Laserska optika

Osnove laserske tehnike

Laserska optika

Okna

Zrcala

Dielektrični sloji

Leče

Fokusiranje laserskega žarka

Optična vlakna

Nelinearna optika

Snovanje optomehanskih sistemov

1


Okna

2

Običajno se jih uporablja za ločevanje medijev (plin-plin, plin-tekočina, tekočina-tekočina).

Služijo tudi kot zaščita (dražjih) optičnih komponent pred nečistočami in poškodbami.

Neželjene odboje na optičnih površinah se zmanjša z antirefleksni slojem (glej nadaljevanje)

Brewstrovo okno – vpadni kot je enak polarizacijskemu - zmanjšanje odboja na optičnih površinah. Velja le za ⊥-polarizacijo!

Primer uporabe Brewstrovih oken v CO2 laserju:

Brewstrovo okno


Primer uporabe okna Laser MicroJet (http://www.synova.ch)

3


Zrcala

4

Oblike zrcal: Ravna

Sferična

Parabolična

Posebne oblike

Uporaba: Vodenje žarka (ravna)

Fokusiranje (sferična in parabolična)

Vrste zrcal: Kovinska

Dielektrična (interferenca na tankih plasteh)

Prizmatična (totalni odboj)


Ravna zrcala

5


Primer uporabe ravnih zrcal – vodenje žarka

6


Sferična zrcala

7


Sferična zrcala

8


Parabolična zrcala

9

Po odboju na parabolični površini se vsi žarki (tudi močno oddaljeni) sekajo v isti točki – gorišču.

Velja le za žarke, ki so vzporedni z osjo parabole!

Uporaba: astronomija, svetila (žarometi), fokusiranje laserskih žarkov (predvsem v IR območju - CO2 laserji).


Posebne oblike zrcal

10


Materiali za zrcala

11

Kovine:

Aluminij, baker, srebro, zlato,…

Pogosto se uporablja zaščitne sloje, ki preprečujejo oksidacijo

Reflektivnost: med 90 in 95%

V laserski tehniki se jih pogosto uporablja v IR področju (CO2 laserji)

Dielektrični sloji na prozornem substratu

Reflektivnost: do 99.999%!

Višja obstojnost – prenesejo višje intenzitete (MW/cm2) oziroma fluence (J/cm2) v primerjavi s kovinskimi zrcali.

Prag poškodb

Bliskovno (J/cm2)

Kovinska zrcala

< 2

Dielektrični sloji

< 20


Dielektrični sloji

12

Pojav: interferenca na tankih plasteh

Uporaba:

Prevleke optičnih komponent za zmanjšanje odboja

Zrcala z visoko reflektivnostjo

Delno prepustna zrcala (laserski resonator, delilniki žarkov, …)

Filtriranje svetlobe glede na valovno dolžino (dikroični filtri)


Interferenca na tankih plasteh – 1. del

13

Kadar svetloba prehaja v snov z drugačnim lomnim količnikom, se del odbije, del pa se lomi in prehaja v drugo snov.

Pri prehodu žarka skozi plast z lomnim količnikom n1 nastaneta dva odbita žarka R1 in R2.

Intenziteti žarkov sta odvisni od lomnih količnikov ter vpadnega kota. Fresnelove formule popisujejo omenjeno odvisnost.

Pri pravokotnem vpadu je odbojnost (razmerje med intenziteto odbitega in vpadlega žarka):

𝑅1 =𝑛0− 𝑛1𝑛0+ 𝑛1

2

𝑅2 =𝑛1− 𝑛2𝑛1+ 𝑛2

2

n1

n0

n2

R1 R2


Interferenca na tankih plasteh – 2. del

14

Pri odboju z optično gostejše snovi (n0<n1) nastopi obrat faze.

Pri odboju z optično redkejše snovi (n0>n1) pa se faza ne spremeni.


Sprememba faze pri odboju valovanja povzetek:

15

n0>n1 n0<n1


Antirefleksne tanke plasti

16

Amplitudni pogoj: Intenziteti obeh žarkov morata biti enaki. Lomni količnik plasti (n1) je v idealnem primeru (sledi iz Fesnelovih enačb):

V primeru zrak-steklo (n0=1, n2=1.52), je idealni lomni količnik tanke plasti n1=1.23.

Fazni pogoj: Odbita žarka medsebojno destruktivno interferirata kadar sta v protifazi oziroma medsbojno zakasnjena za l/2:

Najpogosteje se za antirefleksno plast uporablja material MgF2 (magnezijev fluorid), ki ima lomni količnik n=1.38. Odboj se tako zmanjša s ~4% na ~1.5%. Predstavlja kompromis med dovolj nizkim lomnim količnikom ter zelo dobro obstojnostjo.

𝑡𝑛1 = 𝑁𝜆/4 N=1,3,5,…

𝑛1 = 𝑛0𝑛2

n0=1 n1=1.38 n2=1.52

zrak steklo MgF2

obrat faze pri obeh odbojih!!

po zunanjem odboju

po notrenjem odboju

rezultirajoča intenziteta (če sta intenziteti obeh žarkov enaki)


Antirefleksne tanke plasti

17

Destruktivna interferenca na tanki plasti je odvisena od valovne dolžine in od vpadnega kota svetlobe.

Pri nepravokotnem vpadu je reflektivnost odvisna tudi od polarizacije!


Visokorefleksne tanke plasti

18

zrak

substrat

l/4 plast z višjim lomnim količnikom n2

l/4 plast z nižjim lomnim količnikom n1

• obrat faze pri odboju na plasteh z n2

• ohranitev faze pri odboju na plasteh z n1

n2

n1

n2

n1 n2

n1

n0

n

Reflektivnost sklada l/4 plasti:

𝑅 =𝑛2

𝑘+1 − 𝑛0𝑛𝑛1𝑘−1

𝑛2𝑘+1 − 𝑛0𝑛𝑛1

𝑘+1

k … število parov n2 in n1


Visokorefleksne tanke plasti

19

S kombinacijo več tankih plasti dobimo zrcala, ki imajo za določeno območje valovnih dolžin mnogo višjo odbojnost, kot kovinska zrcala.

S številom tankih plasti ter ustrezno izbiro snovi (lomni količnik) je možno izdelati zrcalo z natančno določeno delno prepustnostjo.

Odbojnost He-Ne zrcal kot funkcija valovne dolžine.

Odbojnost kot funkcija števila plasti dielektričnega zrcala

zadnje zrcalo

izhodno zrcalo


Uporaba tankih plasti za filtriranje svetlobe glede na valovno dolžino

20

S kombinacijo različnih tankih plasti (zapleten izračun) je možno hkrati doseči odbojnost in prepustnost na različnih delih spektra.

Ozkopasovni (interferenčni) filtri:

Primer serije interferenčnih filtrov (www.thorlabs.com):


Uporaba tankih plasti za filtriranje svetlobe glede na valovno dolžino

21

dikroični filtri:

Primer porabe:

Delitev svetlobe različnih valovnih dolžin

Prepustnost Odbojnost

Valovna dolžina (nm)


Izdelava tankih plasti

22

Tanke plasti se najpogosteje izdeluje s postopkom vakumskega naparevanja.

Snov, iz katere je izdelana tanka plast, se uparja na dnu komore.

Para kondenzira na površini substrata.

Substrati se v vakuumski komori premikajo, da se zagotovi enakomerna debelina naparjene plasti.

Zagotavljanje čistoče je kritičnega pomena!

Debelino naparjene plasti se optično meri na vzorčnem substratu.


Leče

23

Pojav: lom svetlobe

Uporaba:

Preslikava

Fokusiranje

Homogenizacija intenzitetnega profila

Oblike

Tanke, debele

Zbiralne, razpršilne

Sferične, Cilindrične, Asferične

GRIN

Fresnelove leče


Leče

24


Prehod žarkov skozi ZBIRALNO lečo

25


Prehod žarkov skozi RAZPRŠILNO lečo

26


Preslikava s tanko ZBIRALNO lečo gemotrijska metoda:

27


Enačba tanke leče

28

Oddaljenosti predmeta o in slike i popisuje enačba:

Povečava je definirana kot razmerje med velikostjo slike hi in velikostjo predmeta ho:

1

𝑜+1

𝑖=1

𝑓

𝑚 =ℎ𝑖ℎ𝑜

= −𝑖

𝑜


Goriščna razdalja tanke sferične leče

29


Dogovor glede predznakov

30


Fokusiranje laserskega žarka

31

Izhajajoč iz geometrijske optike se vsi žarki, ki so pred lečo vzporedni z njeno optično osjo, sekajo v gorišču na drugi strani leče:

Kolimiran laserski žarek Kolikšen je premer žarka v gorišču?


Premer laserskega žarka v gorišču

32

Na premer žarka v gorišču vplivajo:

Aberacije – žarki se dejansko ne sekajo v skupni točki

Uklon – določa minimalni možen premer žarka

V primeru, da uklon določa premer žarka, govorimo o uklonsko pogojenem optičnem sistemu.

zaslonsko število (f/dzaslonke)

Pre

me

r v

gori

šču

(cm

)

Uklonsko pogojen premer

Aberacijsko pogojen premer


Aberacije

33

So odstopanja od rešitev paraksialne geometrijske optike. Za žarke, ki v optični sistem ne vstopajo blizu osi oziroma pod

majhnim kotom, ne velja aproksimacija 𝑠𝑖𝑛𝜑 ≈ 𝜑.

Aberacije so odvisne od: oblike optičnih površin, disperzije in smeri vstopnih žarkov.

optična os


Vrste aberacij

34

Sferna aberacija

Koma

Astigmatizem

Ukrivljenost polja

Distorzija

Kromatična aberacija

Določene aberacije zmanjšamo tako, da optični sistem vstavimo zaslonko, ki preprečuje neparaksialnim žarkom pot skozi optični sistem.

Vendar s tem povečamo uklonsko pogojeni premer žarka v gorišču!

Pri fokusiranju laserskega žarka je običajno sferna aberacija najpomembneša!


Sferna aberacija

35


Sferna aberacija vpliv oblike in orientacije

36


Sferna aberacija je odvisna od vrste leče

37

Planokonveksna leča sestavljena leča - akromat

asferična leča


Sferna aberacija pri fokusiranju močno divergentnega žarka

38


Koma

39

Pojavlja se kot popačenje slike za predmete, ki se ne nahajajo na optični osi.

Vsaka točka, ki ni na optični osi, se na sliki prikaže kot slika, ki ima obliko kroga.

Velikost tega kroga je večja, če je točka bolj oddaljena od optične osi.


Astigmatizem

40


Ukrivljenost polja

41


Distorzija

42


Barvna aberacija

43

Zaradi disperzije je gorišče odvisno od valovne dolžine svetlobe.

Korigira se s sestavom dveh leč enakih a nasprotnih barvnih aberacij.

Takšen sestav imenujemo AKROMAT.

kronsko steklo kremenčevo steklo


Fokusiranje Gaussovega žarka uklonsko pogojeno

44


Self-ova metoda analogija z geometrijsko optiko

45

1

𝑠+

1

𝑠"=1

𝑓

1

𝑠 +𝑧𝑅

2

𝑠 − 𝑓

+1

𝑠"=1

𝑓

dodaten člen


Pomen predznakov

46


Analiza Self-ove enačbe

47

Self-ova enačba določa oddaljenost novega pasu od leče.

Limitni primeri:

𝑠 = 𝑓 ⇒ 𝑠" = 𝑓

𝑧𝑅 → 0 ⇒ (divergenten vh. žarek) Enačba preide v klasično geometrijsko preslikavo.

𝑧𝑅 → ∞ ⇒ (kolimiran vh. žarek) Enačba preide v: 𝑠" = 𝑓

1

𝑠 +𝑧𝑅

2

𝑠 − 𝑓

+1

𝑠"=1

𝑓


Povečava v pasu žarka

48

Povečava je definirana kot razmerje med izhodnim in vhodnim polmerom pasov:

Limitni primeri:

𝑧𝑅 → 0 ⇒ 𝑤0" =𝑤

0

1−𝑠/𝑓 (divergenten vh. žarek)

𝑧𝑅 ≫ 𝑓 ⇒ 𝑤0" =𝑤

0𝑓

𝑧𝑅

=𝜆𝑓

𝜋𝑤0

= 𝑓𝜃 (kolimiran vh. žarek)

povečanje Rayleighove dolžine žarka:

𝑚 =𝑤0"

𝑤0

=1

1 −𝑠𝑓

2

+𝑧𝑅𝑓

2

𝑧𝑅" = 𝑧𝑅𝑚2


Fokusiranje laserskega žarka povzetek

49

Običajno je žarek pred fokusiranjem kolimiran. Takrat velja:

Z zmanjševanjem polmera gorišča se krajša tudi Rayleighova razdalja oziroma globinska ostrina.

Polmer gorišča se zmanjša:

s povečanjem vstopnega polmera žarka,

z zmanjšanjem goriščne razdalje in

s krajšo valovno dolžino svetlobe

𝑤0" =𝜆𝑓

𝜋𝑤0

𝑧𝑅" =𝜆𝑓2

𝜋𝑤02

𝑠" = 𝑓


Fokusiranje laserskega žarka povzetek

50

Minimalno smiselno razmerje f/w0 pogojujejo aberacije optičnega sistema.

V praksi je razmerje med f in vstopnim premerom žarka f/(2w0) običajno večje od 1.

zaslonsko število (f/dzaslonke)

Pre

me

r v

gori

šču

Uklonsko pogojen premer

Enojna plankonveksna leča

Lečje s korigirano aberacijo

Shematični prikaz učinka korekcij optičnih aberacij na minimalni premer žarka v gorišču:

V tem območju je premer v gorišču uklonsko pogojen – veljajo enačbe Gaussovega žarka

1


Razširjevalnik žarka

51

Če želimo doseči minimalni premer žarka v gorišču, je potrebno vstopni žarek razširiti tako, da razmerje f/(2w0) ustreza uklonsko načrtovanemu zaslonskemu številu.

To storimo z obrnjenim teleskopom, ki je lahko sestavljen iz ogledal ali lečja.

Osnovni parameter razširjevalnika je povečava - razmerje med premerom izhodnega in vstopnega žarka:

𝑑2𝑑1

=𝑓2𝑓1

d1

d1

d2

d2

f2 f1

Galilejev teleskop:

Keplerjev teleskop: f1 in f2 … goriščni razdalji 1. in 2. leče Tipične vrednosti povečave: od 2 do 20


Reflektorski razširjevalniki

52


Cilindrična leča lomi žarke le v eni osi

53


Uporaba cilindričnih leč za oblikovanje osnosimetričnega žarka

54

Laserska dioda običajno oddaja žarek eliptičnega preseka.

Z uporabo dveh cilindričnih zbiralnih leč lahko žarek kolimiramo tako, da ima osnosimetrični presek:


Uporaba cilindrične leče za tvorjenje svetlobne ravnine

55

Sferična zbiralna leča fokusira žarek v X osi

Cilindrična razpršilna leča „raztegne“ žarek v Y osi

Uporaba: • Laserska 3D profilometrija • Niveliranje • Obdelava materialov • Dinamika fluidov …


GRIN leča leča s spremenjlivim lomnim količnikom

56


Fresnelova leča

57

Z delitvijo na posamezne segmente je možno izdelati lečo z velikim premerom in kratko goriščno razdaljo.

Glede na konvencionalne leče ima Fresnelova leča veliko manjši volumen in posledično težo.

Uporaba: Predvsem v projekcijskih sistemih, žarometih, bliskavkah, svetilnikih,…


Optična vlakna

58

Svetlobni vodniki izdelani iz stekla ali polimera. Sestavlja jih:

jedro (večji lomni količnik) in

plašč (manjši lomni količnik).

Uporaba:

Telekomunikacije,

Fleksibilni laserski obdelovalni procesi,

Vlakenski laserji,

Senzorji na osnovi optičnih vlaken,

Medicina (endoskopija …)

Pomembna karakteristika vlaken so izgube svetlobne moči, ki so večinoma posledica sipanja in absorpcije. Izgube naraščajo z dolžino vlakna in se merijo kot:

𝐼𝑧𝑔𝑢𝑏𝑒 =10𝑙𝑜𝑔10(𝑃𝑖/𝑃𝑜)

𝐿 𝑑𝐵

𝑘𝑚 Pi … vhodna moč

Po … izhodna moč L … dolžina vlakna [km]

plašč jedro


Optična vlakna - izgube

59

Izgube v optičnih vlaknih so bile ob njihovi iznajdbi (l.1954) zelo visoke. Cca 1000dB/km.

Z razvojem (čistejši materiali, bolj gladke stene in ustrezna valovna dolžina) so se izgube zmanjšale na manj kot 1 dB/km!

Tipična karakteristika izgub v odvisnosti od valovne dolžine (kvarčno steklo – SiO2):

Valovna dolžina (mm)

Izgu

be

v vl

akn

u (

dB

/km

)

Absorpcijski vrhovi zaradi prisotnosti OH-

Rayleighovo sipanje svetlobe na osnovnih delcih – atomih, molekulah

Absorpcija v IR zaradi zgradbe snovi

Primer: Izgube = 1 dB/km L = 300 m Pi = 10 mW

𝑃𝑜 =𝑃𝑖

10(𝐿×𝐼𝑧𝑔𝑢𝑏𝑒/10)

𝑃𝑜 =10𝑚𝑊

10(0.3𝑘𝑚×1𝑑𝐵/𝑘𝑚/10)= 9.33 𝑚𝑊


Optična vlakna princip delovanja

60

Prenos svetlobe po optičnem vlaknu temelji na totalnem odboju na meji med jedrom in plaščem, pri čemer ima jedro višji lomni količnik od plašča (nj>np).

Največji vstopni kot am, pri katerem žarek še ostane v vlaknu, je odvisen od lomnih količnikov jedra nj, plašča np in okoliškega medija n0:

Zmnožek n0sinam se imenuje numerična odprtina – NA vlakna.

𝑛0𝑠𝑖𝑛𝛼𝑚 = 𝑛𝑗2 − 𝑛𝑝

2 = 𝑁𝐴


Optična vlakna princip delovanja

61

Primer:

okoliški medij je zrak: n0=1

jedro: nj=1.53

plašč: np=1.50

Na izstopni strani vlakna je kot širjenja žarkov (divergenčni kot) enak največjemu vstopnemu kotu am.

𝑁𝐴 = 1.532 − 1.52 = 0.301

𝛼𝑚 = sin−1(0.301) = 17.5°

am am


Širjenje svetlobe v optičnem vlaknu

62

Razmerje med premerom jedra in valovno dolžino ter lomini količniki jedra in plašča vplivajo na število rodov širjenja svetlobe v vlaknu.

Kadar je premer vlakna manjši od 𝑑 ≤2.405𝜆

𝜋𝑁𝐴, v njem potuje le en rod. Taka

vlakna imenujemo enorodovna.

Večrodovno vlakno:

Enorodovno vlakno:

Intenzitetna porazdelitev na izhodu:

Velja geometrijska optika!

Velja Gaussov model širjenja svetlobe!

d

d


Primer: Fokusiranje žarka – večrodovno vlakno

63

Kakšne morajo biti razdalje med konico vlakna, zbiralne lečo in obdelovancem, da bo premer žarka na obdelovancu znašal dF=500mm?

Kakšen mora biti premer leče DL?

Podatki vlakna: n0=1, nj=1.53, np=1.50 in premer jedra: d=400mm

Goriščna razdalja leče: f=40mm

f

o i

am d dF

vlakno

obdelovanec

DL

F


Primer: Fokusiranje žarka – večrodovno vlakno

64

Primer obravnavamo kot preslikavo po zakonih geometrijske optike.

1. Optična povečava:

2. Iz enačbe za preslikavo izračunamo razdalji i in o:

3. Minimalni premer leče izračunamo iz numerične odprtine vlakna:

POZOR: f/D=0.93 -> zelo težko je doseči tako majhno razmerje f/D!! Potrebna uporaba lečja s korekcijo aberacij oziroma optičnega vlakna z manjšo numerično odprtino!

1

0.8𝑖+

1

𝑖=

1

𝑓 ⇒ 𝑖 =

1.8

0.8𝑓 ⇒ 𝒊 = 𝟗𝟎𝒎𝒎 , 𝒐 = 𝟕𝟐𝒎𝒎

𝑚 =ℎ𝑖ℎ𝑜

= −𝑖

𝑜=−500

400= −1,25 ⇒ 𝑜 = 0,8𝑖

𝑁𝐴 = 1.532 − 1.52 = 0.301

𝐷𝐿 = 2𝑜 ∙ 𝑁𝐴 = 𝟒𝟑. 𝟑𝒎𝒎


Primer: Fokusiranje žarka – enorodovno vlakno

65

Preverite, da je optično vlakno premera d=2.7 mm enorodovno za svetlobo valovne dolžine l=1.07 mm. Podatki vlakna: n0=1, nj=1.53, np=1.50.

Fokusirna optika sestoji iz dveh leč: kolimacijske fK=20 mm in fokusirne fF=100 mm. Določite Rayleighovo razdaljo zR" in premer žarka v gorišču dF.

Določite zaslonski števili obeh leč in komentirajte vpliv optičnih aberacij!

s=fK s"=fF

q d = 2w0 dF=2w“0

Enorodovno vlakno

obdelovanec

DK=2wK

FF

FK

zR zR"



66

1. Maksimalni premer enorodovnega vlakna:

2. Izhodni laserski žarek obravnavamo kot Gaussov žarek, pri čemer je premer pasu enak premeru jedra optičnega vlakna. Najprej izračunajmo zR na izhodu:

Ker je zR mnogo manjši od fK, preide Self-ova enačba v klasično geometrijsko preslikavo. Žarki za kolimacijsko lečo so vzporedni, ko gorišče sovpada s pasom:

Enako velja, da mora biti razdalja med fokusirno lečo in obdelovancem enaka fF.

𝑑𝑚𝑎𝑥 =2.405𝜆

𝜋𝑁𝐴=

2.405∙1.07

𝜋∙0.301= 𝟐. 𝟕𝟐𝝁𝒎 > 𝟐. 𝟕𝝁𝒎 …premer je ustrezen

1

𝑠 +𝑧𝑅

2

𝑠 − 𝑓𝐾

+1

𝑠𝐾"=

1

𝑓𝐾 𝑧𝑅→0

1

𝑠+

1

𝑠𝐾"=

1

𝑓𝐾 𝑠𝐾"→∞

𝒔 = 𝒇𝑲 = 𝟐𝟎𝒎𝒎

𝑧𝑅 =𝜋𝑤0

2

𝜆=𝜋1.352

1.07= 𝟓. 𝟒𝝁𝒎

𝒔" = 𝒇𝑭 = 𝟏𝟎𝟎𝒎𝒎



67

3. Polmer žarka za kolimacijsko lečo izračunamo iz divergenčnega kota:

4. Polmer v gorišču fokusirne leče je tako:

5. Rayleighova razdalja v gorišču je:

Enak rezultat dobimo, če jo izračunamo iz novonastalega pasu:

𝑤"0 =𝜆𝑓𝐾𝜋𝑤𝐾

=1.07 ∙ 100𝐸3

𝜋5.05𝐸3= 𝟔. 𝟕𝟓𝝁𝒎 ⇒ 𝒅𝑭 = 𝟏𝟑. 𝟓𝝁𝒎

𝑧𝑅" =𝜆𝑓𝐹

2

𝜋𝑤𝐾2=1.07 ∙ (100𝐸3)2

𝜋(5.05𝐸3)2= 𝟏𝟑𝟒𝝁𝒎

𝑧𝑅" =𝜋𝑤"0

2

𝜆=𝜋6,752

1.07= 𝟏𝟑𝟒𝝁𝒎

𝜃 =𝜆

𝜋𝑤0

=1,07

𝜋1,35= 0.252

𝑤𝐾 = 𝜃𝑓𝐾 = 0.252 ∙ 20 = 𝟓. 𝟎𝟓𝒎𝒎 ⇒ 𝑫𝑲 = 𝟏𝟎. 𝟏𝒎𝒎



68

6. Zaslonski števili obeh leč določta njuni goriščni razdalji in premer kolimiranega žarka DK, pri čemer je potrebno zagotoviti, da sta dejanska premera leč večja od DK.

Zaradi majhnega zaslonskega števila kolimacijske leče, je pri enojni sferični leči izrazita sferna aberacija. Izbrati je potrebno korigirano lečo: akromat, asferična leča, …

𝑓𝐾

𝐷𝐾

=20

10= 2 … zaslonsko število kolimacijske leče

𝑓𝐹

𝐷𝐾

=100

10= 10 … zaslonsko število fokusirne leče


Nelinearna optika

69

Nelinearni pojavi nastanejo pri obsevanju snovi s svetlobo visoke intenzitete.

Tipična primera nelinearnih optičnih pojavov sta:

odvisnost lomnega količnika od intenzitete vpadne svetlobe ter

sprememba frekvence svetlobe.

Primer uporabe:

Podvajanje frekvence EM valovanja

Nd:YAG osnovna valovna dolžina: 1064nm, valovna dolžina podvojene frekvence: 532 nm

Seštevanje in odštevanje frekvenc

Prvič so takšne pojave demonstrirali l. 1961 z bliskovnim rubinovim laserjem.


Nelinearna optika fizikalni pojav

70

Svetloba pri prehodu skozi snov inducira nastanek električnih dipolov, ki so usmerjeni skladno s smerjo električnega polja E. Pravimo, da je snov električno polarizirana.

V osnovnih delcih se skladno s spreminjanjem električnega polja E(t) razmikajo tudi težišča + in – naboja.

Enostaven model osnovnega delca – enoelektronskega atoma:


Nelinearna optika fizikalni pojav

71

Pri visoki svetlobni intenziteti (tipično nad 106 W/m2) polarizacija P ni več linearno odvisna od električne poljske jakosti. Mehanska analogija: nelinearna karakteristika vzmeti:

Primerjava časovnega poteka polarizacije 𝑃(𝑡) pri linearnem in nelinearnem odzivu na harmonično vzbujanje 𝐸(𝑡) = 𝐴 cos 𝜔𝑡 :

El. polj. j.: E

Meh. An.: F

Polarizacija: P

Odmik: Dx

Analogne mehanske veličine

Linearna karakt. Nelinearna karakt.

t

P(t)

Dx(t) Linearna k.->sinusoidni odziv Nelinearna k.


Podvojevanje frekvence laserske svetlobe

72

Nelinearno karakteristiko P(E) lahko aproksimiramo s polinomom, ki je v najenostavnejši obliki druge stopnje:

𝑃 𝐸 = 𝑘0𝐸 + 𝑘1𝐸2

Časovno spreminjanje polarizacije je tako:

𝑃 𝑡 = 𝑃 𝐸 𝑡 = 𝑘0𝐴 cos 𝜔𝑡 + 𝑘1𝐴2 cos 2 𝜔𝑡

Z upoštevanjem trigonometrične identitete: cos 2 𝛼 =1+cos (2𝛼)

2, lahko

zapišemo:

𝑃 𝑡 = 𝑘0𝐴 cos 𝜔𝑡 +𝑘1𝐴

2

21 + cos 2𝜔𝑡

Vidimo, da v P(t) nastopi harmonik, katerega frekvenca je 2x gleden na E.

Časovno spreminjanje P povzroči nastanek svetlobnega valovanja z 2x frekvenco glede na vpadlo svetlobo!


Podvojevanje frekvence laserske svetlobe značilnosti

73

Pogosto uporabljeni kristali:

Litijev niobat (LiNbO3)

Kalijev titanil fosfat (KTP = KTiOPO4)

Kalijev dihidrogen fosfat (KDP = KH2PO4)

Litijev triborat (LBO = LiB3O5)

Zahteve za dober izkoristek pretvorbe (od 30% do 50%): Fazno ujemanje valovanj – lomna količnika za obe valovni dolžini morata

biti izenačena – izkoriščanje dvolomnosti.

Vzbujevalni žarek mora imeti visoko intenziteto – najpogosteje se uporablja bliskovno delovanje (Q-preklop)

NL kristali so lahko vgrajeni v resonator ali izven njega.


Podvojevanje frekvence laserske svetlobe primer: zelen laserski kazalnik

74

Nelinearni kristal (KTP) je vgrajen znotraj resonatorja. V njem se laserska svetloba spremeni iz 1064nm (IR) v 532 nm (zelena).

Obe zrcali sta dikroični in naparjeni na vstopni ploskvi aktivne snovi in na izstopni ploskvi KTP kristala:

Vstopno zrcalo je prepustno za vzbujevalno svetlobo LD (808nm), odbojno pa za 1064 nm in 532 nm.

Izstopno je prepustno za 532 nm in odbojno za 1064 nm.


Snovanje optomehanskih sistemov

75

Proces razvoja optomehanskih sistemov

Vplivi okolice

Optomehanski materiali

Pritrditev optičnih komponent


Proces razvoja optomehanskih sistemov ITERATIVNI PROCES!!!

76

Konceptualizacija – specifikacija želja, funkcionalnosti, …

Konstrukcijske zahteve in omejitve Sprejemljivost glede na želje, fizikalne omejitve, oblika, teža, velikost

Vplivi okolice,

Izdelovalni proces…

Preliminarna zasnova Katere optične komponente, laserji, senzorji,

pot žarka,

povezovalna konstrukcija

Analiza, dimenzioniranje, računalniška simulacija Interakcija svetlobe z obdelovancem/merjencem

Optika: gemetrijska in uklonska analiza – zmanjšanje aberacij na sprejemljiv nivo

Mehanika, kinematika, trdnost, deformacije, prenost toplote, …

Eksperimentalna simulacija laboratorijski prototip,

JOB SHOP

Finalna zasnova – dokumentacija

Izdelava sistema

Evalvacija


Vplivi okolja - 1

77

Temperatura Toplotni viri so lahko notranji (laser) ali zunanji (temperatura okolice –

projektno nihanje je običajno med -32 in +52°C) Vpliva na delovanje laserjev (sprememba moči, valovne d., smer žarka,

…) Vpliva na deformacije in notranje napetosti Termično lečenje – zaradi temperaturnega gradienta se spremeni oblika

optičnega elementa -> sprememba smeri žarkov Materialni parametri: toplotna prevodnost, svetlobna absorpcija,

specifična toplota, koeficient temperaturnega raztezka

Tlak Podtlak v plinskih laserjih, nadtlak pri nekaterih odelovalnih procesih

(rezanje, vrtanje) Možne deformacije zaradi tlačnih razlik Tesnenje Odvisnost lomnega količnika od tlaka v plinih – optična pot žarkov se

spremeni (smer in dolžina)


Vplivi okolja - 2

78

Mehanske sile in napetosti

Statične: Lezenje materiala

Dinamične: Utrujanje in tvorjenje razpok

Vibracije

Vzroki: transport, okolica, notranji viri (aktuatorji, …)

Izogniti se je potrebno resonanci posameznih komponent in sistema kot celote!

Občutljivi sistemi se vgrajujejo na vibroizolativno podlago – optične mize.


Vplivi okolja - 3

79

Vlaga

Sprememba optičnih in mehanskih lastnosti nekaterih materialov.

Lahko vodi do poškodb optičnih površin.

Posebej nevaren je pojav kondenza.

Zagotoviti je potrebno tesnenje in/ali učinkovito sušenje notranjosti.

Korozija

Kemična ali elektrokemična

Potrebna izbira ustreznih materialov

Nečistoče

Sipanje svetlobe, povečana absorpcija -> posledično slabši izkoristek, večja možnost poškodb optike, manjša natančnost, …

Vir: delci v zraku, prstni odtisi, produkti, ki nastajajo med laserskimi obdelavmi, …


Čiščenje optičnih površin

80

Tehniki: izpiranje, odpihavanje (čist zrak ali N2)

Tehniko izbiramo glede na trdoto optičnih površin. Dielektrični sloji so običajno trši v primerjavi s kovinskimi površinami.


Laserske poškodbe optičnih površin

81

Generacija laserskih bliskov visokih moči lahko povzroči nenadno katastrofalno poškodbo optičnih elementov.

Nevarnost poškodb je še posebej velika pri bliskovnih laserjih s Q-preklopom in faznim oklepanjem.

Poškodba optičnega materiala nastane nad določenim pragom svetlobne intenzitete. Ko je prag presežen se skokovito poveča absorpcija, ki vodi do nastanka razpok, razlojevanja plasti, luknjičavosti, …



82

Primer poškodbe površine KCl kristala (vir: Ready, Industrial applications of Lasers):

Poškodba je nastala z uporabo CO2 laserja ob bliskovni osvetlitvi z vršno intenziteto 108 Wcm2.

Pri nižji intenziteti je kristal prozoren.



83

Primer poškodbe rubinove laserske palice:

Poškodba je nastala po 20 bliskih z vršno močjo 200 MW.

Razpoke so vidne zaradi sipanja svetlobe HeNe laserja.

1

5 m

m


Primer poškodb večslojne dielektrične zrcalne plasti:


84


Primer nastajanja poškodbe na površini aluminija a) po prvem blisku, b) po 1000 bliskih:


85


Pri bliskovnih laserjih je prag poškodbe naveden kot gostota energije oziroma fluenca (J/cm2).

Na prag poškodbe vplivajo:

Trajanje bliska: daljši -> višji prag

Valovna dolžina svetlobe: krajša -> nižji prag

Število bliskov: večje -> nižji prag

NEČISTOČE in HRAPAVOST: predstavljajo nukleacijska mesta, kjer se svetlobna absorbira in pratvarja v toploto, ki vodi v naraščanje temperature: taljenje -> odparevanje -> nastanek plazme.

MATERIAL: primer – sestav leč ne sme biti zlepljen, saj ima lepilo mnogo nižji prag poškodbe v primeri s steklom.

Notranje napetosti (predvsem pri dielektričnih plasteh) znižujejo prag. Debelina plasti naj bo čim tanjša.


86


Optomehanski materiali

87

Prozorni

Reflektivni

Materiali za mehanske komponente

Lepila

Tesnila

Prevleke


Optomehanski materiali - prozorni

88

Uporaba za leče, prizme, okna, …

Optična stekla

Umetne mase

Kristali

Karakteristike:

Absorptivnost (funkcija valovne dolžine!)

Lomni količnik (funkcija valovne dolžine!)

Barvna disperzija – posledica odvisnosti lomnega količnika od valovne dolžine.

Moč disperzije popišemo Abbejevim številom: vd=(nd-1)/(nf-nc)

kjer so nd, nf in nc lomni količniki pri treh izbranih valovnih dolžinah.

Mehanske lastnosti

Obdelovalne lastnosti


Optomehanski materiali Materiali za mehanske komponente

89

Al. Zlitine Dobro razmerje med trdnostjo in težo Dobre obdelovalne lastnosti Slaba korozivna obstojnost -> anodizacija Veliki temperaturni raztezki

Nerjavna jekla Dobra korozivna obstojnost Majhni temperaturni raztezki Težavna obdelava nekaterih vrst

Baker Odlične električne in termične lastnosti (izmenjevalniki toplote, toplotni

mostovi, …) Dobra korozivna obstojnost

Drugo: Magnezij, Titan, Berilij, kompoziti


Optomehanski materiali lepila

90

Optična (spajanje leč, prizem, …) karakteritike: absorptivnost, lomni količnik, strižna trdnost, termični

raztezek.

Strukturna (medsebojno spajanje optičnih in mehanskih komponent) Enakomernejši prenos sil v primerjavi z vijačenjem -> manjša teža.

Pri laserskih bliskih visokih moči, uporaba optičnih lepil ni priporočljiva!


Pritrditev optičnih komponent

91

Pomembna izhodišča:

Pravilna in stabilna lega v prostoru,

Cenovna sprejemljivost – glede na namembnost

Pri laserjih visokih povprečnih moči je potrebno zagotoviti ustrezno odvajanje toplote ter omogočiti termično raztezanje


Vzroki za nepravilno lego v prostoru

92

Levo: nenatančno izdelani optični elementi.

Desno: nenatančno izdelana nosilna konstrukcija


Primeri pritrditve sferične leče - 1

93



94



95


Primer pritrditve cilindrične leče

96


Pritrditev plastičnih leč

97

Izdelovalni proces plastičnih leč omogoča večjo svobodo oblik, s čimer je možno poenostaviti način pritrditve.

Primeri brizganih plastičnih leč: Primer kompaktne vgradnje plastične leče pred slikovni senzor (primer: kamera v mobilniku):


Sestav dveh leč

98


Pritrditev prizmatičnih optičnih elementov - 1

99

Lega prizmatičnega elementa je določena s šestimi točkami, kot prikazuje spodnja skica:



100

kinematična izvedba delno kinematična izvedba



101

kinematična izvedba delno kinematična izvedba

Documents

Laserska optika