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 a diode pumped Nd:GdVO4 laser 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 Nd:GdVO4 Czeranowsky et.al. , Optics Communications 205 (2002) 361-36

Nd:GdVO4 lasing at different wavelengths from 1063nm 912 nm /456 nm Czeranowsky 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 setup (grazing incidence geometry *) M3 (R3= 30% or 88 % ) LD λ/2 waveplate WP POL M1 M2 Nd:GdVO4 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 * 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 diode Slab crystal: Nd:GdVO4 –1% Nd 16x4x2 mm FOCtek, China 4 mm 16 mm 14 mm AR @ 808 nm AR @ 1064 nm

Output characteristics of the dual frequency Nd:GdVO4 laser. Rout = 30 %, tpump = 100 us, R out = 88 %, tpump = 150 us Efficiency : 38 %/15% Efficiency : 33 %/28%

Measured spectra of Nd:GdVO4 laser Ocean Optics HR 2000 fiber spectrometer (resolution 1 nm)

DUAL wavelength laser WITHOUT POLARIZER - TUNING BY M1 ONLY M3 (R3= 88%) LD WP M1 M2 AM 1063 nm, E out 4,6 mJ TEM00 1066 nm, Eout: 3.5 mJ TEM00/4,6 mJ TEM01 DUAL 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 w(p) předá svoji energii dvěma vlnám o frekvencích w(s) a w(i). Musí platit w(p) = w(s) + w(i). (Zachování energie) k (p) = k(s) + k(i). (zachování impulsu ) Třívlnová interakce, je popsána složkou nelineární susceptibility c (2) 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 krystalu Laděním teploty krystalu Jedná se o splnění podmínky fázového synchronismu

BBO OPO čerpaný harmonickými Nd laseru

Příklad pulzně buzeného OPO

Parametry OPG

Příklady: www.ekspla.com 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 dochází k nepružnému rozptylu čerpacích fotonů a část jejich energie je předána prostředí- např vibrační kmity molekul či elektronová excitace Princip: Stimulovaný Ramanův rozptyl Nelineárně optický jev 3. řádu Susceptibilita c (3) Generace diskrétních frekvencí sStokes, Ramanovský posuv, Stokesova frekvence, antistokesova frekv

Ramanovská prostředí dochází 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.