Typy laserů

Státnice - Fyzika NMgr: Seznam okruhů#1. Kvantová a nelineární optika

Dle Tříd nebezpečnosti

(Přepsáno z české WIKI)

Pokud laser pracuje na určitých vlnových délkách, na které je schopno se oko soustředit a které mohou být dobře soustředěny sítnicí a rohovkou oka, pak může vysoká koherence a malý rozptyl laserového paprsku u některých typů laserů způsobit, že je přijímaný paprsek soustředěn pouze do extrémně malého bodu na sítnici. To vede k bodovému přehřátí sítnice a k trvalému poškození zraku. Lasery jsou rozděleny do bezpečnostních tříd: třída I: možný trvalý pohled do svazku laserového paprsku třída II: kontinuální a viditelné záření, přímý pohled do zdroje možný, oko ochrání mrkací reflex třída III: a) totéž jako třída II, ale oko již může být poškozeno při pohledu do zdroje pomocí optické soustavy (např. dalekohled) b) nebezpečí poškození oka, nutno používat ochranné pomůcky (i při pozorování odrazu), max. emise 0,5 W třída IV: totéž jako třída III b), emise překračuje výkon 0,5 W

Běžně dostupné lasery bývají maximálně ve třídě III (optické soustavy CD přehrávačů). Výkonné lasery (třídy IV) jsou schopné způsobit popáleniny, řezné nebo tržné rány, případně způsobit požár. Řada laserů je buzena nebezpečnými látkami nebo vysokým napětím v řádu desítek kilovoltů.

Dle počtu hladin

1. 2 hladinový: málo efektivní, existuje jako polovodičový, je těžké dosáhnout inverze
2. 3 hladinový: např. Cr:Al₂O₃
3. 4 hladinový: např. Ti:Al₂O₃

Dle typu aktivního prostředí (AP)

Pevnolátkové

• Cr:Al₂O₃: 690 nm (chybí hladina N₀ => existuje absorpce)
• Ti:Al₂O₃: pulzní, spektrum 700-1000 nm, AP: kerrův ML, 100 fs pulzy při Δλ~10 nm

Kapalinové

Např. barvivové: mají široké spektrum => lze i pulzní, laditelné. Barviva bývají jedovatá a degradují se => je nutná častá výměna a z důvodu toxicity je to to nešikovné

Plynové

HeNe: 632,8 nm, stabilní, kolimovaný svazek, "levný" [poměr cena/výkon, cena/životnost]

???Xe: excimerový. Excimerový laser: Neutrální atomy nevytvářejí 2 atomové molekuly, ale excitované (nebo možná ionty, tohle nevím) ano. A mají určitou vzdálenost (lokální minimum energie, viz přiložený graf), při které je ta molekula stabilní. Ve chvíli, kdy dojde k rozpadu na dva neutrální atomy, se tyto atomy velmi rychle oddálí => je to čtyřhladinový laser.

C0, C0₂: na 5μm a 10μm. Tento typ laseru je možná ten, který funguje následovně: Pracovní plyn stlačíme, a následně jej rychle vyfoukneme. On se bleskově rozpíná, a někde v tom větru může existovat místo, ve kterém dojde k inverzi. Takto lze i po ~10s dosáhnout kontinuálních výkonů ~10kW

Polovodičové

• "Dioda fungující ve stimulovaném režimu"
• Zrcadla = štěpné plochy krystalu nebo reliéfní mřížka (ta může mít odrazivost i 95%). Braggova podmínka pro odraz: k_i+g=-k_d. k_i = vlnový vektor příchozí vlny, k_d = vlnový vektor odražené vlny, g = 2π/Λ = "vlnový" vektor té mřížky; Λ = vzdálenost vrypů mřížky. k=ωn/c => pro odraz červeného světla (λ = 700 nm) v polovodiči s n = 3,5 je nutné Λ = 100 nm
• Malé => lze snadno integrovat, ale díky malosti mají i velkou divergenci svazků (~10° a 30° v různých směrech)

Něco málo matematiky

Chceme aby zisk (γ) převýšil ztráty (K). γ(ν)~g(ν); g = spektrální tvar světla (např lorentzovka nebo gaussovka). Je g(ν₀) ~ 1/Δν, kde ν₀ = střední frekvence, na které laser svítí; Δν = šířka spektra. K v sobě obsahuje odrazivosti zrcadel R₁, R₂; dále rozptyl, absorpci a difrakci. Mohu tedy odhadnou ztráty a spočíst γ_th = K. Tedy γ_th je prahový zisk. Pro laserování chceme γ > γ_th. A protože existuje vztah mezi čerpacím proudem a γ, lze odhadnout i prahový čerpací proud.

V homopřechodech: obrovské hodnoty J_th (~ 1000A/cm²). Použitím heteropřechodů: prahový proud (nikoli proudová hustota, takže následující údaj bude neporovnatelný s předchozím (porovnatelné hodnoty však neznám)) na 10-100 mA.

Protože šířka zakázaného pásu polovodiče se mění s teplotou, lze ladit vlnovou délku vyzařovaného světla (v rozmezí procent). Účinnost může být až 50%.

Lasery na kvantových tečkách

GaAs/Al_xGa</sub>1-x</sub>As ... MQW (multiple quantum well) má větší účinnost než SQW (single quantum well) (to je jasné - čím více teček, tím větší možnost zesílení)