lasery na ciele staŁym - umkfizyka.umk.pl/~bezet/pdf/ix lasery na ciele stalym.pdf27 zalety:-duża...
TRANSCRIPT
![Page 1: LASERY NA CIELE STAŁYM - UMKfizyka.umk.pl/~bezet/pdf/IX Lasery na ciele stalym.pdf27 Zalety:-duża wydajnośćkwantowa (do 90%), - szerokie pasmo wzmocnienia 1530 - 1600 nm, - pasma](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022040804/5e3ff87c8d902526bc10a8a7/html5/thumbnails/1.jpg)
LASERY NA CIELE LASERY NA CIELE STASTAŁŁYMYM
BERNARDBERNARD ZIZIĘĘTEKTEK
![Page 2: LASERY NA CIELE STAŁYM - UMKfizyka.umk.pl/~bezet/pdf/IX Lasery na ciele stalym.pdf27 Zalety:-duża wydajnośćkwantowa (do 90%), - szerokie pasmo wzmocnienia 1530 - 1600 nm, - pasma](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022040804/5e3ff87c8d902526bc10a8a7/html5/thumbnails/2.jpg)
2
Lasery na ciele stałym – lasery, których ośrodek czynny jest:- kryształem i ciałem amorficznym (również proszkiem),- dielektrykiem i półprzewodnikiem.
![Page 3: LASERY NA CIELE STAŁYM - UMKfizyka.umk.pl/~bezet/pdf/IX Lasery na ciele stalym.pdf27 Zalety:-duża wydajnośćkwantowa (do 90%), - szerokie pasmo wzmocnienia 1530 - 1600 nm, - pasma](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022040804/5e3ff87c8d902526bc10a8a7/html5/thumbnails/3.jpg)
3
Podział
Neodym
![Page 4: LASERY NA CIELE STAŁYM - UMKfizyka.umk.pl/~bezet/pdf/IX Lasery na ciele stalym.pdf27 Zalety:-duża wydajnośćkwantowa (do 90%), - szerokie pasmo wzmocnienia 1530 - 1600 nm, - pasma](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022040804/5e3ff87c8d902526bc10a8a7/html5/thumbnails/4.jpg)
4
Jon Cr3+ w polu krystalicznym
![Page 5: LASERY NA CIELE STAŁYM - UMKfizyka.umk.pl/~bezet/pdf/IX Lasery na ciele stalym.pdf27 Zalety:-duża wydajnośćkwantowa (do 90%), - szerokie pasmo wzmocnienia 1530 - 1600 nm, - pasma](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022040804/5e3ff87c8d902526bc10a8a7/html5/thumbnails/5.jpg)
5
Metody pompowania- Lampami błyskowymi
![Page 6: LASERY NA CIELE STAŁYM - UMKfizyka.umk.pl/~bezet/pdf/IX Lasery na ciele stalym.pdf27 Zalety:-duża wydajnośćkwantowa (do 90%), - szerokie pasmo wzmocnienia 1530 - 1600 nm, - pasma](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022040804/5e3ff87c8d902526bc10a8a7/html5/thumbnails/6.jpg)
6
- Laserami półprzewodnikowymi
Pompowanie podłużne poprzeczne
Pompowanie laserów światłowodowych
Sprzęgacze kierunkowe
![Page 7: LASERY NA CIELE STAŁYM - UMKfizyka.umk.pl/~bezet/pdf/IX Lasery na ciele stalym.pdf27 Zalety:-duża wydajnośćkwantowa (do 90%), - szerokie pasmo wzmocnienia 1530 - 1600 nm, - pasma](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022040804/5e3ff87c8d902526bc10a8a7/html5/thumbnails/7.jpg)
7
Laser rubinowyPierwszy laser 1960 – T. Maiman
Al2O3 + Cr3+
Schemat poziomów
Widmo absorpcji
Przy dużych stężeniach:
![Page 8: LASERY NA CIELE STAŁYM - UMKfizyka.umk.pl/~bezet/pdf/IX Lasery na ciele stalym.pdf27 Zalety:-duża wydajnośćkwantowa (do 90%), - szerokie pasmo wzmocnienia 1530 - 1600 nm, - pasma](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022040804/5e3ff87c8d902526bc10a8a7/html5/thumbnails/8.jpg)
8
Laser tytanowo - szafirowyAl2O3 + Ti3+
![Page 9: LASERY NA CIELE STAŁYM - UMKfizyka.umk.pl/~bezet/pdf/IX Lasery na ciele stalym.pdf27 Zalety:-duża wydajnośćkwantowa (do 90%), - szerokie pasmo wzmocnienia 1530 - 1600 nm, - pasma](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022040804/5e3ff87c8d902526bc10a8a7/html5/thumbnails/9.jpg)
9
Laser neodymowy
Schemat poziomów
Widmo absorpcji
![Page 10: LASERY NA CIELE STAŁYM - UMKfizyka.umk.pl/~bezet/pdf/IX Lasery na ciele stalym.pdf27 Zalety:-duża wydajnośćkwantowa (do 90%), - szerokie pasmo wzmocnienia 1530 - 1600 nm, - pasma](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022040804/5e3ff87c8d902526bc10a8a7/html5/thumbnails/10.jpg)
10
Zalety: - pełen zakres widma i mocy- szerokie pasma emisji i wzmocnienia - praca ciągła i impulsowa - możliwość generacji impulsów femtosekundowych- duża gęstości promieniowania w rdzeniu - prostota konstrukcji- długi rezonator – duża liczba modów- wysoka jakość wiązki w laserach jednomodowych- moce na poziomie kW pracy ciągłej (HPFL)- wykorzystanie konwersji częstości
Wady:- obecność niepożądanych procesów nieliniowych- silne niejednorodne poszerzenie linii - krótszy niż w kryształach czas życia- zwiększone prawdopodobieństwo relaksacji bezpromienistych
z udziałem fononów- nieustalony stan polaryzacji światła- problemy ze wzbudzaniem od czoła- możliwość uszkodzenia włókna
Lasery i wzmacniacze światłowodowe
![Page 11: LASERY NA CIELE STAŁYM - UMKfizyka.umk.pl/~bezet/pdf/IX Lasery na ciele stalym.pdf27 Zalety:-duża wydajnośćkwantowa (do 90%), - szerokie pasmo wzmocnienia 1530 - 1600 nm, - pasma](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022040804/5e3ff87c8d902526bc10a8a7/html5/thumbnails/11.jpg)
11
Światłowody
![Page 12: LASERY NA CIELE STAŁYM - UMKfizyka.umk.pl/~bezet/pdf/IX Lasery na ciele stalym.pdf27 Zalety:-duża wydajnośćkwantowa (do 90%), - szerokie pasmo wzmocnienia 1530 - 1600 nm, - pasma](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022040804/5e3ff87c8d902526bc10a8a7/html5/thumbnails/12.jpg)
12
![Page 13: LASERY NA CIELE STAŁYM - UMKfizyka.umk.pl/~bezet/pdf/IX Lasery na ciele stalym.pdf27 Zalety:-duża wydajnośćkwantowa (do 90%), - szerokie pasmo wzmocnienia 1530 - 1600 nm, - pasma](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022040804/5e3ff87c8d902526bc10a8a7/html5/thumbnails/13.jpg)
13
![Page 14: LASERY NA CIELE STAŁYM - UMKfizyka.umk.pl/~bezet/pdf/IX Lasery na ciele stalym.pdf27 Zalety:-duża wydajnośćkwantowa (do 90%), - szerokie pasmo wzmocnienia 1530 - 1600 nm, - pasma](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022040804/5e3ff87c8d902526bc10a8a7/html5/thumbnails/14.jpg)
14
![Page 15: LASERY NA CIELE STAŁYM - UMKfizyka.umk.pl/~bezet/pdf/IX Lasery na ciele stalym.pdf27 Zalety:-duża wydajnośćkwantowa (do 90%), - szerokie pasmo wzmocnienia 1530 - 1600 nm, - pasma](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022040804/5e3ff87c8d902526bc10a8a7/html5/thumbnails/15.jpg)
15
Szkło fluorowe ZBLAN (ZrF4 –BaF2 –LaF3 –AlF3 -NaF)- niska energia fononów- mała tłumienność w obszarze widzialnym
Tłumienność szkła kwarcowego (a) i szkła ZBLAN (b)
![Page 16: LASERY NA CIELE STAŁYM - UMKfizyka.umk.pl/~bezet/pdf/IX Lasery na ciele stalym.pdf27 Zalety:-duża wydajnośćkwantowa (do 90%), - szerokie pasmo wzmocnienia 1530 - 1600 nm, - pasma](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022040804/5e3ff87c8d902526bc10a8a7/html5/thumbnails/16.jpg)
16
Sprzęgacze kierunkowe światłowodowe
L
Obszaroddziaływania
Pole elektryczne fali
W przybliżeniu wolnozmiennej amplitudy
Uwzględniającsprzężenie między światłowodami
Szukamy rozwiązań i
gdzie
![Page 17: LASERY NA CIELE STAŁYM - UMKfizyka.umk.pl/~bezet/pdf/IX Lasery na ciele stalym.pdf27 Zalety:-duża wydajnośćkwantowa (do 90%), - szerokie pasmo wzmocnienia 1530 - 1600 nm, - pasma](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022040804/5e3ff87c8d902526bc10a8a7/html5/thumbnails/17.jpg)
17
Przy warunkach początkowych
otrzymujemy
gdzie
Występuje wymiana energii między światłowodami z okresem
Łatwo sprawdzić, że
![Page 18: LASERY NA CIELE STAŁYM - UMKfizyka.umk.pl/~bezet/pdf/IX Lasery na ciele stalym.pdf27 Zalety:-duża wydajnośćkwantowa (do 90%), - szerokie pasmo wzmocnienia 1530 - 1600 nm, - pasma](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022040804/5e3ff87c8d902526bc10a8a7/html5/thumbnails/18.jpg)
18
Zwierciadła i przełączniki pętlowe
1. Zwierciadło pętlowe (ang. nonlinear-optical loop mirror - NOLM)
gdzie stosunek podziału natężenia pól: α/(1-α)
![Page 19: LASERY NA CIELE STAŁYM - UMKfizyka.umk.pl/~bezet/pdf/IX Lasery na ciele stalym.pdf27 Zalety:-duża wydajnośćkwantowa (do 90%), - szerokie pasmo wzmocnienia 1530 - 1600 nm, - pasma](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022040804/5e3ff87c8d902526bc10a8a7/html5/thumbnails/19.jpg)
19
powoduje przesunięcie fazy na drodze L
Optyczny efekt Kerra (K – nieliniowy współczynnik Kerra)
Ewej wchodzi do portu „1" . Po przejściu drogi L pola E3 i E4 wynoszą
Stąd
![Page 20: LASERY NA CIELE STAŁYM - UMKfizyka.umk.pl/~bezet/pdf/IX Lasery na ciele stalym.pdf27 Zalety:-duża wydajnośćkwantowa (do 90%), - szerokie pasmo wzmocnienia 1530 - 1600 nm, - pasma](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022040804/5e3ff87c8d902526bc10a8a7/html5/thumbnails/20.jpg)
20
Jeśli:1. α = 1/2 to
0|| 202 =E czyli
2201 |||| wejEE =
Otrzymaliśmy ZWIERCIADŁO
2. α = 1/2 to
jeśli
dla m parzystych
Otrzymaliśmy PRZEŁĄCZNIK i NASYCAJĄCY SIĘ ABSORBER
dla m nieparzystych
2202 |||| wejEE =
![Page 21: LASERY NA CIELE STAŁYM - UMKfizyka.umk.pl/~bezet/pdf/IX Lasery na ciele stalym.pdf27 Zalety:-duża wydajnośćkwantowa (do 90%), - szerokie pasmo wzmocnienia 1530 - 1600 nm, - pasma](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022040804/5e3ff87c8d902526bc10a8a7/html5/thumbnails/21.jpg)
21
2. Wzmacniające zwierciadło pętlowe (ang. nonlinear amplifying loop mirror - NALM)
Jeśli G jest wzmocnieniem, to przesunięcia faz falw kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara i przeciwnie wynosi
Maksymalne przełączanie między portami występuje dla
![Page 22: LASERY NA CIELE STAŁYM - UMKfizyka.umk.pl/~bezet/pdf/IX Lasery na ciele stalym.pdf27 Zalety:-duża wydajnośćkwantowa (do 90%), - szerokie pasmo wzmocnienia 1530 - 1600 nm, - pasma](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022040804/5e3ff87c8d902526bc10a8a7/html5/thumbnails/22.jpg)
22
Rezonatory laserów światłowodowych
Mogą być:liniowe i pierścieniowe
![Page 23: LASERY NA CIELE STAŁYM - UMKfizyka.umk.pl/~bezet/pdf/IX Lasery na ciele stalym.pdf27 Zalety:-duża wydajnośćkwantowa (do 90%), - szerokie pasmo wzmocnienia 1530 - 1600 nm, - pasma](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022040804/5e3ff87c8d902526bc10a8a7/html5/thumbnails/23.jpg)
23
![Page 24: LASERY NA CIELE STAŁYM - UMKfizyka.umk.pl/~bezet/pdf/IX Lasery na ciele stalym.pdf27 Zalety:-duża wydajnośćkwantowa (do 90%), - szerokie pasmo wzmocnienia 1530 - 1600 nm, - pasma](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022040804/5e3ff87c8d902526bc10a8a7/html5/thumbnails/24.jpg)
24
Wzmacniacze EDFA i PDFA
Wzbudzeniei emisja wzmacniacza Pr3+
Schemat poziomów energetycznych Er3+ (a)i emisja w różnych szkłach (b)
![Page 25: LASERY NA CIELE STAŁYM - UMKfizyka.umk.pl/~bezet/pdf/IX Lasery na ciele stalym.pdf27 Zalety:-duża wydajnośćkwantowa (do 90%), - szerokie pasmo wzmocnienia 1530 - 1600 nm, - pasma](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022040804/5e3ff87c8d902526bc10a8a7/html5/thumbnails/25.jpg)
25
Równania stacjonarne
Gęstość centrów luminescencyjnych
gdzie obsadzenia stanówlaserowych
Równanie kinetyczne
p – pompowane, s - sygnał
lub
gdzie
W warunkach stacjonarnychgdzie a
czyli
![Page 26: LASERY NA CIELE STAŁYM - UMKfizyka.umk.pl/~bezet/pdf/IX Lasery na ciele stalym.pdf27 Zalety:-duża wydajnośćkwantowa (do 90%), - szerokie pasmo wzmocnienia 1530 - 1600 nm, - pasma](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022040804/5e3ff87c8d902526bc10a8a7/html5/thumbnails/26.jpg)
26
Natężenia w funkcji drogi z:
jeśliz normą
Stąd zmiana mocy sygnału na drodze z wynosi
![Page 27: LASERY NA CIELE STAŁYM - UMKfizyka.umk.pl/~bezet/pdf/IX Lasery na ciele stalym.pdf27 Zalety:-duża wydajnośćkwantowa (do 90%), - szerokie pasmo wzmocnienia 1530 - 1600 nm, - pasma](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022040804/5e3ff87c8d902526bc10a8a7/html5/thumbnails/27.jpg)
27
Zalety:
- duża wydajność kwantowa (do 90%),- szerokie pasmo wzmocnienia 1530 - 1600 nm,- pasma wzmocnienia dopasowane do pasm telekomunikacyjnych,- niski poziom szumów dochodzący do teoretycznej 3 dB,- wielkości współczynnika szumów,- izotropowość ośrodka, tak że wzmocnienie nie zależy od stanu polaryzacji,- długi czas życia w stanie wzbudzonym,
(np. czas życia górnego stanu laserowego Er³wynosi 10.2 ms,- niewielkie zapotrzebowanie energetyczne,- wyższa moc nasycenia niż we wzmacniaczach laserowych,- brak odbić i strat na odbicia,- duża niezawodność układu,- elastyczność systemu laserowego polegająca na tym, że układ działa poprawnie przy modulacji analogowej i cyfrowej.
![Page 28: LASERY NA CIELE STAŁYM - UMKfizyka.umk.pl/~bezet/pdf/IX Lasery na ciele stalym.pdf27 Zalety:-duża wydajnośćkwantowa (do 90%), - szerokie pasmo wzmocnienia 1530 - 1600 nm, - pasma](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022040804/5e3ff87c8d902526bc10a8a7/html5/thumbnails/28.jpg)
28
Wzmacniacz Er+3
Przejście laserowe 2 4I15/24I13/2
Pompowanie – do pewnego poziomu 3 stanu 4I13/2
relaksacja do poziomu 2stanu 4I13/2
1:
Równania kinetyczne (układ trójpoziomowy)
gdzieprawdopodobieństwaprzejść spontanicznych
prawdopodobieństwaprzejść wymuszonych
Rozwiązanie stacjonarnegdzie
W T = 293 K Praktycznie = 0 przy pompowaniu 980 nm
![Page 29: LASERY NA CIELE STAŁYM - UMKfizyka.umk.pl/~bezet/pdf/IX Lasery na ciele stalym.pdf27 Zalety:-duża wydajnośćkwantowa (do 90%), - szerokie pasmo wzmocnienia 1530 - 1600 nm, - pasma](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022040804/5e3ff87c8d902526bc10a8a7/html5/thumbnails/29.jpg)
29
Warunek progowy
Maksymalna inwersja
Zalety pompowania linia 980 nm1. β = 0,2. minimalny szum
Wada:mała szerokość linii absorpcyjnej
![Page 30: LASERY NA CIELE STAŁYM - UMKfizyka.umk.pl/~bezet/pdf/IX Lasery na ciele stalym.pdf27 Zalety:-duża wydajnośćkwantowa (do 90%), - szerokie pasmo wzmocnienia 1530 - 1600 nm, - pasma](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022040804/5e3ff87c8d902526bc10a8a7/html5/thumbnails/30.jpg)
30
Wzbudzenie wzmacniaczy przez sprzężenie:
a)od czoła,b)boczne.
![Page 31: LASERY NA CIELE STAŁYM - UMKfizyka.umk.pl/~bezet/pdf/IX Lasery na ciele stalym.pdf27 Zalety:-duża wydajnośćkwantowa (do 90%), - szerokie pasmo wzmocnienia 1530 - 1600 nm, - pasma](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022040804/5e3ff87c8d902526bc10a8a7/html5/thumbnails/31.jpg)
31
Lasery z przemianą częstości
Wzbudzeniedwufotonowe
Wzbudzeniez przejściem lawinowym
WzbudzenieZ transferem energii
Mechanizmy
![Page 32: LASERY NA CIELE STAŁYM - UMKfizyka.umk.pl/~bezet/pdf/IX Lasery na ciele stalym.pdf27 Zalety:-duża wydajnośćkwantowa (do 90%), - szerokie pasmo wzmocnienia 1530 - 1600 nm, - pasma](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022040804/5e3ff87c8d902526bc10a8a7/html5/thumbnails/32.jpg)
32
Schemat poziomówi pompowania lasera Tm3+
z przemianą częstości
Schemat konwersji wzbudzenia przez dwustopniową absorpcję jonu Nd3+
i widmo emisji przy wzbudzeniu 514nm
Wzbudzenie Er3+
przy wzbudzeniutrzema fotonami
Schemat wzbudzenialasera Pr3+ z przemianączęstości
![Page 33: LASERY NA CIELE STAŁYM - UMKfizyka.umk.pl/~bezet/pdf/IX Lasery na ciele stalym.pdf27 Zalety:-duża wydajnośćkwantowa (do 90%), - szerokie pasmo wzmocnienia 1530 - 1600 nm, - pasma](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022040804/5e3ff87c8d902526bc10a8a7/html5/thumbnails/33.jpg)
33
Lasery na ośrodkach nieuporzadkowanych
Ośrodek czynny- cząsteczki ośrodka czynnego,- cząsteczki rozpraszacza w ośrodku czynnym
![Page 34: LASERY NA CIELE STAŁYM - UMKfizyka.umk.pl/~bezet/pdf/IX Lasery na ciele stalym.pdf27 Zalety:-duża wydajnośćkwantowa (do 90%), - szerokie pasmo wzmocnienia 1530 - 1600 nm, - pasma](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022040804/5e3ff87c8d902526bc10a8a7/html5/thumbnails/34.jpg)
34
Mikrolasery
![Page 35: LASERY NA CIELE STAŁYM - UMKfizyka.umk.pl/~bezet/pdf/IX Lasery na ciele stalym.pdf27 Zalety:-duża wydajnośćkwantowa (do 90%), - szerokie pasmo wzmocnienia 1530 - 1600 nm, - pasma](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022040804/5e3ff87c8d902526bc10a8a7/html5/thumbnails/35.jpg)
35
Lasery na centrach barwnychDefekty
![Page 36: LASERY NA CIELE STAŁYM - UMKfizyka.umk.pl/~bezet/pdf/IX Lasery na ciele stalym.pdf27 Zalety:-duża wydajnośćkwantowa (do 90%), - szerokie pasmo wzmocnienia 1530 - 1600 nm, - pasma](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022040804/5e3ff87c8d902526bc10a8a7/html5/thumbnails/36.jpg)
36
Metody otrzymywania centrów:- Zabarwienie fotochemiczne,- Barwienie addytywne,- Barwienie wiązkami elektronowymi.