Metody Optyczne

w Technice

Wykład 5

Lasery i światłowody

Laser

• Laser to urządzenie, które wzmacnia lub zwiększa natężenie światła tworząc silnie ukierunkowaną wiązkę o dużym natężeniu która zwykle ma bardzo czystą częstotliwość i długość fali.

• Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – Wzmocnienie światła przez emisję wymuszoną promieniowania

Zastosowanie

• Odtwarzacze płyt kompaktowych • Podstawowy komponent optycznych systemów

komunikacyjnych • Cięcie, obróbka cieplna, czyszczenie, usuwanie

materiałów w przemyśle i medycynie • Celowniki broni palnej, systemów naprowadzania

rakiet • Dalmierze • Czytniki kodów w sklepach • Produkcja układów scalonych

Zasada działania lasera gazowego

Ośrodki laserujące • Atomy

– Hel-Neon (HeNe), Argon, Hel-Kadm (HeCd), pary miedzi (CVL)

• Cząsteczki – dwutlenek węgla, lasery ekscymerowe (ArF, KrF) , azot

• Ciecze – Barwniki organiczne rozpuszczone w cieczach

• Dielektryczne ciała stałe – Atomy neodymu w granacie itrowo-aluminiowym (Nd:YAG)

lub w szkle (Nd:glass)

• Półprzewodniki – Arsenek galu, fosforek indu i różne mieszaniny domieszek

w tych i innych półprzewodnikach

Stan wzbudzony

Emisja wymuszona

Akcja laserowa

• Absorpcja

• Emisja wymuszona

• Akcja laserowa

LNeII 121

0

LNeII 221

0

11

2 N

N

Inwersja obsadzeń

• W laserach gazowych inwersję obsadzeń (więcej atomów w stanie wzbudzonym niż podstawowym) uzyskujemy przez przyłożenie napięcia wzdłuż rury z rozrzedzonym gazem

Lasery półprzewodnikowe

• Złącze n (nadmiar elektronów) – p (nadmiar dziur)

• Przepływający prąd przepycha elektrony które łącząc się (rekombinując) z dziurami powodują emisję światła i inwersję obsadzeń.

• Przy zbyt niskich prądach inwersja nie następuje, lecz emisja światła tak – Light Emiting Diode (LED)

• Wysokie prądy powodują powstanie dużych ilości ciepła!

Warunki powstania akcji laserowej

• Inwersja obsadzeń

• Wysoki przekrój czynny

• Długa droga światła w ośrodku czynnym (lustra)

Szerokość widmowa

• Szerokość widmowa zależy od tego jaki zakres energii fotonów wymusza emisję kolejnych fotonów

• Zależy to m.in. od długości życia stanów wzbudzonych, oddziaływań i odległości międzyatomowych

Pompowanie ośrodka

• Pompowanie elektronami – gaz, półprzewodniki, pompowanie impulsowe lub ciągłe

• Pompowanie optyczne – ciecze, ciała stałe, lampy błyskowe, inne lasery,

Właściwości wiązki laserowej – Kierunek i rozbieżność wiązki – Profil wiązki – Długość fali i częstotliwość światła w obszarze widma

ośrodka

• Są określone przez zwierciadła lasera, tj. – Krzywizna – Jakość powierzchni – Współczynnik odbicia – Odległość i położenie

• Różne właściwości światła danego lasera nazywamy jego modami

Kształt ośrodka

• Zadaniem konstrukcji lasera jest zgromadzenie światła które normalnie emitowane jest we wszystkich kierunkach i wzmocnienie go w jednym kierunku

• Ośrodki formowane są więc w formie wydłużonej w jednym z kierunków, zaś na końcach umieszcza się zwierciadła

Wzrost wiązki i nasycenie

• W ciągu jednego przejścia przez ośrodek wiązka jest wzmacniana 0,02 – 10 razy w zależności od lasera, jest to za mało na produkcję wiązki laserowej o odpowiedniej mocy – przejść musi być wiele aż do nasycenia

• Wiązka przechodzi od 2 razy (lasery barwnikowe) do 500 razy (lasery HeNe)

• Nasycenie pojawia się gdy wiązka wzrośnie ok. e12 (-1,6 x 105) razy.

• Jedno ze zwierciadeł w części przepuszcza światło w wyniku czego „wycieka” ono jako wiązka laserowa

Podłużne mody wnęki

• Aby układ światła był stabilny między zwierciadłami musi wytworzyć się fala stojąca

• Oznacza to, że między zwierciadłami mieści się całkowita liczna połówek fali

• W jednej wnęce mogą być fale o różnych częstotliwościach - mody

Mody poprzeczne

• Światło może też podróżować w lekko innych kierunkach niż oś rezonatora

• Fala stojąca musi więc wytworzyć się także w kierunku poprzecznym – mody poprzeczne

• Stabilność wnęki rezonansowej

Właściwości laserów

• Kolimacja – promienie światła są równoległe, laser tworzy wiązkę o dużym stopniu kolimacji

– Poziomowanie konstrukcji i terenu

– Dopasowywanie rur

– Przesyłanie światła na duże odlełości

– Wskaźniki laserowe

Właściwości laserów

• Monochromatyzm – czystość barwy (częstotliwości ) światła, niska szerokość widmowa wiązki

– Wiązki jednomodowe

– Stabilne zwierciadła i cała wnęka

Właściwości laserów

• Koherencja (spójność) – długość lub czas trwania części wiązki, która ma stałe różnice faz (jest „w fazie”)

– Tylko spójne fragmenty wiązki mogą interferować

– Często dzieli się wiązkę na dwie części, które interferują ze sobą

Natężenie i radiancja

• Natężenie to moc lasera podzielona przez powierzchnię przekroju wiązki

• Niezwykle ważny parametr obok długości fali) w kontekście spawania, cięcia, obróbki cieplnej, chirurgii laserowej

• Radiancja jest parametrem, który zawiera natężenie i bierze pod uwagę kąt rozbieżności wiązki

Ogniskowalność

• …to zdolność skupienia wiązki w bardzo małą plamkę

• Ważny parametr w kontekście np. odtwarzaczy płyt kompaktowych

• Zazwyczaj wiązki laserowe dają się ogniskować do ok. 0,1 – 0,2 mm

/#4.min

Fd

Laser HeNe

• Pierwszy laser gazowy

• Długość fali 632,8 nm

– Rzadko używane 543,5 nm i kilka linii w podczerwieni

• Praca ciągła, moc 1 – 100 mW

• Długość rezonatora 10-100cm

Argonowi i kryptonowy ( jonowy)

• Szeroki zakres długości fal ze światła widzialnego i nadfioletu (UV) (275-686 nm)

• Moc nawet dziesiątek watów

• Bardzo niska wydajność

Helowo-kadmowy (HeCd)

• Praca ciągła w długościach dali 441,6 nm oraz 325 i 354 nm

• Moc 20 – 200 mW

• Długość rezonatora 40 – 100 cm

Laser na parach miedzi (CVL)

• Długość fali 510 nm (zielona) i 578 nm (żółta)

• Moc do 100 W

• Praca impulsowa z częstością powtarzania 40 kHz i impulsen długości 10-50 ns.

Laser na dwutlenku węgla

• Długość fali ze średniej podczerwieni 10,6 μm

• Praca ciągła z mocą 100kW

• Praca impulsowa z energią impulsu 10 kJ

• Duża (do 30%) sprawność zamiany energii elektrycznej w światło

Lasery ekscymerowe • Posiadają mieszankę gazów szlachetnych takich jak

argon, krypton, xenon z rektywnym gazem takim jak fluorek czy chlorek

• Długości fal 193 nm (ArF), 248nm (KrF), 308 nm (XeCl) i 351 nm (XeF)

• Praca impulsowa, impulsy 10-50 ns o mocy 0,2-1 J z częstotliwością repetycji 1 kHz

• Powszechnie używane w chirurgii

Barwniki organiczne

• Duża dostrajalność długości fali, 320-1500nm w zależności od użytego barwnika

• Praca ciągła (kilka watów)

• Praca impulsowa (50-100 mJ/impuls)

• Ultrakrótkie impulsy (nawet 5 fs)

Laser rubinowy

• Długość fali 694 nm

• Pierwszy laser pokazany w ogóle

• Zawiera krystaliczny szafir domieszkowany atomami chromu (0,05%)

• Mało efektywny i praktycznie nieużywany

Laser Nd:YAG

• Długośc fali 1,06 μm

• Pompowanie optyczne lampami błyskowymi lub innymi laserami (szczególnie półprzewodnikowymi na arsenku galu)

• Praca ciągła o mocy 250W

• Praca impulsowa o energii 1 J/impuls

Laser tytanowy na szafirze (TI:szafir)

• Laser o szerokim widmie i możliwościach przestrajania

• Długość fali 660-1180nm

• Krótie impulsy w pracy impulsowej

• Pompowany optycznie przez laser argonowy lub Nd:YAG (druga harmoniczna)

Laser erbowy światłowodowy

• Długość fali 1,4-1,6 μm

• Można wprząść w zwykły telekomunikacyjny światłowód

• Używany jako wzmacniacz światłowodowy

Lasery półprzewodnikowe

• Małe, bardzo sprawne (dużo mniejsze niż 1 mm)

• Długości fal od 375nm do 3,3μm

• Wnęka rezonanasowa ma przekrój poprzecznyw kształcie prostokąta (ok. 2 μm x 10 μm). Tak małe rozmiary powodują dużą rozbieżność wiązki

• Niskie zużycie prądu, mała koherencja wiązki

• Powszechnie stosowane w telekomunikacji

przerwa

Światłowody

• Narodziny komunikacji światłowodowej związane były z produkcją włókien optycznych o niskiej tłumienności oraz laserów działających w temperaturze pokojowej

• Obecnie światłowody mają praktycznie zerowe straty i prawie nieskończoną szerokość widma

• Poza telekomunikacją światłowody używane są w czujnikach optycznych.

Telekomunikacja

• Komunikacja tworzy potrzebę przesłania informacji (mowy, obrazu, danych) z jednego punktu do drugiego.

• Nośnikiem infromacji stała się modulowana fala elektromagnetyczna (radiowa, mikrofala, światło)

• Ilość informacji która może zostać przesłana rośnie wraz z częstotliwością przenoszącej ją fali

Fotofon Grahama Bella

Komunikacja światłowodowa

• Odległość między wzmacniaczami sygnału może wynosić 250 km

• Układ telekomunikacyjny:

– Dioda laserowa lub LED, światłowód, sprzęgacz, wzmacniacz, fotodioda

Całkowite wewnętrzne odbicie

Całkowite wewnętrzne odbicie

Światłowód

Światłowód szklany: a=25 μm, n2 = 1,45, Δ = 0,01, n1 = 1,465

Powłoka

• Włókno światłowodowe jest otoczone wielokrotnie grubszą powłoką ochronną, która ma za zadanie chronić włókno przed uszkodzeniami mechanicznymi i zwiększyć komfort manipulacji nim

Produkcja światłowodów

• Szkło jest płynne w wysokiej temperaturze i wraz ze spadkiem temperatury gęstnieje i staje się twarde – daje się wyciągać w długie nici

• Szkło jest bardzo przeźroczyste dla szerokiego widma promieniowania optycznego

• Szkło w temperaturze pokojowej jest bardzo wytrzymałe na rozciąganie

Apertura numeryczna

• Apertura numeryczna określa kąt rozwarcia stożka możliwych kierunków z których światło wprowadzone do światłowodu będzie w nim biec

Tłumienność światłowodu

• Jeśli 96% światła jest transmitowane tłumienność wynosi 0,18 dB

• Typowy wzmacniacz światłowodowy zwiększa moc 1000 krotnie tj. o 30 dB

• Tłumienność zwiększa rozpraszanie, domieszki (np. jony żelaza, jony OH)

Tłumienność

Dyspersja sygnału

• Sygnał cyfrowy przesyłany jest jako szereg pojedynczych impulsów światła

• Pojedyczy impuls biegnący w światłowodzie zostaje poszerzony na skutek dyspersji

– Różne promienie potrzebują różnych czasów przejścia przez światłowód – dyspersja międzymodowa

– Źródła światła mają niezerową szerokość widmową – dyspersja materiałowa

– Dyspersja falowodowa dla transmisji jednomodowej

Dyspersja

Maksymalna przepustowość

• Poszerzenie impulsów ogranicza ich liczbę w czasie która może być transmitowana

• Na przepustowość wpływają tez charakterystyki źródła sygnału i detektora

Mody światłowodowe

• Model propagacji oparty na całkowitym wewnętrznym odbiciu jest prawidłowy dla bardzo dużych szerokości rdzenia (światłowodów silnie wielomodowych)

• Dla mniejszych szerokości trzeba wziąć pod uwagę optykę falową

• W przekroju poprzecznym światłowodu musi powstać fala stojąca

• Sprawia to, że dozwolone są jedynie dyskretne wartości kątów prowadzenia światła - mody

Czujniki światłowodowe

• Niski koszt, małe rozmiary, duża dokładność, elastyczność niezawodność, szybkość działania

• Możliwość użycia w niebezpiecznych i wybuchowych warunkach

• Rozłożona geometria czucia • Temperatura, ciśnienie, prąd elektryczny, obroty,

naprężenia, właściwości chemiczne i biologiczne • Zastosowanie jako czujniki w mostach, tunelach,

inżynierii procesowej, instrumentach medycznych, samolotach, rakietach, samochodach

Czujniki zewnętrzne • Światłowód doprowadza i odprowadza sygnał

zaś zmiana jego parametrów odbywa się poza światłowodem

– Przesunięcia, prędkość (ef. Dopplera), poziom cieczy

Czujniki wewnętrzne

• Parametry fizyczne wpływają bezpośrednio na właściwości włókna, co zmienia natężenie, polaryzację, fazę sygnału

• Czujnik interferometryczny Macha-Zendera

• Żyroskop światłowodowy