Основы наукоемких технологий Лазеры Физика оптических явлений

Скачать презентацию Основы наукоемких технологий Лазеры Физика оптических явлений

Lasers.ppt

Количество слайдов: 71

Основы наукоемких технологий Лазеры

Физика оптических явлений Принципы лазеров

Физика оптических явлений

1. Населенность уровней Рассмотрим ансамбль, состоящий из большого числа атомов, находящихся в различных состояниях: 3 3 2 2 Ni – число атомов в состоянии i (населенность уровня i с энергией Ei) 1 1 При термодинамическом равновесии населенности описываются статистикой Больцмана: 3 2 3 1 3 2 1 k. B – постоянная Больцмана

2. Населенность уровней Рассмотрим ансамбль, состоящий из большого числа атомов, находящихся в различных состояниях: 3 3 2 2 1 1 3 2 3 1 3 2 1

4. Скорости переходов Рассмотрим количественно динамику населенностей атомных состояний: Спонтанный распад A 21 Вынужденное испускание 2 1 время жизни состояния B 21 Вынужденное поглощение 2 B 12 1 плотность сечение потока перехода фотонов 2 1 - коэффициенты Эйнштейна

5. Усиление среды Пусть в среде распространяется волна с интенсивностью I [Вт/м 2] и плотностью потока фотонов F [фотонов/(сек∙м 2)]. N 2 N 1 F F+d. F При прохождении активной среды плотность потока меняется: dz - среда поглощает излучение - среда усиливает излучение (активная среда) - закон Бугера-Ламберта-Бера - инверсия населенностей Для создания инверсии населенностей термодинамическое равновесие должно быть нарушено

6. Двухуровневое насыщение Как создать инверсию населенностей? Попробуем облучить двухуровневую систему излучением с такой большой интенсивностью, что можно пренебречь спонтанным распадом. N 2 Уравнения для населенностей: N 1 Стационарный случай: - двухуровневое насыщение В двухуровневой системе стационарную инверсию населенностей создать невозможно

7. Накачка Чтобы создать инверсию населенностей, используют трехуровневые и четырехуровневые схемы Трехуровневая схема 3 быстрая релаксация Четырехуровневая схема 3 2 накачка лазерная генерация 1 основное состояние накачка быстрая релаксация 2 лазерная генерация 0 основное состояние 1 быстрая релаксация Накачка – перевод атома в возбужденное состояние для последующего создания инверсии населенностей - скорость накачки - населенность основного состояния

8. Молекулярные спектры Молекулы имеют значительно более сложную структуру энергетических уровней, что связано с колебаниями атомов в молекуле и вращением молекулы как целого. U(R) Двухатомная молекула R 2 1 2 3 электронные уровни 1 колебательные уровни R Учет вращения молекулы приводит к тому, что каждый колебательный уровень расщепляется на несколько вращательных

9. Методы накачки Оптическая накачка лампа активная среда отражатель Свет лампы эллиптическим отражателем фокусируется в активную среду. В настоящее время для оптической накачки чаще используется лазерное излучение (например, полупроводниковых лазеров) Электрическая накачка Применяется в газовых (тлеющий и дуговой разряд) и полупроводниковых лазерах (накачка электрическим током) A K R ~V Химическая накачка Экзотермические химические реакции возбуждают колебательно-вращательные состояния молекул, в результате может возникнуть инверсия населенностей

10. Резонатор лазера Для возникновения генерации нужна положительная обратная связь. Для этого активную среду помещают в резонатор: - коэффициент отражения зеркала Активная среда I – интенсивность l излучения [Вт/м 2] Зеркало R 1 Зеркало R 2<1 Излучение выводится из резонатора через полупрозрачное зеркало Чтобы поддерживать генерацию, нужно, чтобы усиление активной среды превышало потери за один полный обход резонатора: - коэффициент усиления - усиление равно потерям - критическая инверсия

11. Резонаторы и спектр испускания усиление потери q-1 q q+1 В стационарном режиме между зеркалами должно укладываться целое число полуволн Спектр излучения лазера определяется модами резонатора в области, где усиление превышает потери

12. Поперечные моды резонатора

13. Режимы генерации лазеров -Непрерывный режим A t -Импульсный режим -скважность A t -энергия импульса -средняя мощность импульсного лазера

14. Модуляция -Модуляция излучения на выходе лазера: -Внутрирезонаторная модуляция: A A t t

Физика оптических явлений Виды лазеров

15. Виды лазеров Газовые лазеры He-Ne, Ar, CO 2… Твердотельные лазеры Nd: YAG, Ti: Sa Химические лазеры Лазеры на красителях Лазеры на парах металлов «Экзотические» лазеры ЛСЭ, газодин. Полупроводниковые лазеры Зачем так много? Разные виды лазеров существенно отличаются по спектру излучения, мощности, возможности работать в импульсном и непрерывном режимах

16. Длины волн лазеров

17. Твердотельные лазеры Активная среда твердотельных лазеров – диэлектрический кристалл или стекло. Активные центры – примесные ионы, введенные в кристалл Nd: YAG лазер (иттрий-алюминиевый гранат, часть ионов Y 3+ замещена ионами Nd 3+ Длина волны 1064 нм, может быть удвоена до 532 нм Непрерывный и импульсный режим генерации, мощность до 500 Вт Ограничение: длина волны строго постоянна!

18. Твердотельные лазеры Активная среда - кристалл Al 2 O 3 Ti 3+ (титан-сапфир), он имеет широкую полосу усиления, поэтому используется в перестраиваемых лазерах с изменяемой длиной волны Накачка излучением Nd: YAG или аргоновых лазеров (514 -532 нм) Длина волны 650 -1100 нм Может генерировать сверхкороткие импульсы длительностью 5 -100 фемтосекунд с пиковой мощностью до 50 ГВт

Ti: Sa лазер

19. Волоконные лазеры Оптоволоконные лазеры – самое передовое и стремительно развивающееся направление лазерной технологии Активная среда: оптическое волокно, легированное ионами Er 3+, Nd 3+, Yb 3+, Tm 3+, Pr 3+ Вместо зеркал резонатора используются брэгговские решетки – структуры с переменным показателем преломления Длина резонатора достигает километров, мощности – киловатт Высокое качество оптического пучка, компактность, удобство в работе

19. Волоконные лазеры

20. Полупроводниковые лазеры – наиболее компактные источники лазерного излучения Накачка – электрический ток Рекомбинационное излучение Лазер на p-n гомопереходе электрический Ga. As контакт p n 100 -200 мкм Двойная гетероструктура Подложка из Ga. As Al 0. 3 Ga 0. 7 As(n) Активная область Ga. As(n) Al 0. 3 Ga 0. 7 As(p) Ga. As(p) Лазеры на гетеропереходах работают при комнатной температуре в непрерывном режиме

21. Полупроводниковые лазеры Поглощение и испускание фотонов в полупроводниках

22. Полупроводниковые лазеры Поглощение и испускание фотонов в полупроводниках

23. Полупроводниковые лазеры Оптика p-n переходов

24. Газовые лазеры Активная среда – газы ионов или нейтральных атомов. Накачка – как правило, электрический разряд Лазеры на нейтральных атомах: He-Ne лазер, лазеры на парах меди и золота Ионные лазеры: Ar+, Kr+ - до 500 Вт мощности Молекулярные газовые лазеры CO 2–лазер (длина волны 10, 6 мкм, до 106 Вт), CO-лазер, N 2 лазер Эксимерные лазеры (Ar. F, Kr. F, Xe. Cl, Xe. F) – УФ-диапазон He-Ne Ar+

25. Лазеры на красителях Активная среда – раствор органических красителей. Накачка – оптическая Наиболее распространен краситель Rhodamine 6 G (C 28 H 31 N 2 O 3 Cl) Благодаря широкому диапазону перестройки длин волн лазеры на красителях широко использовались в спектроскопии Для работы с непрерывной накачкой нужна непрерывная струя красителя

Физика оптических явлений Лазеры для научных приложений

Физика оптических явлений Лазерное охлаждение – замедление теплового движения атомов силами светового давления лазерных пучков Магнито-оптические ловушки используют силу трения, которую испытывает движущийся в поле излучения атом, и возвращающую силу, зависящую от координаты атома.

Физика оптических явлений Атомные фонтаны получаются после выключения магнитного поля и сдвига частот встречных лазерных пучков. Атомы замедляются гравитационным полем и падают вниз Атомная литография – захват атомов в максимумы лазерного излучения в поле стоячей волны. Оптические решетки можно использовать как линзы, фокусирующие пучки атомов

Физика оптических явлений Бозе-Эйнштейновская конденсация: испарительное охлаждение. Атомы с целым спином образуют конденсат Режим изолятора Мотта

Квантовая информатика Захват ионов в ловушки Квантовая криптография, квантовые вычисления

Метрология Точные измерения частоты 1 сек – 9192631770 осцилляций на переходе между сверхтонкими подуровнями основного состояния 133 Cs Измерение фундаментальных физических констант, гравиметрия с атомными интерферометрами

Метрология Оптическая накачка для получения поляризации спина – для ЯМР томографии Возбуждение ридберговских атомов

Интерферометрия, голография LIDAR

Лазерные диоды: Фабри-Перо (FP) и просветленные (AR)

Лазерные диоды Лазеры с внешним резонатором (ECDL) DFB и DBR лазеры

Лазерные диоды Лазеры с внешним резонатором (ECDL)

Лазерные диоды Стабильность лазера

Лазерные диоды Лазеры Toptica

Лазерные диоды Удвоение частоты

Лазеры для биофотоники Конфокальный микроскоп

Лазеры для биофотоники

Комбинационное рассеяние 3 - Рэлеевское рассеяние 2 1 3 3 2 2 1 1 - Стоксово рассеяние -Антистоксово рассеяние

СКИ Генерация коротких импульсов позволяет исследовать быстропротекающие процессы (спонтанные переходы в молекулах, квантовые биения) Быстрая релаксация лазерных уровней Вынужденное излучение выжигает инверсию

СКИ Пичковый режим генерации наблюдается в среде с большими временами релаксации Модуляция добротности

СКИ Монохроматическая волна Модулируем на частоте Появляются боковые комоненты на частотах Поместим в резонатор лазера модулятор Моды резонатора: Если частота модуляции совпадает с межмодовым интервалом то становится возможной генерация на частоте Появившиеся в спектре компоненты тоже модулируются, что приводит к появлению новых компонент спектра с частотами

СКИ Пропускание модулятора зависит от времени: Амплитуда k-й моды после модулятора: Можем переписать в виде: При частоте модуляции гармоника соответствует следующей моде резонатора с амплитудой Фазы трех волн одинаковы в моменты времени Моды синхронизованы

СКИ Спектральная ширина профиля усиления определяет число мод: Суперпозиция синхронизованных мод: При равных амплитудах каждой моды Последовательность эквидистантных импульсов

СКИ СКИ

СКИ Пассивная синхронизация мод в лазере на красителе Уровни с быстрой релаксацией

СКИ Синхронная накачка Первый лазер генерирует импульсы с интервалом Моды синхронизованы:

СКИ Синхронная накачка и модуляция добротности

Синхронизация мод Метод Синхронизирую Лазер щий элемент Длитель ность Энергия импульса Активная синхронизация Акустооптически й модулятор. Ячейка Поккельса Ar, He-Ne, Nd: YAG 300 пс 500 пс 10 н. Дж 0. 1 н. Дж 10 н. Дж Пассивная синхронизация Насыщающийся поглотитель Краситель, Nd: YAG 1 пс 1 -10 пс 1 н. Дж Синхронная накачка Лазер накачки с синхронизацией мод Краситель, центры окраски 1 пс 10 н. Дж Режим Пассивная сталкивающихся синхронизация и импульсов синхронная накачка Кольцевой лазер на красителе <100 фс 1 н. Дж Керровская линза Ti: Sa <10 фс 1 -10 н. Дж Эффект Керра

СКИ Метод керровской линзы Показатель преломления Условие стабильности:

СКИ Солитонный KCl: Tl лазер на центрах окраски Накачка: Nd: YAG лазер с синхронизацией мод

СКИ Кольцевой волоконный лазер Линейный волоконный лазер

СКИ История сверхкоротких лазерных импульсов

СКИ Спектральное распределение интенсивности гармоник высоких порядков при фокусировке тераваттного фемтосекундного лазера в струю неона

СКИ Наблюдение ионизации неона с аттосекундным разрешением

СКИ Стрик-камера

СКИ Оптический коррелятор