera.
16
Proizvodnja YAG-a
Rast YAG kristala se ostvaruje upotrebom procesom rasta
Čohralskog.
U ovom procesu YAG materijal i dopanti se tope u iridijumskoj
posudi koja se zagreva indukcijom i kristalni rast je pod kontrolom
računara.
Pošto se koncentracija Niodijuma povećava se dužinom kristala,
može se koristiti samo oko 25% istopljenog kristala.
Kada se jednom proces rasta završi, YAG kristal se polako hladi
kako bi se smanjila mogućnost oštećenja od visokih termalnih
udara.
17
Primena Nd:YAG lasera
Nd:YAG laseri imaju široku primenu u :
Medicini, kod operacije katarakte oka, u estetskim operacijama itd.
Industriji, gde se koriste za graviranje, nagrizanje, ili obeležavanje
različitih metala i plastika.
Većinom se koriste za zavarivanje i sečenje čelika, i drugih legura. Za
automobilsku industriju snage lasera su u dijapazonu od 1 do 5 kW.
Koriste se za označavanje ispod površine kod transparentnih materijala,
kao što je akrilno staklo.
Dinamici fluida, gde se meri brzina čestica fluida.
Vojsci, za lasersko navođenje projektila, merenje razdaljine objekta.
18
Performanse parametara čvrstotelnih
lasera
Najefikasniji svetlosni izvori zrače u širokim spektralnim oblastima
Aktivna sredina treba da ima jake apsorpcione trake i uzan
fluorescentni prelaz sa što većom kvantnom efikasnošću
Dielektrični kristali dopirani prelaznim elementima u dobroj meri
zadovoljavaju ovaj uslov
Čvrstotelni laseri obezbeđuju najsvestraniji izvor zračenja od svih
vrsta lasera
Širok opseg izlaznih parametara
19
Čvrstotelni laseri se koriste u raznim oblastima
Fleksibilnost čvrstotelnih lasera proizilazi iz činjenica da mnogi
parametri mogu da se menjaju
Prosečna izlazna snaga Većina čvrstotelnih lasera imaju izlaznu snagu ispod 20 W
Elektronska industrija predstavlja najveće tržište za aplikacije kao
što su lemljenje, skidanje i lepljenje žica, popravka memorija itd.
Koriste se i u medicini, čvrstotelni laseri sa snagom preko 5 kW
koriste se pri radu sa metalom, sa snagom od oko 100 kW u
procesu proizvodnje
Performanse parametara čvrstotelnih
lasera
20
Maksimalna snaga- Laseri koji rade u impulsnom režimu sa širinom impulsa reda 100 µs i
energijom od nekoliko Džula se koriste u procesu proizvodnje za bušenje
rupa. Maksimalna snaga ovih lasera je obično nekoliko desetina kilo wata.
Širina impulsa- Čvrstotelni laseri obuhvataju opseg rada od kontinualnog režima do
impulsnog kao i kratak ciklus frekvencije lasera koji je reda veličine 1 fs.
Dugački impulsi koji su reda veličine mili i mikrosekunde su generisani
podešavanjem dužine pumpajućeg impulsa. Bušenje rupa i kaljenje
površina metala se vrši sa impulsima u trajanju od 100μs
Spektralni opseg
Da bi se realizovao podesivi izlaz neophodno je korišćenje podesivih
lasera kao što su Ti : safirski ili na bazi aleksandrita
Većina efikasnih lasera kao što su laseri na bazi neodimijuma su u
suštini laseri fiksne talasne dužine sa izlazom oko 1µm
21
Limit spektralnog opsega čvrstotelnih lasera u UV regionu je
dostignut pomoću neodimijumskog lasera i iznosi 266nm
Ograničenja talasnih dužina ograničena nedostacima kristala
Karakteristike prostornog snopa
Praktično sve laserske aplikacije koriste neku vrstu ograničenog snopa
Bitno je napomenuti da postoji kompromis između izlazne snage i
kvaliteta zračenja
Budući trendovi - zamena blic lampi sa nizovima laserskihdioda
Velika izlazna snaga
Porast sa 10% na 30-40% korisnog izlaza
Gasni laseri
22
Energetski nivoi atoma i molekula su precizno definisani i imaju malu širinu u poređenju sa laserima čvrstog stanja
Pritisak gasa u laserskim uređajima je nizak (nekoliko mmHg stuba)
Gasni laseri nemaju široke apsorpcione trake, tako da za njih optičko pumpanje nije efikasno.
Pumpanje se vrši pomoću električnog gasnog pražnjenja.
Postoje i drugi metodi: gasnodinamičko širenje gasa, hemijsko pumpanje, optičko pumpanje drugim laserom...
Gasovi su optički homogeni, mala gustina, disperzija i izobličenje svetlosnog snopa zanemarljivi
Rastojanje između ogledala rezonatora veliko, bolja usmerenost laserskog snopa
Cev: -prečnik nekoliko mm do nekoliko cm
- dužina nekoliko cm do nekoliko metara
Brusterov
ugao
Indeks prelamanja materijala
prozora
Indeks prelamanja sredine
iza prozora
- Ugao θB – smanjenje gubitaka usled refleksije
- Sferna ogledala
- Broj pobuđenih atoma mali – mali impulsi snage
Gasni laseri sa neutralnim atomima (infracrveno područje
spektra)
Jonski laseri (vidljiv i ultraljubičast deo spektra)
Molekularni laseri (infracrveni i submilimetarski talasi)
Hemijski laseri ( pumpanje se postiže hemijskom reakcijom)
Podela:
Gasni laseri sa neutralnim atomima
➢ Predstavnik He-Ne laser
➢ Prvi otkriveni gasni laser (1961)
➢ Generiše zračenje na 140 talasnih dužina
➢ Danas najrasprostranjeniji crveni He-Ne laser
➢ Koriste se inertni gasovi
➢ Generacija zračenja se postiže pri prelazima između
viših energetskih nivoa (prvo pobuđeno stanje je
obično metastabilno, nije pogodno za niže prelaze)
➢ Infracrveni spektar
- Proces pumpanja ostvaruje se pomoću He- Generacija zračenja nastaje pri prelazu između nivoa Ne
Pri sudarima pobuđenih atoma He sa nepobuđenim atomima Ne
-Atomi Ne prelaze u pobuđeno stanje
-Atomi He osnovno stanje
- Pumpanje efikasno, koncentracija He 5-15 puta veća od koncentracije Ne
- Prelaz - generaciju laserskog zračenja
- Vreme života s stanja 100ns,
rad u neprekidnom režimu
Najintenzivniji prelaz 3s2-2p4(=0.633m)
prelaz 2s2-2p4(=1.15m)
- Elektroda – napon
- Gasno pražnjenje
- Pobuđenje atoma
Ne
- Generacija
laserskog zračenja
➢ Laseri sa metalnim parama (koriste Pb, Cu, Au, Ca, Mn)
➢ Laser sa parama bakra
- generiše zelenu svetlost (λ= 0,51 μm) i žutu svetlost (λ= 0,578 μm )
- rad u impulsnom režimu
- srednja snaga 40W
- Pošto je morska voda relativno prozračna u plavozelenoj oblasti spektra, to se ovi laseri koriste za podvodne sisteme veze i daljinsko lociranje podvodnih objekata
➢ Tri nivoa prelaza:
➢ Energetski nivoi lasera sa metalnim parama se mogu predstaviti pomoću tri nivoa
- sa osnovnog nivoa g na pobuđeni 2 (pumpanje)
- generacija se odvija pri prelazu sa višeg 2 na niži nivo 1
- prelaz g-1 elektro dipolno zabranjen, laser radi samo u impulsnom režimu
Jonski laser
➢ Rastojanja energetskih nivoa veća nego kod atoma
➢ Fotoni imaju veće energije
➢ Manje talasne dužine
➢ Rade u ultraljubičastom i vidljivom delu spektra
➢ Dele se na:
- jonske gasne lasere i
- jonske lasere sa metalnim parama
29
Jonski gasni laser
Aktivna sredina joni inertnih gasova (Ne, Ar...) ali i jonizovani gasovi P, S i Cl. Joni
koji se koriste mogu biti i višestruko naelektrisani. Npr., postoje Ne3+ laseri (λ=
0.236μm) i Ne 2+ laseri (λ= 0.332 μm).
Najčešće korišteni i najbolje proučeni jonski laser je argonski (Ar + ) laser (W. B.
Bridges 1964).
Jonski gasni laserPrvo se kroz Ar, propušta struja i dolazi do gasnog pražnjenja. Elektroni se sudaraju sa
neutralnim atomima i nastaju joni Ar+. U drugom delu procesa dolazi do naseljavanja
gornjeg laserskog nivoa kao rezultat sudara elektrona sa jonima Ar+ koji se nalaze u
osnovnom stanju (a) ili u metastabilnom stanju (b), ili kao rezultat kaskadnih
radijacionih prelaza sa viših nivoa (c).
.
- Pumpanje na laserski nivo
(4p) – dvostepeni proces
-Struja, gasno pražnjenje, joni
- Laserska generacija prelaz
4p-4s.
- Rad u neprekidnom režimu
- Za pumpanje jaka struja- Generacija plave λ= 0. 488 μm i zelene svetlosti 0.5145 μm
- Postižu se velike izlazne snage jer nema zasićenja inverzije pri povećanju gustine
struje
- Značajan je i kriptonski laser za generisanje crvene boje
Jonski laseri sa metalnim parama
- Aktivna sredina pare metala (Zn, Pb, Cu, Sn, Se)
- Pumpanje proces Penningove jonizacije
- Jednostepen proces
- Kadmijumov (He-Cd) laser
- Energija pobuđenih atoma helijuma He je veća od energije potrebne za jonizaciju i
pobuđenje atoma kadmijuma Cd
- Višak energije prelazi u kinetičku energiju elektrona
- Laserska generacija se odvija pri prelazima između različitih pobuđenih stanja jona Cd
- Ultraljubičasti spektar (0.325m – 1-20mW)
- Selenski (He-Se) laser - energija jona (Se+)* je veća od energije metastabilnih stanja He
Rezonantan proces, vreme života jona He veliko
- Izmenjonska jonizacija
- Proces pumpanje efikasan
- Pri prelazima sa viših nivoa (Se+)* na niže, dolazi do generacije zračenja na 19 različitih
talasnih dužina u vidljivom području spektra.
Molekularni laseri
- Prelazi između različitih stanja molekula
- Prema tipu prelaza:
a) Molekularni laseri sa prelazima između različitih elektronkih
stanja molekula
b) Molekularni laseri sa prelazima između oscilatornih nivoa
jednog istog elektronskog stanja
c) Molekularni laseri sa prelazima između različitih rotacionih
nivoa jednog istog oscilatornog stanja
- Laseri prve grupe – ultraljubičasti vidljivi spektar
- vibronički i ekscimerni laseri
- Vibronički laseri (vibronic= vibrational + electronic)
- rade na prelazima između oscilatornih nivoa različitih
elektronskih stanja, primer azotni i vodonični laser
- Ekscimerni laser (excimer=excited dimer=pobuđeni dimer)
- rade na prelazu probuđeno-osnovno stanje
- Laseri druge grupe –srednje i daleko infracrveno područje- CO2i CO laseri .
- HCN laser koji emituje zračenje submilimetarske talasne dužine
=733m
- Laser treće grupe - daleko infracrveno područje- CH3F
CO2 laser
- Prvi molekularni laser
- Otkriven je 1964. godine (C. K. N. Patel)
- Aktivna sredina smeša gasova CO2, N2 i He
- Do generacije dolazi pri prelazima između oscilatornih nivoa
molekula ugljen-dioksida a dodavanjem azota i helijuma postiže
se visok koeficijent korisnog djelovanja (15–20%) i velika snaga.
CO2 laser Ugljen-dioksidni laser ili (CO2 laser) je tip gasnog lasera koji kao
izvor zračenja koristi molekule ugljen-dioksida.
CO2 laser ima sličnu strukturu kao helijum-neonski laser.
Sastoji se od staklene cevi ispunjene smešom gasova (ugljen-
dioksida, azota, helijuma i eventualno još nekog gasa). Na
krajevima cevi se nalaze dva paralelna ogledala koja reflektuju
laserski snop i tako formiraju rezonator. U cevi se nalaze i elektrode
na koje je priključen visok napon.
- Molekul azota je dvoatomski, tako da ima samo jedan oscilatorni mod v (na slici
su prikazana dva najniža nivoa v=0 i v=1).
- Struktura oscilatornih nivoa molekule CO2 je složenija jer se ona sastoji od tri
atoma.
- Tri fundamentalna oscilatorna moda molekula CO2 : simetrični mod v1 ,
deformacioni mod vl2 koji je dvostruko degenerisan (gornji indeks l) i asimetrični
mod v3 .
- Stanja koja odgovaraju tim modovima su kvantizirana i označena sa v1 vl2 v3.
Do generacije laserskog zračenja dolazi pri prelazima 000 1→ 1000→ (λ2 = 10,6
μm) i 000 1 → 0200→ (λ1 = 9,6 μm) .
38
• Laserska emisija CO2 lasera je ostvarena na nekoliko stotina različitih talasnih dužina u oblasti 8.7-11.8m.
• Najveće pojačanje ima prelaz 000 1→ 1000, tako da se, kada se formira laserski rezonator,
emituje samo zračenje talasne dužine λ=10,6 μm koje odgovara rotacionom prelazu sa
najvećim pojačanjem.
• Laserska emisija na drugim talasnim dužinama se može ostvariti upotrebom selektivnih
optičkih elemenata (npr. difrakcione optičke rešetke) u rezonatoru.
• Pumpanje nivoa 000 1 se ostvaruje pomoću dva procesa: i) sudarima molekula CO2 koji su u
osnovnom stanju sa elektronima, oni se prevode u pobuđeno stanje 000 1, ii) rezonantnim
prenosom energije od molekula N2 (razlika energija metastabilnog stanja v=1 molekula N2 i
stanja 000 1 molekula CO 2 je mala).
• Proces pobuđivanja v=0 → v=1pri sudarima molekula N 2 sa elektronima je vrlo efikasan,
tako da prisustvo N2 u CO 2 laseru doprinosi povećanju naseljenosti višeg laserskog
nivoa.
• Helijum ima visok koeficijent toplotne provodljivosti i njegovo dodavanje aktivnoj sredini CO 2lasera doprinosi boljem hlađenju.
• Dakle, uloga He kod CO 2 lasera je smanjenje naseljenosti nižeg laserskog nivoa.
Podela lasera
2
Prema vrsti materijala od
kojeg je napravljen izvor:
Čvrstotelni laseri
Gasni laseri
Poluprovodnički laseri
Tečni laseri
Prema načinu pumpanja
aktivne (radne) sredine
laseri sa optičkim pumpanjem
(kristalni i tečni)
laseri koji se pumpaju
električnim pražnjenjem.
Hemijski laseri
Prema režimu rada:
Kontinualni
Impulsni laser
Prema oblasti spektra u kojoj
emituje svetlost:
Laseri u vidljivom delu spektra
Laseri u bliskoj infracrvenoj
oblasti
Laseri u dalekoj infracrvenoj
oblasti
X- laseri, zračenje u X- oblasti
Istorijat
• 1957. godine ideja o poluprovodničkim laserima (N. Basov)
• 1962. godine u SAD demonstrirane 4 verzije poluprovodničkih lasera
• Dr Robert N. Hol – Istraživački razvojni centar General Electric (Njujork)
• Dr Nick Holonyak, mlađi – Industrijski centar General Electric (Sirakuza,
Njujork)
• Dr Marshal Neytan – IBM Istraživačka laboratorija (Yorktown Heights -
Njujork)
• Dr Robert Redikep – MIT Lincoln Laboratory (Leksington, Masačusets)
•1963-1968. H. Kremer, Ž. Alferov, R. Kazarinov, laserska dioda sa
heterostrukturom-prvi laser sa duplom heterostrukturom
Poluprovodnički laseri
• 1970. Pronađena prva quantum well struktura
• 1978. Rad laserske diode GaAlAs/GaAs na sobnoj temperaturi,
bazirane na quantum well strukturi
• 1979. Površinsko emitujuća (surface-emitting) laserska dioda (Vertical
Cavity Surface Emitting Lasers)
• 1981. Laserske diode sa distribuiranim Bragovim reflektorom (DBF),
GaInAs/InP, emitovana talasna dužina 1.58µm
• 1985. VCSEL (GaAlAs/GaAs) laser dioda, rad u impulsnom režimu na
sobnoj temperaturi
• 1991. Prvi kratkotrajni rad plavo – zelene emitujuće laserske diode na
poluprovodniku ZnSe
• 1996. Prvi efikasan plavo emitujući laser pri radu na sobnoj
temperaturi, baziran na poluprovodnicima III-V grupe, GaN
Materijali za izradu poluprovodničkih lasera
• Različiti materijali zavisno od željene talasne dužine
• Materijali iz II, III i V i VI grupe periodnog sistema
• II grupa – Cd, Zn
• III grupa - Al, In, Ga, Ti
• V grupa - P, As, Sb
• VI grupa – S, Se, Te
Princip rada poluprovodničkog lasera
• Waveguide effect
7
• Pretpostavimo da su (pri T = 0 K ) elektroni prevedeni iz valentne u provodnu zonu.
• Unutar provodne zone elektroni se za vrlo kratko vreme (10−13 s) rasporede na
najniže nivoe i ta zona je popunjena do nekog nivoa Ec = EF′c .
• Analogno se rasporede i elektroni u valentnoj zoni nivoa Ev = EF′v , a iznad toga
nivoa (do vrha valentne zone) ostaju šupljine.
• Između valentne i provodne zone pojavljuje se inverzija naseljenosti. Parovi
elektron-šupljina predstavljaju pobuđena stanja.
• Elektroni iz provodne zone prelaze nazad u valentnu zonu (taj proces se naziva
rekombinacija para elektron-šupljina), emitujući pri tome foton.
• Ako se takav poluprovodnik smesti u odgovarajući rezonator, stimulisani prelazi,
uslovljeni rekombinacionim zračenjem, dovešće do laserske generacije.
Razvoj poluprovodničkih – diodnih
lasera• Mehanizmi u poluprovodniku slični kao kod LED dioda
• Na spoju postoji višak elektrona i šupljina tako da su ispunjeni uslovi za rekombinaciju.
• Ovo omogućava da se višak nosilaca naelektrisanja nakupi u oblasti spoja kako bi zamenili
one koji se izgube u rekombinaciji tako da električna struja protiče.
• Rekombinacija je proces u kome se energija oslobađa pošto se višak elektrona spušta preko
energetskog procepa kako bi popunio prazna mesta u valentnoj zoni.
• Očekuje se da se energija emituje u vidu fotona, što nam daje diodu koja emituje svetlost
• U stanju ravnoteže, nosioci
naelektrisanja, višak
elektrona i šupljina, su
ograničeni n i p regionima od
strane potencijalne barijere
koja se formira prilikom
spoja.
• Kada je spoj direktno
polarisan dovođenjem
eksternog napona,
potencijalna barijera se
sužava i nosioci
naelektrisanja mogu da
difunduju kroz spoj.
• Kada p-n dioda nije priključena na napon elektroni “teku” sa n-strane ka p-strani sve
dok se ne uspostavi potencijalna barijera koja sprječava dalji tok elektrona.
• Pri tome Fermijev nivo Ep = EFp poluprovodnika p-tipa, koji je u valentnoj zoni, i
Fermijev nivo En = EFn poluprovodnika n-tipa, koji je u provodnoj zoni, imaju iste
vrijednosti.
• Ako se na p-n spoj priključi napon V koji snižava potencijalnu barijeru , nivoi se
pomjeraju za E=eV , u oblast p-n prelaza se injektiraju elektroni iz provodne zone
poluprovodnika n-tipa i šupljine iz valentne zone poluprovodnika p-tipa i tako se u toj
prelaznoj oblasti stvara inverzija naseljenosti.
• Napon V je npr. za homostrukturni GaAs laser V 1.5V .
Rezonator se pravi sečenjem kristla duž dve paralelne
površine normalne na ravan spoja
GaAs/vazduh- veliki indeks prelamanja sa refleksijom oko
35%
Laserski efekat u ravni pn spoja
Ograničenja: nosioci mogu da difunduju van regiona spoja,
manje pojačanje; znatan gubitak svetlosti prilikom emisije
normalne na osu rezonatora
Problemi
• Velike okidne struje (50 000 ÷ 100 000 A/cm2)
• Oslobađanje prevelike količine toplote zbog čega je potrebno
hlađenje (tečni azot)
• Potreba za smanjenjem okidne struje
-Uglačavanje kontaktnih spojeva na poluprovodnicima
-Narastanje poluprovodnika (Umesto da formiramo spoj difundovanjem akceptorskih primesa u poluprovodnik n tipa kako bi
formirali deo p tipa, vrši se poliranje n tipa supstrata i onda se vrši
narastanje sloja p tipa topljenjem p tipa materijala i na ovaj način
dobijamo spoj koji je skoro idealno ravan)
-Smanjenje okidne struje na oko 10A
Tipovi poluprovodničkih lasera
• Prema načinu emitovanja svetlosti:
• Ivično emitujući
• Površinsko emitujući
• Prema strukturi:
• Homojunction
• Heterostrukturni
• Quantum well
• VCSEL
•VECSEL
Homojunction laserska dioda
• Potrebne visoke okidne struje:
• 1000 A/cm2 na temperaturi 77K
• 100 000 A/cm2 na temperaturi 300K
Heterostrukturni laseri
Quantum well laseri• Centralni sloj je veoma tanak i ima ulogu kvantne jame
-Ivično emitujući
-Energija kvantovana
-Efikasnost lasera sa kvantnom jamom je veća nego kod zapreminskih lasera -funkcija
gustine stanja elektrona u kvantnoj jami ima naglu ivicu koja koncentriše energiju
elektrona i na taj način doprinosi radu lasera.
-Veća snaga sa multiple quantum well strukturom-više quantum well slojeva
VCSEL laseri
• Vertical Cavity Surface Emitting Lasers
Rezonator duž pravca proticanja struje
Dužina aktivne oblasti je veoma
kratka u poređenju sa lateralnim
dimenzijama- zračenje nastupa na
površini
Zbog visoke refleksije dielektričnog
ogledala, imaju male izlazne snage
Lakša proizvodnja u odnosu na
ivično emitujuće jer se mogu
testirati u toku proizvodnje
- Desetine hiljada se proizvodi na
jednom wafer-u od GaAs.
VECSEL LASERi
• Vertical External Cavity Surface Emitting Lasers
U VCSEL laserima ogledala su se obično
dobijala epitaksijalnim narastanjem kao
deo diode ili se narastanje vršilo zasebno
pa se onda vršilo bondiranje na
poluprovodnik koji sadrži aktivnu oblast.
Kod VECSEL lasera jedno od ogledala je
izvan strukture diode, jama obuhvata i
oblast slobodnog prostora
Tipična udaljenost diode od spoljašnjeg
ogledala je oko 1cm
mala debljina poluprovodničke
pojačavačke oblasti u pravcu prostiranja
svetlosti, manje od 100nm
optički ili električno pumpani
PRIMENA POLUPROVODNIČKIH
LASERA
- U obradi informacija: crveni- prilikom
skladištenja i čitanja podataka,
markeri, pumpa za YAG
- AlGaAs (780nm): CD
- AlGaInP (640nm): DVD
- ZnSe (460-520nm): BlueRay
- U optičkim komunikacijama, u mernim
i kontrolnim instrumentima,
meračima razdaljine, laserskim
štampačima, skenerima i bar kod
čitačima, kao i u medicini (u nekim
vrstama hirurgije i dermatologije)
TEČNI LASERI
Laseri na bazi tečnosti imaju prednosti i nedostatke u poređenju sa drugim vrstama
lasera.
Tečnosti su, kao i gasovi, optički homogenije od čvrstih tela, tako da su gubici
zračenja manji nego u čvrstim telima.
Oblik aktivne sredine se može birati po želji nalivanjem tečnosti u sud željenog
oblika.
U tečnim laserima može se postići ista koncentracija aktivnih čestica kao kod
čvrstih tela, tako da se može dobiti velika energija zračenja po jedinici zapremine
aktivnog tela.
Hlađenje aktivne sredine kod tečnih lasera se može postići– cirkulacijom tečnosti
(kroz hladnjak), a pri impulsnom režimu rada može se radna zapremina tečnosti u
potpunosti obnoviti.
20
TEČNI LASERI
Stabilnost tečnih lasera u odnosu na termička naprezanja je znatno veća nego kod
lasera čvrstog stanja.
Bitan nedostatak tečnih lasera je vremenska nestabilnost rastvora (već nakon 1–2
meseca rada u rastvoru se stvara talog koji bitno smanjuje lasersku emisiju).
Tečni laseri sa neorganskim rastvorima su toksični, pa i o tome treba voditi računa.
Termo-optički koeficijent tečnosti je veliki, što dovodi do stvaranja termičkih sočiva
čiji fokus se menja u toku impulsa zračenja, tako da divergencija laserskog zraka
može iznositi nekoliko stepeni, a povećani su i gubici.
21
Istorijat
1963. godine - organometalni ili helatni tečni laseri.
Primer je europijum helatni laser TTA (tenoltrifluoracetonat).
Tu je Eu aktivni jon u molekulu organometalnog helata.
Helatni molekuli pobuđeni optičkim pumpanjem predaju apsorbovanu energiju
(brzim neradijativnim prelazima) ugrađenim jonima europijuma. Time je
omogućeno optičko pumpanje spektralno uske linije preko širokih apsorpcionih
traka helatnih molekula.
Lasersko zračenje talasne dužine odgovara prelazu sa nivoa 5 na donji laserski
nivo 7 koji se vrlo brzo prazni neradijativnim prelazima u osnovno stanje.
Nedostaci helatnih lasera (zbog kojih oni nemaju veći praktični značaj) je:
- što se mora raditi na niskim temperaturama da bi se dobilo znatnije
pojačanje,
- i što se talasna dužina laserskog zračenja ne može menjati
kontinualno (kao kod tečnih lasera sa organskim bojama)
22
Tipovi tečnih lasera
Dva osnovna tipa tečnih lasera su laseri sa neorganskim tečnostima i laseri sa
rastvorima organskih boja. Nedostatak lasera sa neorganskim rastvorima je što se kod njih koriste
hemijski agresivne tečnosti i što ne mogu da rade u neprekidnom režimu.
Tečni laseri sa organskim bojama su otkriveni slučajno 1966. godine prilikom
istraživanja stimulisanog Ramanovog rasijanja u organskoj boji.
1970. godine otkriven je i prvi kontinualni tečni laser sa organskim bojama.
Od svih tečnih lasera najvažniji su tečni laseri sa organskim bojama, zbog
mogućnosti kontinuiranog menjanja talasne dužine laserske emisije.
Tečni laseri se uglavnom pobuđuju optičkim pumpanjem.
Njihova snaga u impulsnom režimu je do nekoliko MW.
Dužina trajanja impulsa je 1–15 μs kada se pobuđivanje aktivne sredine vrši
bljeskalicom, odnosno 10–30 ns ako se pobuda vrši drugim laserom.
23
Neorganski tečni laseri
Laseri na bazi rastvorenih soli neodimijuma u neorganskim tečnostima kao što su
SeOCl2 (selenohidroksid) i POCl3 (fosforoksihlorid) u prisustvu SnCl4 ili ZrCl4 .
U takvim rastvorima dolazi do hemijskih reakcija tipa
Ovde se koristi emisioni i apsorpcioni spektri jona Nd3+ , tako da se ova vrsta
lasera može tretirati kao varijanta neodimijumskih lasera.
Dimenzije epruvete sa aktivnom tečnošću (kivete) su: dužina 152 mm i prečnik 9,3
mm.
Tangencijalna efikasnost (ili tzv. diferencijalni koeficijent korisnog djelovanja) ovih
lasera je 1–4%.
24
Izlazna snaga u početku raste linearno sa porastom snage pumpanja, a zatim dolazi
do povećanja gubitaka i izrazite nelinearnosti.
Uzrok tih gubitaka su prostorna nehomogenost pobude i centri boja.
Pošto tečnost nije idealno homogena, energija bljeskalice se ne raspoređuje
ravnomerno po njenoj zapremini, što dovodi do stvaranja pozitivnih ili negativnih
termičkih sočiva sa relativno malim fokusnim rastojanjima.
Takvi gubici rastu sa povećanjem snage pumpanja.
Pojava termičkih sočiva je osnovni nedostatak ove vrste lasera i od njihove
kompenzacije zavisi praktična primena ovih lasera.
Drugi uzrok gubitaka je pojava centra boja u aktivnoj sredini pri delovanju svetlosti
bljeskalice.
Ovi centri apsorbuju deo zračenja.
Kao još jedan nedostatak ovih tečnih lasera treba spomenuti veliku toksičnost
rastvarača
Neodimijumski tečni laseri se primjenjuju za pojačanje i lasersku emisiju impulsa
velikih snaga i energija (npr. pomoću lasera sa aktivnom sredinom tipa
Nd:POCl3:ZeCl4 u režimu modulacije dobrote dobijena je snaga impulsa od 50 MW). 25
Laseri sa organskim bojama
26
Laseri na bojama su laseri kојi koriste organsku boju kao laserski medijum,
obično kao rešenje za tečnost.
U poređenju sa gasovima i većinu čvrstih stanja laserskih medijuma, boje se
obično koriste za mnogo širi opseg talasnih dužina.
Širok opsegih čini posebno pogodnim za podesive lasere i impulsne lasere.
Štaviše, boja može biti zamenjena drugom vrstom medijuma kako bi se
generisale različite talasne dužine lasera, iako to obično zahteva zamenu
drugih optičkih komponenata lasera.
Lasere na bojama su nezavisno otkrili P.P. Sorokin i F.P. Šefera (i njihove
kolege) u 1966. godine.
o Laseri na bojama se sastoje od organskih boja koje se mešaju sa
rastvaračima, koje mogu cirkulisati kroz ćelije boja, ili koje se prenose preko
otvorenog prostora korišćenjem prenosnika boja.
o Visok energetski izvor svetlosti je potreban da se "pumpa" tečnost van svog
laserskog praga. Brzo pražnjenje fleš lampe ili spoljašnji laser se obično koriste
za ovu svrhu.
o Izlazno ogledalo je normalno, oko 80 odsto reflektivnog zračenja, dok su sva
ostala ogledala obično više od 99% refleksvna.
o Pošto tečni medijum u laserima na boji može da ima bilo koji oblik, postoji
mnoštvo različitih konfiguracija koje se mogu koristiti:
1) Aksijalni impulsni laseri imaju šuplji, prstenasti oblik fleš lampe, koja
okružuje ćeliju boje, koja ima manju induktivnost za kraće osvetljaje i
poboljšanu efikasnost prenosa.
2) Koaksijalni impulsni laseri imaju prstenastu ćeliju boje koja okružuje fleš
lampu, za još bolju efikasnost transfera, ali imaju manju dobit usled difrakcije
gubitaka. Blic impulsni laseri mogu se koristiti samo za pulsirajući izlaz.
- Može se pobuditi veliki broj boja
- Velike snage
-Jednostavniji za proizvodnju od CW lasera
Da bi se dobila uska spektralna linija ugrađuju se prizme, optičke rešetke,interferencijski filteri i FP –interferometri.
Na prvoj slici geometrija eliptičnog reflektora omogućuje pobudu protočnog rastopaboje putem ksenonske bljeskalice, dok je na drugoj pokazana mogućnost pobude sačetiri bljeskalice.
Laseri s bojom bobuđeni bljeskalicama
29
Laseri s’ bojom pobudjenim impulsnim laserima
Najčešće se koristi azotov laser s talasnom dužinom od 337nm.
- Dovoljna snaga za inverziju naseljenosti
- Pobuđuje boje florescentnim spektrom od bliskog ultraljubičastog do bliskog
infracrvenog spektra
- Može biti transverzalni ili longitudinalni
- Koriste se još i excimerski laseri, Nd:YAG ili Nd:staklo laseri, te laseri sa Cu
parama.
Ako odabir talasne dužine vršimo rešetkom, treba voditi računa da je moć
razlučivanja rešetke proporcionalna umnošku Nm, gdje je N broj osvetljenih
zareza na rešetci, a m je red spektra.
Zato laserski zrak treba proširiti, a i zbog toga da ne bi oštetili površinu
rešetke zbog snažnog osvetljenja..
Laseri s’ bojom pobudjenim impulsnim laserima
Transverzalna pobuda
Laseri s’ bojom konstantnog talasa (CW)
Skoro uvek se koristi argon jonski laser za pobudu:
- Ima široki spektar od ultraljubičastog do plavo – zelenog spektra
- Mogu biti realizovani pomoću rezonatora sa stojećim talasom ili kao“kružni” laseri s bojom kod kojih se dobija veća snaga u ‘single’ –modu rada.
Moguće je podešavanje na nekoliko načina da bismo dobili željenutalasnu dužinu:
- Promena boje koju koristimo
- Promena otapala koje koristimo za mešanje s bojom
- Menjanje dužine aktivnog medija
Konkretne primene:
- Medicina (lečenje opekotina prouzrokovanih suncem, itd.)
- Spektroskopija, holografija
- Auto industrija (dijagnoza izduvnih gasova motora)
- Analiza hemijskih reakcija
- Merenje brzih PIN fotodioda i MSM (metal-poluvodikmetal) fotodetektora.
Rukovanje laserima na bojama
• Boje koje se koriste u ovim laserima sadrže prilično velike organske
molekule koji imaju sposobnost fluorescencije.
• Dolazna svetlost aktivira molekule privremene boje u stanje spremnosti da
emituju zračenje.
• U ovom stanju, molekuli emituju svetlost preko fluorescencije, a boja je
transparentna za lasersku talasnu dužinu.
• U okviru mikrosekundi, ili manje, molekuli će se promeniti u njihovo trostruko
stanje.
• Samim tim svetlo se emituje preko fosforescentnosti, a molekuli apsorbuju
lasersku talasnu dužinu, što je neprozirna boja.
• Tečne boje i imaju izuzetno visok laserski prag.
• Fleš lampe impulsnih lasera, zahtevaju bljesak izrazito kratkog trajanja, da
dostavi velike količine energije potrebne da donese prošli nivo pre apsorpcije što
prevazilazi singlet emisiju.
• Laseri na bojama sa spoljnom pumpom lasera mogu da usmere dovoljnu
energiju pravilne talasne dužine u boju sa relativno malom količinom unosa
energije.
• Boja mora biti dostavljena na velikim brzinama da bi molekuli izašli iz snopa.
• Organske boje imaju tendenciju da se raspadaju pod uticajem svetlosti.
• Rešenje za boje je da ona normalno cirkuliše iz velikog rezervoara, odnosno
kroz stakleni kontejner.
• Sa staklenim kontejnerom, se izbegavaju gubici refleksije od staklenih površina i
kontaminacija na zidovima.
❑ Tečne boje imaju veoma visok prirast kao laserski medijimi.
❑ Zrak samo treba da napravi nekoliko prolaza kroz tečnosti da dostigne punu
snagu, a time i visoku prozračnost kroz izlaznu spojnicu.
❑ Visoko pojačanje takođe dovodi do visokih gubitka, jer refleksija sa
privremenom bojom zidova ćelija ili fleš lampom reflektora, neće dramatično
smanjiti količinu energije na raspolaganju za gredu.
❑ Pumpe šupljina su obložene često, eloksiranom, ili na drugi način
napravljena od materijala koji neće odraziti na laserski talasnoj dužini, dok
odražava pumpe talasnoj dužini.
Hemikalije za boje
❑ Neki od laserskih boja su Rodamin, fluorescentne boje, kumarin, stilbene,
umbelliferone, tetracene, malahit zeleno, i druge.
❑ Dok se neke boje zapravo koriste u prehrambenoj industriji, većina boja su veoma
često toksične i kancerogene.
❑ Mnoge boje, kao što su Rodamin 6G, (u obliku hlorida), mogu biti vrlo korozivne za
sve metale osim za one od nerđajućeg čelika.
❑ Raznovrsni rastvarači mogu da se koriste, iako će se neke boje rastvoriti u nekim
rastvaračima bolje nego u drugima.
❑ Neki od rastvarača koji se koriste su voda,
glikol, etanol, metanol, heksan, cikloheksan,
ciklodektrin, i mnogi drugi.
❑ Rastvarači su često veoma toksični, i
može ponekad da se direktno apsorbuju
preko kože ili preko inhalacione pare.
❑ Mnogi rastvarači su takođe izuzetno zapaljivi.
36
Strukturna formula rodamina 6G (ksantenska boja)
Spektar zračenja rodamina 6G (ksantenska boja)
CO2 laser
Prema konstrukciji CO2 laseri se dele na:
1) Laseri sa longitudinalnim protokom gasa
2) Laseri sa katalizatorom
3) Talasovodni laseri
4) Laseri sa transverzalnim protokom gasa
5) TEA-laseri
6) Gasodinamički laseri
Laser sa longitudinalnim protokom gasa
- Izlazna snaga zavisi od gustine struje, pritiska, dužine cevi ali ne i od
prečnika cevi
- Laserski zrak izlazi kroz otvor na metalnom ogledalu koje je hermetički
zatvoreno kristalom NaCl koji propušta IC zračenje, ili kroz ogledalo od
čistog germanijuma.
- Kretanje smeše lasera smanjuje njihovu temperaturu, povećanje snage
lasera
- Snaga 50-500W
- Primena hirurgija i obrada materijala-graviranje keramike, rezanje nemetala
-
Laseri sa katalizatorom
- Ako nema protoka gasova, nakon nekoliko minuta doći će do prekida
generacije zračenja, zato što produkti hemijskih reakcija, posebno
molekule CO, podstiču disocijaciju molekula CO2 .
- Da bi se obezbedila regeneracija molekula CO 2 iz molekula CO,
- potreban je određeni katalizator.
- To može biti vodena para (1%). U tom slučaju, do regeneracije
- molekula CO dolazi zahvaljujući reakciji:
- Kao katalizator se može koristiti i zagrejana (na 300°C) katoda od nikla.
- Izlazna snaga ovih lasera po jedinici dužine je oko 60W/m
Talasovodni laseri
- Ako je prečnik cevi rezonatora reda veličine 1 mm, tada se lasersko zračenje
reflektuje od unutrašnjih zidova cevi i prostire se kroz cev kao kroz talasovod.
- Ovakvi talasovodni laseri imaju male difrakcione gubitke. Najbolji rezultati
su postignuti sa cevima od BeO ili SiO2 .
- Snaga ovih lasera je nešto manja od snage predhodna dva lasera a njihova
osnovna prednost je što im se frekvencija zračenja može podešavati u
relativno širokom dijapazonu (1GHz).
41
Laser sa transverzalnim protokom gasova
-Gas se dovodi pod pravim uglom u
odnosu na rezonator
- Rešen problem odvođenja toplote
- Snaga više kW
- Lavinska jonizacija – odnos
električnog polja i pritiska veliki
- Primena- obrada metala
TEA laser-transversely excited atmospheric
-Transverzalno pobuđenje i atmosferski pritisak u cevi
- Na elektrode se dovodi kratak impuls tako da se ne razvijaju nestabilnosti
- Predjonizacija gasa- pomoću visokonaponskog impulsa, impulsnog
elektronskog snopa ili ultraljubičastog zračenja.
- Primena eksperimenti termonuklearne fizike
Gasodinamički laser
• Inverzija naseljenosti se ne postiže električnim pražnjenjem, već na račun brzog
širenja gasa, prethodno zagrijanog do visoke temperature.
• Gasna smeša visoke temperature i pod velikim pritiskom se nalazi u komori.
• U takvom stanju gas se nalazi u termodinamičkoj ravnoteži i nema inverzije
naseljenosti .
• Ako se gas propusti kroz mlaznicu i velikom brzinom proširi, doći će do naglog
snižavanja temperature i pritiska gasa. Pri tome naseljenost donjeg laserskog nivoa
brže opada od naseljenosti gornjeg nivoa, tako da se u oblasti rezonatora postiže
inverzna naseljenost i generacija zračenja.
CO laser
Radi na prelazima između oscilatornih nivoa istog elektronskog stanja
Talasna dužina zračenja lasera na bazi ugljen monoksida je oko 5m
Visok koeficient korisnog deistva (60%) i velika izlazna snaga 100kW
Nedostatak – za efikasan rad potrebne niske temperature (77-100K)
Više temperature – manje snage
Za rad na sobnim temperaturama dodaje se ksenon
Proces relaksacije molekule CO opisuje se sistemom kinetičkih
jednačina, koji, u najpovoljnijem slučaju, sadrži 60 nelinearnih
algebarskih jednačina.
Brz prelazak sa višeg na niži energetski nivo
Parcijalna inverzna naseljenost
Kaskadna generacija
Vibronički laseri-Azotni laser –prvi u ultraljubičastom
spektru
- Radi na prelazima oscilatornih
podnivoa elektronskog nivoa C i
oscilatornih podnivoa elektronskog
nivoa B.
-Najintenzivniji prelaz odgovara
talasnoj dužini 0.3371m
- Rad u impulsnom režimu –
električna pobuda kraća od 38ns
- Brzo pražnjenje primenom
specijanih električnih kola
- Laser sa samoograničenim prelazom
- Veliki koeficijent pojačanja
- Rad sa samo jenim ili bez ogledala
- Super-radijacioni laseri
Eksimerni laseri
- Za rad N2 i H2 potrebno intenzivno pumpanje
- Laserska generacija ostvaruje se prelazom
između pobuđenog i osnovnog stanja
- Prelaz se predstavlja širokom trakom
- Aktivna sredina smeša inertnih gasova
- Srednja izlazna snaga 100W
- Frekvencija ponavljanja impulsa do 1kHz
- Primena:
- proučavanje fotohemijskih procesa
- separacija izotopa
- gde su potrebni snažni izvori zračenja
Hemijski laseri
- Inverzna naseljenost – hemijska reakcija
- Energija se oslobađa u vidu oscilatorne energije molekula gasova
- Direktno pretvaranje hemijske energije u elektromagnetnu
- Spoljašnja pobuda: toplota, svetlost, elektronski sklop
- Kod lasera bez spoljašnje pobude hemijske reakcije se ostvaruju
jednostavnim mešanjem komponenata
Nedostatak
- toksičnost aktivne sredine (npr-F korozivno i hemijski najaktivnijih
elemenat)
- potreba za menjanjem aktivne sredine u toku rada
- Primena: laboratorijska istraživanja, vojni ciljevi...
HF laser
Radna komora
Oblast pražnjenja i zagrevanja azota
Mlaznica
Ogledalo rezonatora
Lasersko zračenje
Promena toplote
Izlaz produkata
hemijskie reakcije
• HF laser radi i u neprekidnom (snaga mu je do 50 kW) i u impulsnom režimu
(energija impulsa je do 5 kJ), a koeficijent korisnog djelovanja mu je 15%
Jodni laser
- Generacija zračenja - prelazi između elektronskih satanja atoma joda
- Po tome pripada grupi sa neutralnim atomima
- Pobuđuje se himijskom reakcijom – hemijski laser
- Pobuda se vrši snažnom impulsnom UV lampom i pri tome se oslobađa
atomski jod u pobuđenom stanju.
- Podseća na lasere čvrstog stanja, pumpanje
- Postižu se velike snage
- Jod u staklenoj cevi u gasovitom stanju
- Nema potrebe za dodatnim izvorima