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.