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