Transcript Document
Přeladitelné lasery, optické parametrické generátory a ramanovské lasery Laserové systémy 2009-2010 Přeladitelné lasery, optické parametrické generátory a ramanovské lasery I. Klasické lasery-“monochromatické“ Nd:YAG, rubín, He-Ne atd. Lze přelaďovat pouze diskrétně mezi jednotlivými přechody a generovat nové vlnové délky metodami nelineární optiky. Př: Generace v Nd:YAG na vlnových délkách 1.06um, 1.32 um, 1.44 um… Generace vyšších harmonických frekvencí.:0.532 um, 0.355 um… II. Přeladitelné pevnolátkové lasery: Ti:safír, Alexandrit, forsterit… - vibrační hladiny, lze přelaďovat spojitě v širokém rozsahu. III. Optické parametrické generátory. Založeny na třívlnové interakci světelných vln v nelineárním prostředí. Dochází k výměně energie mezi čerpací, signálovou a jalovou vlnou. Spojitě přeladitelné v širokém rozsahu. IV. Ramanovské lasery - využívají stimulovaného Ramanova rozptylu v plynných a pevných látkách. Diskrétní ladění. Vlnové délky nejpoužívanějších laserů I. Klasické lasery-“monochromatické“ Nd:YAG, rubín, He-Ne atd. Lze přelaďovat pouze diskrétně mezi jednotlivými přechody a generovat nové vlnové délky metodami nelineární optiky. Př: Generace v Nd:YAG na vlnových délkách 1.06um, 1.32 um, 1.44 um… Generace vyšších harmonických frekvencí.:0.532 um, 0.355 um… Přelaďování Nd:YAG laseru Vlnové délky generované Nd:YAG laserem Metody přelaďování vlnové délky • Dichroickými zrcadly (diskrétní ladění, potlačení jiných vlnových délek) • Disperzními hranoly v rezonátoru • Mřížkami v rezonátoru (uzší spektrum) • Dvojlomými etalony Dvoufrekvenční Nd:YAG Laser Přelaďování disperzním hranolem Dual wavelength generation of a diode pumped Nd:GdVO4 laser at 1063 and 1066 nm Václav Kubeček*, Michal Drahokoupil, Petr Zátorský, Miroslav Čech and Petr Hiršl Czech Technical University, Faculty of Nuclear Sciences and Physical Engineering Brehova 7, 115 19 Prague 1, Czech Republic SPIE Photonics Europe 08: Paper 6998-32 Fluorescent spectra of Nd:GdVO4 Czeranowsky et.al. , Optics Communications 205 (2002) 361-36 Nd:GdVO4 lasing at different wavelengths from 1063nm 912 nm /456 nm Czeranowsky et.al. Opt. Communications 205 (2002) 361-36 1340 nm/670 nm Agnesi et al. Opt. Lett. 29, (2004) 5658 1082.4 – 1083.5 nm Chen et. al. Opt. Lett. 30, (2005) 21072109 This work : 1063 nm and 1066 nm lasing of Nd:GdVO4 in a bounce geometry. Experimental setup (grazing incidence geometry *) M3 (R3= 30% or 88 % ) POL M2 WP Nd:GdVO4 M1 λ/2 waveplate L D M1 - flat rear mirror, M2 - folding mirror (concave 1m radius of curvature), M3- flat and wedged output coupler with reflectivity of 30% or 88 %, LD – 100 W QCW laser diode array, AM – active medium slab, WP-wave plate, POL-polarizer * A.J. Alcock and J.E. Bernard, “Diode-pumped grazing incidence slab lasers,”IEEE J. Sel. Topics in QE, 3, 3-8 (1997) Active medium and laser diode Slab crystal: Nd:GdVO4 –1% Nd 16x4x2 mm FOCtek, China 16 mm AR @ 808 nm 4 mm AR @ 808 nm 14 mm Output characteristics of the dual frequency Nd:GdVO4 laser. Dual frequency Nd:GdVO4 laser 4 6 1063 nm(1) 1066 nm(2) 1063 nm( ) 1066 nm() Laser energy [mJ] Laser energy [mJ] 3 2 4 2 1 0 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 LD current [A] Rout = 30 %, tpump = 100 us, %, tpump = 150 us Efficiency : 38 %/15% Efficiency : 33 %/28% 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 LD current [A] R out = 88 Measured spectra of Nd:GdVO4 Dual frequency Nd:GdVO4 laser 900 800 pol. - pol. Intensity [a.u.] 700 600 500 400 300 200 100 0 1060 1061 1062 1063 1064 1065 1066 1067 1068 1069 1070 Wavelenght [nm] Ocean Optics HR 2000 fiber spectrometer (resolution 1 nm) DUAL wavelength laser WITHOUT POLARIZER - TUNING BY M1 ONLY M3 (R3= 88%) M 2 AM WP M1 L D 1063 nm, E out 4,6 mJ TEM00 1066 nm, Eout: 3.5 mJ TEM00/4,6 mJ TEM01 DUAL WAVELENGTH, Eout 4 mJ TEM01, (1,5 mJ 1063, 2.5 mJ 1066) Pump 99,9 A, 150 us, 50Hz II. Přeladitelné pevnolátkové lasery: Ti:safír, Alexandrit, forsterit… - vibrační hladiny, lze přelaďovat spojitě v širokém rozsahu. II. Generace-Pevnolátkové vibrační přeladitelné lasery od r. 1984 Vibrační lasery - principy • Laditelnost je dosažena vazbou mezi stimulovanou emisí fotonu a emisí vibračního kvanta (fononu) • Celková energie přechodu je fixní ale může být rozdělena mezi fotony a fonony spojitým způsobem • Interakce mezi Coulomb polem laserového iontu, polem krystalové mříže a elektron-fononovou vazbou • Zisk ve vibračních laserech závisí na přechodech nei vázanými vibračními a elektronovými stavy. Parametry nejpoužívanějších krystalů přeladitelných laserů Aktivní materiály Nejvýznamnější představitel – Titan:safírový laser Příklad pulzně buzeného Ti:Sa laseru Charakteristiky pulzně buzeného Ti:Sa laseru Příklad pulzně buzeného Ti:Sa laseru s uzší spektr. šířkou Kontinuálně buzený Ti:Sa laser Kompaktní Cr:YAG laseryoblast kolem 1.5 um Yterbiove lasery Závěr • PVL lasery lze přelaďovat od 600 nm do 4500 nm. Optické parametrické generátory a ramanovské lasery Laserové systémy 2009-2010 … III. Optické parametrické generátory. Založeny na třívlnové interakci světelných vln v nelineárním prostředí. Dochází k výměně energie mezi čerpací, signálovou a jalovou vlnou. Spojitě přeladitelné v širokém rozsahu. Optická parametrická generace a zesilování • Nelineárně optický proces probíhající v nelineárním krystalu, kdy za určitých podmínek světelná vlna o kruhové frekvenci w(p) předá svoji energii dvěma vlnám o frekvencích w(s) a w(i). • Musí platit w(p) = w(s) + w(i). (Zachování energie) • • • • k(p) = k(s) + k(i). (zachování impulsu ) Třívlnová interakce, je popsána složkou nelineární susceptibility c(2) Využívá optickou vlnu o nejkratší vlnové délce ke generaci dvou vln o vyšších vlnových délkách. První OPG – Giordmaine a Miller, 1965 Laser 1960- Maiman Parametrické zesílení Parametrická generace Rezonátory OPG Metody přelaďování vlnové délky Natáčením krystalu Laděním teploty krystalu Jedná se o splnění podmínky fázového synchronismu BBO OPO čerpaný harmonickými Nd laseru Příklad pulzně buzeného OPO Parametry OPG OPG Příklady: www.ekspla.com Závěr • OPG lasery lze přelaďovat od 250 nm do 6000 nm. IV. Ramanovské lasery - využívají stimulovaného Ramanova rozptylu v plynných a pevných látkách. Diskrétní ladění. Ramanovské lasery dochází k nepružnému rozptylu čerpacích fotonů a část jejich energie je předána prostředí- např vibrační kmity molekul či elektronová excitace • Princip: Stimulovaný Ramanův rozptyl • Nelineárně optický jev 3. řádu • Susceptibilita c(3) • Generace diskrétních frekvencí • sStokes, Ramanovský posuv, Stokesova frekvence, antistokesova frekv Ramanovská prostředí dochází k nepružnému rozptylu fotonů a část jejich energie je předána prostředí- např vibrační kmity molekul či elektronová excitace • Plyny • Pevné látky (krystalické) • Skla- optická vlákna Schemata Raman. laserů Plynné prostředí H2 Raman Laser Vláknový laser www.ipgphotonics.com Pevnolátkový Ramanovský laser Zajímavá oblast je nyní v blízké IČ • Měření polucí, laserová medicína.