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