Přeladitelné lasery,optické parametrické

generátory a ramanovské lasery

Laserové systémy

2009-2010

Přeladitelné lasery,optické parametrické generátory a ramanovské

lasery

I. Klasické lasery-“monochromatické“ Nd:YAG, rubín, He-Ne atd.

Lze přelaďovat pouze diskrétně mezi jednotlivými přechody a generovat nové vlnové délky metodami nelineární optiky.

Př: Generace v Nd:YAG na vlnových délkách 1.06um, 1.32 um, 1.44 um…

Generace vyšších harmonických frekvencí.:0.532 um, 0.355 um…

II. Přeladitelné pevnolátkové lasery: Ti:safír, Alexandrit, forsterit…

- vibrační hladiny, lze přelaďovat spojitě v širokém rozsahu.

III. Optické parametrické generátory.

Založeny na třívlnové interakci světelných vln v nelineárním prostředí. Dochází k výměně energie mezi čerpací, signálovou a jalovou vlnou.

Spojitě přeladitelné v širokém rozsahu.

IV. Ramanovské lasery

- využívají stimulovaného Ramanova rozptylu v plynných a pevných látkách.

Diskrétní ladění.

Vlnové délky nejpoužívanějších laserů

I. Klasické lasery-“monochromatické“ Nd:YAG, rubín, He-Ne atd.

Lze přelaďovat pouze diskrétně mezi jednotlivými přechody a generovat nové vlnové délky metodami nelineární optiky.

Př: Generace v Nd:YAG na vlnových délkách 1.06um, 1.32 um, 1.44 um…

Generace vyšších harmonických frekvencí.:0.532 um, 0.355 um…

Přelaďování Nd:YAG laseru

Vlnové délky generované Nd:YAG laserem

Metody přelaďování vlnové délky

• Dichroickými zrcadly (diskrétní ladění, potlačení jiných vlnových délek)

• Disperzními hranoly v rezonátoru

• Mřížkami v rezonátoru (uzší spektrum)

• Dvojlomými etalony

Dvoufrekvenční Nd:YAG Laser

Přelaďování disperzním hranolem

Dual wavelength generation of Dual wavelength generation of a diode pumped Nd:GdVOa diode pumped Nd:GdVO44

laser at 1063 and 1066 nmlaser at 1063 and 1066 nm

Václav Kubeček*, Michal Drahokoupil, Petr Zátorský,

Miroslav Čech and Petr Hiršl

Czech Technical University, Faculty of Nuclear Sciences and Physical Engineering

Brehova 7, 115 19 Prague 1, Czech Republic

SPIE Photonics Europe 08: Paper 6998-32

Fluorescent spectra of Fluorescent spectra of Nd:GdVO4Nd:GdVO4

Czeranowsky et.al. , Optics Communications 205 (2002) 361-36

NdNd::GdVOGdVO44 la lasingsing at different at different

wavelengths wavelengths from 1063nm from 1063nm

912 nm /456 nmCzeranowsky et.al. Opt.

Communications 205 (2002) 361-36

1340 nm/670 nm Agnesi et al. Opt. Lett. 29, (2004) 56-

58

1082.4 – 1083.5 nm Chen et. al. Opt. Lett. 30, (2005)

2107-2109

This work : 1063 nm and 1066 nm lasing of Nd:GdVO4 in a bounce geometry.

Experimental setupExperimental setup((grazing incidence geometry *)grazing incidence geometry *)

M1 - flat rear mirror, M2 - folding mirror (concave 1-m radius of curvature), M3- flat and wedged output coupler with reflectivity of 30% or 88 %, LD – 100 W QCW laser diode array, AM – active medium slab, WP-wave plate, POL-polarizer

M3 (R3= 30% or 88 % )

LD

λ/2 waveplate

WP

POL

M1

M2

Nd:GdVO4

* A.J. Alcock and J.E. Bernard, “Diode-pumped grazing incidence slab lasers,”IEEE J. Sel. Topics in QE, 3, 3-8 (1997)

Active medium and laser diodeActive medium and laser diode

4 mm

16 mm

14 mm

AR @ 808 nm

AR @ 808 nm

AR

@ 1064 nm

AR

@ 1

064

nm

Slab crystal:Nd:GdVO4 –1% Nd16x4x2 mmFOCtek, China

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

1

2

3

4

Lase

r ene

rgy [m

J]

LD current [A]

1063 nm(1) 1066 nm(2)

Dual frequency Nd:GdVO4 laser

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1100

2

4

6

1063 nm( ) 1066 nm()

Lase

r ene

rgy [m

J]

LD current [A]

Rout = 30 %, tpump = 100 us, R out = 88 %, tpump = 150 us

Efficiency : 38 %/15% Efficiency : 33 %/28%

Output characteristics of Output characteristics of the dual frequency the dual frequency Nd:GdVONd:GdVO44 laser laser.

1060 1061 1062 1063 1064 1065 1066 1067 1068 1069 10700

100

200

300

400

500

600

700

800

900

Inten

sity [

a.u.]

Wavelenght [nm]

Dual frequency Nd:GdVO4 laser

- pol.

pol.

Measured spectra of Nd:GdVOMeasured spectra of Nd:GdVO44 laser laser

Ocean Optics HR 2000 fiber spectrometer (resolution 1 nm)

M3 (R3= 88%)

LD

WP

M1

M2

AM

DUAL wavelength laser DUAL wavelength laser WITHOUT POLARIZER WITHOUT POLARIZER

- - TUNING BY M1 ONLYTUNING BY M1 ONLY

1063 nm, E out 4,6 mJ TEM001066 nm, Eout: 3.5 mJ TEM00/4,6 mJ

TEM01DUAL WAVELENGTH, Eout 4 mJ

TEM01, (1,5 mJ 1063, 2.5 mJ 1066) Pump 99,9 A, 150 us, 50Hz

II. Přeladitelné pevnolátkové lasery: Ti:safír, Alexandrit, forsterit…

- vibrační hladiny, lze přelaďovat spojitě v širokém rozsahu.

II. Generace-Pevnolátkové vibrační přeladitelné lasery od r.

1984

Vibrační lasery- principy

• Laditelnost je dosažena vazbou mezi stimulovanou emisí fotonu a emisí vibračního kvanta (fononu)

• Celková energie přechodu je fixní ale může být rozdělena mezi fotony a fonony spojitým způsobem

• Interakce mezi Coulomb polem laserového iontu, polem krystalové mříže a elektron-fononovou vazbou

• Zisk ve vibračních laserech závisí na přechodech nei vázanými vibračními a elektronovými stavy.

Parametry nejpoužívanějších krystalů přeladitelných laserů

Aktivní materiály

Nejvýznamnější představitel –Titan:safírový laser

Příklad pulzně buzeného Ti:Sa laseru

Charakteristiky pulzně buzeného Ti:Sa laseru

Příklad pulzně buzeného Ti:Sa laseru s uzší spektr. šířkou

Kontinuálně buzený Ti:Sa laser

Kompaktní Cr:YAG lasery- oblast kolem 1.5 um

Yterbiove lasery

Závěr

• PVL lasery lze přelaďovat od 600 nm do 4500 nm.

Optické parametrické generátory a

ramanovské lasery

Laserové systémy

2009-2010

…

III. Optické parametrické generátory.

Založeny na třívlnové interakci světelných vln v nelineárním prostředí. Dochází k výměně energie mezi čerpací, signálovou a jalovou vlnou.

Spojitě přeladitelné v širokém rozsahu.

Optická parametrická generace a zesilování

• Nelineárně optický proces probíhající v nelineárním krystalu, kdy za určitých podmínek světelná vlna o kruhové frekvenci (p) předá svoji energii dvěma vlnám o frekvencích (s) a (i).

• Musí platit (p) = (s) + (i). (Zachování energie)

(p) = (s) + (i). (zachování impulsu )

• Třívlnová interakce, je popsána složkou nelineární susceptibility

• Využívá optickou vlnu o nejkratší vlnové délce ke generaci dvou vln o vyšších vlnových délkách.

• První OPG – Giordmaine a Miller, 1965• Laser 1960- Maiman

Parametrické zesílení

Parametrická generace

Rezonátory OPG

Metody přelaďování vlnové délky

Natáčením krystaluLaděním teploty krystaluJedná se o splnění podmínky fázového

synchronismu

BBO OPO čerpaný harmonickými Nd laseru

Příklad pulzně buzeného OPO

Parametry OPG

OPG

Příklady:

www.ekspla.com

Závěr

• OPG lasery lze přelaďovat od 250 nm do 6000 nm.

IV. Ramanovské lasery

- využívají stimulovaného Ramanova rozptylu v plynných a pevných látkách.Diskrétní ladění.

Ramanovské lasery

• Princip: Stimulovaný Ramanův rozptyl

• Nelineárně optický jev 3. řádu• Susceptibilita

• Generace diskrétních frekvencí• sStokes,

dochází k nepružnému rozptylu čerpacích fotonů a část jejich energie je předána prostředí- např vibrační kmity molekul či elektronová excitace

Ramanovský posuv, Stokesova frekvence, antistokesova frekv

Ramanovská prostředídochází k nepružnému rozptylu fotonů a část jejich energie je předána prostředí- např vibrační kmity molekul či elektronová

excitace

• Plyny

• Pevné látky (krystalické)

• Skla- optická vlákna

Schemata Raman. laserů

Plynné prostředí

H2 Raman Laser

Vláknový laser

www.ipgphotonics.com

Pevnolátkový Ramanovský laser

Zajímavá oblast je nyní v blízké IČ

• Měření polucí, laserová medicína.