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.