vrste laserjev - university of...

Osnove laserske tehnike

Vrste laserjev

Parametri laserskih izvorov

Plinski laserji

Trdninski laserji

Polprevodniški laserji

Vlakenski laserji

1


Parametri laserskih izvorov

2

Optični parametri:

Valovna dolžina

Način delovanja: kontinuirno (CW) / bliskovno

Izhodna moč / energija

Čas bliska, frekvenca ponavljanja bliskov

Kvaliteta žarka (premer, rodovna struktura, divergenca)

Ostalo:

Izkoristek

Zahtevnost vzdrževanja

Življenska doba

Velikost


Plinski laserji

3

He-Ne laser

CO2 laser

Ekscimerni laser


Skupne značilnosti plinskih laserjev

4

Aktivna snov je plin (mešanica)

Črpanje:

Z razelektritvijo

Kemično

Kompresija/ekspanzija plina (redkeje)

Dobra kvaliteta žarka (tudi pri večjih močeh)

Valovne dolžine v IR, vidnem in UV področju


He-Ne laser

5


Značilnosti He-Ne laserjev

6

Aktivna snov je plinska mešanica: 85% He – črpalni in hladilni medij

15% Ne – laserski medij

Črpanje z razelektritvijo

Valovne dolžine:

543.5, 594, 604, 612, 632.8 (najpogostejša), 1150 in 3390 nm

Kontinuirno delovanje

Izhodna moč: 0.5-100 mW

Visoka kvaliteta žarka: TEM00

Dolga življenska doba: do 50,000 ur

Dolžina resonatorja: 0.1-1 m


Črpanje He-Ne laserja

7

1: vzbujanje elektronov z razelektritvijo 2: vzbujanje helija na metastabilni nivo preko trkov z elektroni 3: vzbujanje neona na zgornji laserski nivo preko trkov z

vzbujenimi He atomi

Vzbujanje He: Po prenosu energije s He na Ne:

Metastabilni nivo helija

Helij Neon Helij Neon

Vzbujanje He atomov s trki elektronov v plazemskem obloku

Vzbujanje Ne atomov s trki med vzbujenimi He atomi


Energijski diagram He-Ne laserja

8


Shema He-Ne laserja

9

Katoda

Izstopno zrcalo (prepustno 1%)

Rezervoar He-Ne plina (p=~0.003 bar)

Anoda

Zadnje (100%) zrcalo

Kapilara, ki določa razelektritveno območje

Električno napajanje

balastni upor cca 1000 V

zagon

delovanje


Zgradba He-Ne laserja

10


Zgradba He-Ne laserja

11


Uporaba He-Ne laserjev

12

Zaradi visoke kvalitete žarka se uporablja predvsem v merilni tehniki:

Interferometrija

Čitalci črtnih kod

Lasersko uravnavanje in niveliranje

V zadnjem času jih izpodrivajo polprevodniški laserji


CO2 laser

13


Značilnosti CO2 laserjev

14

Aktivna snov je plinska mešanica (1:1:8):

CO2 (laserski medij)

N2 (črpalni medij)

He (hladilni medij)

Črpanje z razelektritvijo

Valovne dolžine v IR območju (~9-11 mm -prevladuje 10.6 mm)

Kontinuirno in bliskovno delovanje

Izhodna moč: >10 kW

Kvaliteta žarka: eno in večrodovna struktura

Dober izkoristek: do 30%

Velikost: narašča z močjo – od 0.3 m do >2 m


Notranja energija molekul

15

Notranjo energijo molekul sestavljajo trije prispevki:

Notranja energija atomov (Wat) – razporeditev elektronov po energijskih lupinah

Energija nihanja atomov okrog težišča molekule (Wnih)

Energija rotacije molekule okrog njenega težišča (Wrot)

Vsi trije prispevki so kvantizirani!


Aktivna snov - CO2 molekule

16

Molekula CO2 ima tri lastne nihajne oblike:


Aktivna snov - CO2 molekule

17

Pri CO2 laserju se izkorišča energijske prehode med vibracijskimi stanji molekul:

simetrične oblike

upogibne oblike

asimetrične oblike

Ener

gija

(eV

)


Energijski diagram CO2 laserja

18

1: vzbujanje elektronov z razelektritvijo 2: vzbujanje N2 na metastabilni vibracijski nivo preko trkov z

elektroni 3: vzbujanje CO2 na zgornji laserski nivo preko trkov z vzbujenimi N2

molekulami


Izvedbe CO2 laserjev

19

Zaprta izvedba

Izvedbe z aksialnim pretokom plina

aksialna razelektritev

transverzalna razelektritev

Izvedbe s transverzalnim pretokom plina


CO2 laser – zaprta izvedba

20


CO2 laser z aksialnim pretokom in aksialno razelektritvijo

21


CO2 laser s transverzalnim pretokom in razelektritvijo

22


CO2 laser s transverzalnim pretokom in razelektritvijo

23


TEA – CO2 laser

24

TEA – Transversely Excited at Atmospheric pressure

Kot že ime pove, ti laserji delujejo pri visokem tlaku (>=1 bar)

Z zviševanjem tlaka se povečuje izhodna moč na volumen plina.

Zaradi nestabilnosti razelektritve pri višjih tlakih (nad 13.3 kPa) delujejo v bliskovnem načinu.

Zaradi visoke prebojne električne jakosti pri atmosferskem tlaku (cca 1.2 kV/mm), se uporablja le prečno razelektritev.

Ti laserji dosegajo visoko energijo na enoto volumna aktivne snovi (do 50 J/liter).


Shema TEA – CO2 laserja

25


Uporaba CO2 laserjev

26

Obdelava materialov

rezanje

vrtanje

varjenje

…

Medicina

rezanje in ablacija tkiva

Pri obdelovalnih procesih jih zaradi ustreznejše valovne dolžine postopoma izpodrivajo trdninski (Nd:YAG) in vlakenski laserji.


Ekscimerni laserji

27


Značilnosti ekscimernih laserjev

28


Energijski diagram KrF laserja

29


Značilnosti ekscimernih laserjev

30


Shema ekscimernega laserja

31

Konstrukcija je podobna TEA laserju - transverzalna razelektritev in pretok plina.


Uporaba ekscimernih laserjev

32

Obdelava materialov

visoka absorbcija UV svetlobe, visoka energija bliskov

Fotolitografija

visoka ločljivost zaradi kratke valovne dolžine

Medicina

visoka absorbcija UV svetlobe in posledično majhna vdorna globina

Kot svetlobni izvor pri optičnem črpanju nekaterih laserjev


Trdninski laserji

33

Nd:YAG

Nd:steklo

Rubinov laser


Nd:YAG laser

34


značilnosti Nd:YAG laserjev

35

Aktivna snov je YAG kristal (itrijev aluminijev granat - Y3Al5O12), ki so mu dodane primesi Nd3+

Valovna dolžina: 1064 nm – uporabni so isti optični elementi kot za vidno svetlobo

Nekatere izvedbe uporabljajo nelinearne kristale za podvojevanje oziroma potrojevanje frekvence svetlobe (valovni dolžini 532 in 355 nm)

Optično vzbujanje (bliskavke, polprevoniški laserji, …) Možno je kontinuirno ali bliskovno delovanje Bliskovni načini: prosta generacija, preklop kvalitete ali

uklepanje rodov izhodna moč (povprečna): do nekaj kW Izkoristek: ~1% (vzbujanju z bliskavico) do 30% (vzbujanje s polprevodniškim laserjem)


Energijski diagram Nd:YAG laserja

36

Nd:YAG je štirinivojski sistem, zato je inverzna populacija dosežena že pri majhni moči črpanja.


Shema Nd:YAG laserja

37

bliskavica

aktivna snov

Q preklopnik (opcijsko) reflektor za svetlobo bliskavice

zadnje ogledalo

delno prepustno ogledalo

Prožilni pulz

El. napajanje

kondenzator dušilka


Konfiguracije bliskavke in laserske palice

38


Nd:YAG laserski izvor kot sistem

39


Primerjava črpanja z bliskavico in polprevodniškim laserjem

40


Črpanje s polprevodniškim laserjem vzdolžna konfiguracija

41


Črpanje s polprevodniškim laserjem prečna konfiguracija

42


Uporaba Nd:YAG laserjev

43

Obdelava materialov

rezanje, vrtanje, varjenje, označevanje, dolbenje, krivljenje, …

v primerjavi s CO2 laserjem se svetloba bolje absorbira v materialu

Medicina

dermatologija, kirurgija, estetika, …


Laser Nd:steklo

44

Nosilec Nd3+ ionov je lahko tudi steklo,

je izotropno, poceni in enostavno za izdelavo,

valovna dolžina: 1054 do 1062 nm,

aktivna snov ima večje optično ojačanje kot Nd:YAG,

ima slabo toplotno prevodnost, zato ni mogoče kontinuirno delovanje ali bliskovno z repeticijo večjo od nekaj Hz,

uporablja se predvsem za ojačevalnike v laserjih velikih energij (do 5000 J) vendar z majhno repeticijo.


Rubinov laser

45


Rubinov laser - značilnosti

46

Prvi delujoči laser (1960), a se danes bolj redko uporablja.

Aktivna snov je kristal rubina (Al2O3) z ~0.05% primesi kroma, ki kot Cr3+ zaseda mesta Al3+ v kristalni rešetki.

Rubin absorbira svetlobo v modrem in zelenem delu spektra in emitira svetlobo v rdečem delu spektra (692.7 in 694.3nm).

3 nivojski sistem: prag inverzne populacije je razmeroma visok, zato je potrebno intenzivno črpanje.

Slab izkoristek – potrebno intenzivno hlajenje.

Komercialni modeli delujejo bliskovno– razmeroma nizke povprečne moči (nizka repeticija).

Prosta generazija: energije do 400 J/blisk,

Preklop kvalitete: energije do 10J/blisk, vršna moč do 10MW/blisk


Rubinov laser – energijski diagram

47


Rubinov laser – uporaba

48

Holografija – zaradi visoke energije bliskov in velike koherenčne dolžine je možna osvetlitev holografskih plošč z enim samim bliskom.

Medicina – odstranjevanje tattoojev.


Polprevodniški laserji

49

sopomenki:

diodni laserji

laserske diode


Polprevodniški laserji – značilnosti

50

Aktivna snov: polprevodniški materiali (GaAs, AlGaAs, InP, …)

Valovna dolžina: najpogosteje med 0.5 in 1.55mm.

Črpanje: električno

Kontinuirno delovanje (možno tudi bliskovno, vendar vršna moč ni bistveno višja)

Izhodna moč: od mW do W

Visok izkoristek: cca 50%

Majhna velikost: <1mm !!!


Energijski pasovi v trdnih snoveh

51

Če so atomi medsebojno dovolj oddaljeni, njihovi elektronski ovoji ne vplivajo drug na drugega – diskretni črtni spektri.

Ko se atomi dovolj približajo (npr. ob kristalizaciji), začnejo njihovi elektronski ovoji vplivati drug na drugega.

Energijski nivoji se zato razširijo v pasove.

Energijski pasovi atoma

Ener

gija

ele

kto

no

v

Razdalja med atomi

Tipična razdalja med atomi (~1nm)


Valenčni in prevodni energijski pas

52

Za delovanje laserjev so najpomembnejši elektroni na zunanji lupini.

Ti lahko zasedajo dva energijska pasova: valenčni in prevodni pas

V valenčnem pasu so elektroni „trdno“ vezani k posameznim atomom.

V prevodnem pasu se lahko elektroni prosto gibljejo pod vplivom električnega polja (premikajo se od - proti +)

Prepovedan pas je območje energij, ki jih elektroni ne morejo zasesti.

Širina prepovedanega pasu določa energijo, ki je potrebna za prehod elektrona iz valenčnega v prevodni pas.

Prevodni pas

Valenčni pas

Ener

gija

Prepovedani pas


Struktura energijskih pasov snovi z različno električno prevodnostjo

53

Izolator in polprevodnik se razlikujeta v širini prepovedanega pasu.

Pri polprevodniku je potrebna majhna energija (EG~1eV) za prehod elektrona v prevodni pas (dovolj je gretje, da postane električno prevoden).


Primer polprevodnika – čisti silicij

54


Rekombinacija prostega elektrona in vrzeli v polprevodnikih

55

V polprevodniku lahko toplotna energija poruši katero od vezi. Nastane elektron, ki je prost in lahko sodeluje pri prevajanju el. toka.

Na mestu, kjer je bila porušena vez, nastane VRZEL (primankljaj elektrona).

V primeru zapolnitve vrzeli s prostim elektronom (REKOMBINACIJA) se lahko sprosti energija v obliki vibracij kristalne strukture (toplota), ali pa izseva foton energije EG=hn.

Oblika sproščene energije je odvisna od polprevodniške snovi (Silicij ne izseva fotonov!).

EG

Prevodni pas

Valenčni pas

hn = EG

Prosti elektroni

Vrzeli


Dodajanje primesi v polprevodnik pridobivanje prostih elektronov in vrzeli

56

Z zamenjavo nekaterih atomov v kristalni strukturi z atomi, ki imajo na zunanji lupini en elektron več oziroma manj, lahko spreminjamo koncentracijo prostih elektronov oziroma vrzeli in s tem prevodnost.

V primeru primesi, ki poveča število prostih elektronov, nastane n-tip polprevodnika (negativni naboj).

S primesjo, ki poveča število vrzeli, nastane p-tip polprevodnika (pozitivni naboj).


Primer polprevodnika P-tipa z manjkajočimi elektroni

57


Primer polprevodnika N-tipa z dodatnimi elektroni

58


PN spoj (dioda)

59


PN spoj polariziran v NEPREVODNI smeri

60


PN spoj polariziran v PREVODNI smeri

61


Energijski nivoji PN spoja

62


Snovi za polprevodniške laserje

63


Slika kristalne strukture galijevega arzenida

64


Polprevodniški laser kot 4-nivojski sistem

65


LED in laserska dioda

66


Laser z enojnim PN spojem

67


Homogena in heterogena struktura laserjev - princip

68


Heterostruktura prostorska omejitev nosilcev toka in fotonov

69

Bolj koncentrinano dovajanje el. toka v aktivno področje omogoča manjši vnos energije in posledično manjše segrevanje diode.

Heterostruktura - plasti različnih polprevodnikov z različnimi lomnimi količniki - zagotavlja, da se svetloba zaradi totalnega odboja širi le znotraj aktivnega področja.


Heterostruktura prostorska omejitev nosilcev toka in fotonov

70


Optične karakteristike žarka polprevodniškega laserja

71


Primer izvedbe laserske diode

72


Statična karakteristika laserske diode

73


Temperaturna karakteristika laserske diode

74


Temperaturna karakteristika (2) laserske diode

75


Občutljivost na statično elektriko

76


Polprevodniški laserji velikih moči

77


Polprevodniški laserji velikih moči osnovni gradnik

78


Polprevodniška laserska palica

79


Sklad polprevodniških palic

80


Vlakenski laserji

81


Vlakenski laserji princip delovanja

82


Vlakenski laserji notranja zgradba vlakna

83


Primer vlakenskega laserja manjše moči

84


Dinamika razvoja vlakenskih laserjev

85


Prednosti vlakenskih laserjev

86


Primerjava treh tipov obdelovalnih laserjev

87

vrste laserjev - university of...

Documents