Vrste laserjev. Parametri laserskih izvorov Plinski laserji Trdninski laserji Polprevodniški laserji Vlakenski laserji. Osnove laserske tehnike

Transcription

1 Vrste laserjev Parametri laserskih izvorov Plinski laserji Trdninski laserji Polprevodniški laserji Vlakenski laserji 1

2 Parametri laserskih izvorov 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 2

3 Plinski laserji He-Ne laser CO 2 laser Ekscimerni laser 3

4 Skupne značilnosti plinskih laserjev 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 4

5 He-Ne laser 5

6 Značilnosti He-Ne laserjev 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, (najpogostejša), 1150 in 3390 nm Kontinuirno delovanje Izhodna moč: mw Visoka kvaliteta žarka: TEM 00 Dolga življenska doba: do 50,000 ur Dolžina resonatorja: m 6

7 Črpanje He-Ne laserja 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: Metastabilni nivo helija Vzbujanje He atomov s trki elektronov v plazemskem obloku Po prenosu energije s He na Ne: Vzbujanje Ne atomov s trki med vzbujenimi He atomi Helij Neon Helij Neon 7

8 Energijski diagram He-Ne laserja 8

9 Shema He-Ne laserja Katoda Kapilara, ki določa razelektritveno območje Anoda Izstopno zrcalo (prepustno 1%) Rezervoar He-Ne plina (p=~0.003 bar) Električno napajanje Zadnje (100%) zrcalo balastni upor cca 1000 V delovanje zagon 9

10 Zgradba He-Ne laserja 10

11 Zgradba He-Ne laserja 11

12 Uporaba He-Ne laserjev 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 12

13 CO 2 laser 13

14 Značilnosti CO 2 laserjev Aktivna snov je plinska mešanica (1:1:8): CO 2 (laserski medij) N 2 (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 14

15 Notranja energija molekul Notranjo energijo molekul sestavljajo trije prispevki: Notranja energija atomov (W at ) razporeditev elektronov po energijskih lupinah Energija nihanja atomov okrog težišča molekule (W nih ) Energija rotacije molekule okrog njenega težišča (W rot ) Vsi trije prispevki so kvantizirani! 15

16 Aktivna snov - CO 2 molekule Molekula CO 2 ima tri lastne nihajne oblike: 16

17 Energija (ev) Aktivna snov - CO 2 molekule Pri CO 2 laserju se izkorišča energijske prehode med vibracijskimi stanji molekul: simetrične oblike upogibne oblike asimetrične oblike 17

18 Energijski diagram CO 2 laserja 1: vzbujanje elektronov z razelektritvijo 2: vzbujanje N 2 na metastabilni vibracijski nivo preko trkov z elektroni 3: vzbujanje CO 2 na zgornji laserski nivo preko trkov z vzbujenimi N 2 molekulami 18

19 Izvedbe CO 2 laserjev Zaprta izvedba Izvedbe z aksialnim pretokom plina aksialna razelektritev transverzalna razelektritev Izvedbe s transverzalnim pretokom plina 19

20 CO 2 laser zaprta izvedba 20

21 CO 2 laser z aksialnim pretokom in aksialno razelektritvijo 21

22 CO 2 laser s transverzalnim pretokom in razelektritvijo 22

23 CO 2 laser s transverzalnim pretokom in razelektritvijo 23

24 TEA CO 2 laser 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). 24

25 Shema TEA CO 2 laserja 25

26 Uporaba CO 2 laserjev 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. 26

27 Ekscimerni laserji 27

28 Značilnosti ekscimernih laserjev 28

29 Energijski diagram KrF laserja 29

30 Značilnosti ekscimernih laserjev 30

31 Shema ekscimernega laserja Konstrukcija je podobna TEA laserju - transverzalna razelektritev in pretok plina. 31

32 Uporaba ekscimernih laserjev 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 32

33 Trdninski laserji Nd:YAG Nd:steklo Rubinov laser 33

34 Nd:YAG laser 34

35 značilnosti Nd:YAG laserjev Aktivna snov je YAG kristal (itrijev aluminijev granat - Y 3 Al 5 O 12 ), ki so mu dodane primesi Nd 3+ 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) 35

36 Energijski diagram Nd:YAG laserja Nd:YAG je štirinivojski sistem, zato je inverzna populacija dosežena že pri majhni moči črpanja. 36

37 Shema Nd:YAG laserja zadnje ogledalo dušilka reflektor za svetlobo bliskavice aktivna snov bliskavica kondenzator Q preklopnik (opcijsko) delno prepustno ogledalo Prožilni pulz El. napajanje 37

38 Konfiguracije bliskavke in laserske palice 38

39 Nd:YAG laserski izvor kot sistem 39

40 Primerjava črpanja z bliskavico in polprevodniškim laserjem 40

41 Črpanje s polprevodniškim laserjem vzdolžna konfiguracija 41

42 Črpanje s polprevodniškim laserjem prečna konfiguracija 42

43 Uporaba Nd:YAG laserjev Obdelava materialov rezanje, vrtanje, varjenje, označevanje, dolbenje, krivljenje, v primerjavi s CO2 laserjem se svetloba bolje absorbira v materialu Medicina dermatologija, kirurgija, estetika, 43

44 Laser Nd:steklo Nosilec Nd 3+ 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. 44

45 Rubinov laser 45

46 Rubinov laser - značilnosti Prvi delujoči laser (1960), a se danes bolj redko uporablja. Aktivna snov je kristal rubina (Al 2 O 3 ) z ~0.05% primesi kroma, ki kot Cr 3+ zaseda mesta Al 3+ 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 46

47 Rubinov laser energijski diagram 47

48 Rubinov laser uporaba Holografija zaradi visoke energije bliskov in velike koherenčne dolžine je možna osvetlitev holografskih plošč z enim samim bliskom. Medicina odstranjevanje tattoojev. 48

49 Polprevodniški laserji sopomenki: diodni laserji laserske diode 49

50 Polprevodniški laserji značilnosti 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!!! 50

51 Energija elektonov Energijski pasovi v trdnih snoveh 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 Tipična razdalja med atomi (~1nm) Razdalja med atomi 51

52 Energija Valenčni in prevodni energijski pas 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 +) Prevodni pas Prepovedani pas Prepovedan pas je območje energij, ki jih elektroni ne morejo zasesti. Valenčni pas Širina prepovedanega pasu določa energijo, ki je potrebna za prehod elektrona iz valenčnega v prevodni pas. 52

53 Struktura energijskih pasov snovi z različno električno prevodnostjo Izolator in polprevodnik se razlikujeta v širini prepovedanega pasu. Pri polprevodniku je potrebna majhna energija (E G ~1eV) za prehod elektrona v prevodni pas (dovolj je gretje, da postane električno prevoden). 53

54 Primer polprevodnika čisti silicij 54

55 Rekombinacija prostega elektrona in vrzeli v polprevodnikih 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 E G =hn. Oblika sproščene energije je odvisna od polprevodniške snovi (Silicij ne izseva fotonov!). Prosti elektroni E G Vrzeli Prevodni pas hn = E G Valenčni pas 55

56 Dodajanje primesi v polprevodnik pridobivanje prostih elektronov in vrzeli 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). 56

57 Primer polprevodnika P-tipa z manjkajočimi elektroni 57

58 Primer polprevodnika N-tipa z dodatnimi elektroni 58

59 PN spoj (dioda) 59

60 PN spoj polariziran v NEPREVODNI smeri 60

61 PN spoj polariziran v PREVODNI smeri 61

62 Energijski nivoji PN spoja 62

63 Snovi za polprevodniške laserje 63

64 Slika kristalne strukture galijevega arzenida 64

65 Polprevodniški laser kot 4-nivojski sistem 65

66 LED in laserska dioda 66

67 Laser z enojnim PN spojem 67

68 Homogena in heterogena struktura laserjev - princip 68

69 Heterostruktura prostorska omejitev nosilcev toka in fotonov 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. 69

70 Heterostruktura prostorska omejitev nosilcev toka in fotonov 70

71 Optične karakteristike žarka polprevodniškega laserja 71

72 Primer izvedbe laserske diode 72

73 Statična karakteristika laserske diode 73

74 Temperaturna karakteristika laserske diode 74

75 Temperaturna karakteristika (2) laserske diode 75

76 Občutljivost na statično elektriko 76

77 Polprevodniški laserji velikih moči 77

78 Polprevodniški laserji velikih moči osnovni gradnik 78

79 Polprevodniška laserska palica 79

80 Sklad polprevodniških palic 80

81 Vlakenski laserji 81

82 Vlakenski laserji princip delovanja 82

83 Vlakenski laserji notranja zgradba vlakna 83

84 Primer vlakenskega laserja manjše moči 84

85 Dinamika razvoja vlakenskih laserjev 85

86 Prednosti vlakenskih laserjev 86

87 Primerjava treh tipov obdelovalnih laserjev 87