L | > @ 0 : 8 @ 0 H...

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΙΩΑΝΝΙΝΩΝΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ

Φυσική των LaserΕΙΔΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ LASER

Διδάσκων : Επίκ. Καθ. Μ. Μπενής

Άδειες Χρήσης

• Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σεάδειες χρήσης Creative Commons. • Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς.

ΣΣηημμεειιώώσσεειιςς ΦΦυυσσιικκήήςς ττωωνν LLaasseerr ΜΜ.. ΜΜππεεννήήςς // 22001133 ΕΕιιδδιικκάά σσυυσσττήήμμαατταα LLaasseerr

117

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 9. ΕΙΔΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ LASER

Στo κεφάλαιο αυτό εξετάζονται μερικά αντιπροσωπευτικά συστήματα laser αερίων, στερεών,

ημιαγωγών και υγρών. Δίνεται βάση στους μηχανισμούς των διαδικασιών laser για την κάθε

περίπτωση, ενώ εξετάζονται σε κάποιο βαθμό οι τεχνικές λεπτομέρειες των συστημάτων

laser καθώς και οι γενικότερες εφαρμογές τους.

9.1 Laser αερίων

9.1.1 Laser He-Ne

To laser He-Ne είναι από το πιο δημοφιλή laser αερίων (γνωστό κι από την χρήση του στα

εργαστήρια κυμάνσεων). Η ακτινοβολία laser προκύπτει από τις μεταβάσεις στο άτομο του

νέου ενώ το ήλιο είναι απαραίτητο στο αέριο μείγμα για την άντληση του συστήματος. Από

την πληθώρα των μηκών κυμάτων που μπορεί να συντονιστεί το σύνηθες μήκος κύματος

είναι το λ=633 nm (κόκκινο). Μάλιστα το μήκος κύματος λ=1.15 μm είναι ιστορικά το

πρώτο cw laser αερίων.

Σχ. 9.1. Το ενεργειακό διάγραμμα των καταστάσεων του laser He-Ne

Το λεπτομερές σχήμα των ενεργειακών σταθμών που εμπλέκονται στην λειτουργία του

φαίνεται στο σχήμα 9.1. Αρχικά διεγείρονται τα άτομα του ηλίου μέσω ηλεκτρικής


118

εκκένωσης. Οι κρούσεις των ηλεκτρονίων της εκκένωσης διεγείρουν τα άτομα του He από τη

βασική τους κατάσταση 1s2 1S (ή 1

1S) στις καταστάσεις 2s

2 1S (ή 2

1S) και 2s

2 3S (ή 2

3S).

Οι διεγερμένες καταστάσεις είναι σχεδόν σε συντονισμό (ίδια ενέργεια) με τις διεγερμένες

καταστάσεις 4s (ή 1s22s

22p

5 4s) και 5s (ή 1s

22s

22p

5 5s) του Ne. Για ευκολία στα επόμενα θα

παραλείψουμε την γραφή της ολοκληρωμένης ηλεκτρονικής δομής των ατόμων και θα

γράφουμε μόνο αυτήν των εμπλεκομένων καταστάσεων. Έτσι έχουμε μεταφορά πληθυσμού

(άντληση) των καταστάσεων του Ne από τα άτομα He μέσω των μεταξύ τους κρούσεων.

Μάλιστα επειδή οι καταστάσεις 2 1S και 2

3S είναι μετασταθείς (απαγορεύονται οι διπολικές

μεταβάσεις S → S) η άντληση είναι πολύ αποδοτική. Να σημειωθεί πως η άντληση μπορεί

να γίνει και κατευθείαν στα άτομα Ne με τις κρούσεις ηλεκτρονίων – ατόμων Ne, αλλά έχει

αποδειχθεί πως η άντληση μέσω ατόμων He είναι ο επικρατών μηχανισμός. Επομένως οι

καταστάσεις 4s και 5s είναι τα άνω ενεργειακά επίπεδα του laser. Με βάση τους κανόνες

διπολικών μεταβάσεων τα κάτω ενεργειακά επίπεδα θα είναι οι p-καταστάσεις, δηλαδή οι 4p

και 3p, όπως φαίνεται και στο σχήμα 9.1. Οι γραμμές των μεταβάσεων διαπλατύνονται

κυρίως κατά Doppler (όπως έχουμε δει οι ομογενείς διαπλατύνσεις λόγω κρούσεων και λόγω

της φυσικής διαπλάτυνσης είναι της τάξης των MHz ενώ η μη-ομεγενής διαπλάτυνση

Doppler είναι της τάξης των GHz). Στο σχήμα 9.2 φαίνεται η βασική κατασκευαστική δομή

ενός laser He-Ne.

Σχ. 9.2. Η βασική κατασκευαστική δομή ενός laser He-Ne

Τα laser He-Ne είναι cw laser χαμηλής ισχύος γεγονός που οφείλεται στην πολύ χαμηλή

κβαντική απόδοση της άντλησης. Για λ=633 nm και μήκη κοιλότητας 20-50 cm η ισχύς είναι

μεταξύ 1-10 mW. Για το λόγο αυτό χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές όπου δεν είναι

απαραίτητη η υψηλή ισχύς. Για παράδειγμα στο εργαστήριο για αρχική ευθυγράμμιση

οπτικών διατάξεων, στην εκπαίδευση σε προπτυχιακά μαθήματα εργαστηρίων οπτικής για

μελέτη βασικών οπτικών φαινομένων (συμβολή, περίθλαση, κτλ.), στα καταστήματα για την

ανάγνωση των bar code, αλλά και στην μετρολογία και την ολογραφία, αν και

αντιμετωπίζουν μεγάλο ανταγωνισμό σε μερικές περιπτώσεις από τα laser διόδου που είναι

μικρότερα σε μέγεθος και φτηνότερα.


119

9.1.2 Laser CO2

Το ενεργό μέσο του laser CO2 είναι κατάλληλο μείγμα από τα αέρια CO2, N2 και He. Η

ταλάντωση laser επιτυγχάνεται μεταξύ δυο ταλαντωτικών καταστάσεων του CO2 ενώ τα N2

και He ενισχύουν την αποδοτικότητα (ανάλογα με το He στο laser He-Ne). Το ενεργειακό

διάγραμμα των ταλαντωτικών καταστάσεων των CO2, N2 παρουσιάζεται στο σχήμα 9.3. Το

N2 ως διατομικό συμμετέχει με την πρώτη διεγερμένη κατάστασή του (ν=1). Το CO2 είναι

πιο πολύπλοκο ως γραμμικό τριατομικό μόριο. Στο σχήμα 9.3 παρουσιάζονται οι τρεις μη-

εκφυλισμένοι ταλαντωτικοί τρόποι ταλάντωσής του: symmetric stretching, bending,

asymmetric stretching. Τα ενεργειακά του επίπεδα περιγράφονται από τρεις κβαντικούς

αριθμούς τους n1, n2 και n3, αντίστοιχα, με ολική ενέργεια ταλάντωσης Ε = n1 hν1 + n2 hν2 +

n3 hν3. Οι καταστάσεις συμβολίζονται ως n1 n2l n3. Για παράδειγμα η κατάσταση 01

1 0

αντιστοιχεί στη δόνηση n2. Ο δείκτης l=1 της κατάστασης n2 συμβολίζει την στροφορμή της

κατάστασης n2 γύρω από τον άξονα του μορίου και υπάρχει λόγω του διπλού εκφυλισμού

του τρόπου bending (το μόριο μπορεί να «λυγίσει» σε δυο κάθετα επίπεδα). Η ταλάντωση

laser επιτυγχάνεται μεταξύ των επιπέδων 000

1 και 100

0 (λ=10.6 μm) καθώς και 000

1 και 020

0 (λ=9.6 μm).

Σχ. 9.3. [Πάνω] Το ενεργειακό διάγραμμα των ταλαντωτικών καταστάσεων του laser CO2.

[Κάτω] Οι τρεις βασικοί τρόποι ταλάντωσης του γραμμικού τριατομικού μορίου του CO2:

(ν1) symmetric stretching, (ν2) bending, (ν3) asymmetric stretching.

Η άντληση της κατάστασης 000

1 επιτυγχάνεται με δυο τρόπους. Πρώτον, μέσω ηλεκτρικής

εκκένωσης, που όπως και στην περίπτωση του He-Ne οι κρούσεις με τα ενεργητικά

ηλεκτρόνια οδηγούν στη διέγερση του μορίου του CO2 στην 000

1. Δεύτερον, με

συντονιστική μεταφορά ενέργειας από το διεγερμένο μόριο του N2. Όμοια με την περίπτωση

του He-Ne, το μόριο του N2 αρχικά διεγείρεται από την ηλεκτρική εκκένωση στην


120

ταλαντωτική κατάσταση ν=1 η οποία είναι μετασταθής και της οποίας η ενέργεια είναι πολύ

κοντά στην ενέργεια της 000

1 του CO2. Ως αποτέλεσμα υπάρχει ισχυρή ζεύξη των δυο

καταστάσεων και αποδοτική μεταφορά πληθυσμού από την ν=1 του N2 στην 000

1 του CO2.

Μετά την επίτευξη laser μεταξύ των επιπέδων 000

1 → 100

0 και 000

1 → 020

0, τα κατώτερα

επίπεδα αποδιεγείρονται στην βασική κατάσταση μέσω κρούσεων με τα υπόλοιπα μόρια. Με

βάση την ελαστική θεωρία των κρούσεων η μεταφορά ταλαντωτικής ενέργειας σε

μεταφορική είναι πολύ πιο αποδοτική όταν τα μόρια είναι μικρά, κι εκεί ακριβώς έρχεται ο

ρόλος του He.

Συνοψίζοντας μπορούμε να πούμε ότι το N2 βοηθά σημαντικά στην αύξηση του πληθυσμού

του άνω ενεργειακού επιπέδου του laser ενώ το He βοηθά σημαντικά στη μείωση του

πληθυσμού του κάτω ενεργειακού επιπέδου του laser. Τέλος, όπως και στο laser Ηe-Ne οι

φασματικές γραμμές του είναι διαπλατυσμένες κυρίως κατά Doppler.

Το laser CO2 μπορεί να λειτουργήσει είτε ως cw είτε ως παλμικό (Q-switched). Πρόκειται

για ένα από τα πιο ισχυρά laser που υπάρχουν με ισχύ που μπορεί να ξεπερνά και τα 100 kW.

Για το λόγο αυτό χρησιμοποιείται κυρίως σε βιομηχανικές εφαρμογές (κοπή μετάλλων,

κολλήσεις, γυάλισμα επιφανειών, κτλ.). Επίσης έχουν χρησιμοποιηθεί και στην χειρουργική

(κοπή κι ανάπλαση δέρματος, σταμάτημα αιμορραγιών, κτλ.). Το CO2 laser έχει χαμηλό

κόστος παραγωγής κι επειδή είναι αρκετά αποδοτικό έχει καταστεί ένα μεγάλο κομμάτι της

βιομηχανίας επεξεργασίας υλικών. Στο σχήμα 9.4 παρουσιάζεται μια τυπική διάταξη laser

CO2.

Σχ. 9.4. Διάταξη laser CO2.

9.1.3 Laser Excimer

Θεωρήστε ένα διατομικό μόριο A2 με ενεργειακές καταστάσεις για την βασική και την

διεγερμένη στάθμη που φαίνονται στο σχήμα 9.5. Εφόσον η βασική στάθμη είναι απωστική

το μόριο δεν μπορεί να υπάρξει σε αυτή την κατάσταση, κι επομένως μονάχα ατομικές

καταστάσεις μπορούν να υπάρξουν (μονομερή). Ωστόσο, επειδή το ενεργειακό δυναμικό


121

παρουσιάζει ελάχιστο για την διεγερμένη κατάσταση, τότε το εν λόγω στοιχείο μπορεί να

υπάρξει σε αυτή τη μορφή γνωστή ως διμερές (dimer). Ένα τέτοιο μόριο ονομάζεται excimer

(από τις λέξεις excited dimer). Ας υποθέσουμε τώρα ότι ένα μεγάλο ποσοστό μορίων

excimers παράγεται σε δεδομένο όγκο του μέσου. Τότε σε κατάλληλες συνθήκες μπορεί να

ξεκινήσει η διαδικασία laser μέσω της μετάβασης ανάμεσα στην διεγερμένη κατάσταση

(κατάσταση excimer) και την βασική. Αυτή είναι η γενική λειτουργία ενός excimer laser, κι

ένα κλασσικό παράδειγμα είναι το laser Ne2, που ήταν και το πρώτο excimer laser με λ=170

nm.

Σχ. 9.5. Οι ενεργειακές καταστάσεις ενός excimer laser.

Σχ. 9.6. Οι ενεργειακές καταστάσεις ενός KrF excimer laser.


122

Τα excimer laser έχουν τρεις σημαντικές ιδιότητες: (1) Τα μήκη κύματός τους είναι στο

υπεριώδες εφόσον οι μεταβάσεις είναι μεταξύ ηλεκτρονικών καταστάσεων. (2) Η βασική

κατάσταση οδηγεί σε πολύ γρήγορη διάσπαση του μορίου με αποτέλεσμα η κάτω στάθμη

του laser να αδειάζει ταχύτητα, κι άρα το excimer laser να λειτουργεί ως ένα laser τεσσάρων

σταθμών. (3) Επειδή η βασική στάθμη δεν έχει δέσμιες καταστάσεις δεν υπάρχουν

μεταβάσεις μεταξύ περιστροφικών-ταλαντωτικών καταστάσεων με αποτέλεσμα οι

φασματικές γραμμές της μετάβασης να μην είναι πολύπλοκες και σχετικά φαρδιές, Δν = 20–

100 cm-1

.

Θα εξετάσουμε λεπτομερέστερα μια σημαντική ομάδα excimer laser στην οποία ένα άτομο

ευγενούς αερίου (Kr, Ar, Xe) συνδυάζεται με ένα άτομο αλογόνου (F,Cl). Για παράδειγμα

ArF (λ = 193 nm), KrF (λ = 248 nm), XeF (λ = D 351 nm) και XeCl (λ = 309 nm). Εξ

αυτών το laser KrF είναι το πιο διαδεδομένο. Το ενεργειακό διάγραμμα φαίνεται στο σχήμα

9.6. Η άντληση του KrF excimer laser γίνεται με ηλεκτρική εκκένωση όπως και στα άλλα

laser αερίων. Οι μηχανισμοί διέγερσης είναι δύο: (a) είτε από τα διεγερμένα άτομα Kr με την

παρακάτω διαδικασία

(b) είτε από τα ιόντα Kr με την παρακάτω διαδικασία

Ο ρόλος του He είναι αυτός του αερίου υποβάθρου όπως στην περίπτωση του laser CO2. Τα

excimer laser είναι παλμικά με μικρή χρονική διάρκεια (< ps), με μεγάλους ρυθμούς

επανάληψης (μέχρι 500 Hz) και επίσης μεγάλη ισχύ (μερικά kW). Το υπεριώδες μήκος

κύματός τους τα κάνει μοναδικά για εφαρμογές όπως η επεξεργασία πλαστικών και

βιολογικών υλικών καθώς αυτά απορροφούν στο υπεριώδες. Η μικρή χρονική διάρκεια τους

τα κάνει ιδανικά για την διαδικασία του ablation, που βρίσκει εφαρμογές στη διάνοιξη οπών

ακριβείας και γενικά την χάραξη των επιφανειών υλικών που απορροφούν έντονα στο

υπεριώδες. Η λιθογραφία και η χειρουργική ματιών είναι παραδείγματα επιστημονικών

κλάδων που κάνουν χρήση excimer laser. Τα excimer laser μπορούν επίσης να

χρησιμοποιηθούν και ως αντλητικά μέσα για dye laser.


123

9.2 Laser στερεάς κατάστασης

Τα laser στερεάς κατάστασης είναι αυτά των οποίων το μέσο ενίσχυσης είναι κάποιο

διηλεκτρικό υλικό, κρυσταλλικό ή απλό γυαλί, το οποίο φέρει προσμίξεις ιόντων. Ως

κρύσταλλοι συνήθως χρησιμοποιούνται είτε οξείδια (π.χ. Al2O3) είτε φθορίδια (π.χ. YLiF4 -

YLF). Ως προσμίξεις ιόντων χρησιμοποιούνται είτε τα στοιχεία των σπάνιων γαιών (Nd, Yb,

κτλ.) είτε τα μέταλλα μετάπτωσης (Cr, Ti, Co, Ni, κτλ.).

Η γενική ηλεκτρονική διάταξη των υπό χρήση σπανίων γαιών (Λανθανίδες) είναι η

[Xe]6s24f

N. Όταν ένα άτομο σπάνιας γης εισέλθει στο διηλεκτρικό μέσο, τότε τα δυο s

ηλεκτρόνια της κατάστασης 6s2 και το ένα f από τα Ν ηλεκτρόνια της κατάστασης 4f

N

σχηματίζουν δεσμούς με τα γειτονικά άτομα του διηλεκτρικού μέσου. Ως αποτέλεσμα το

άτομο-πρόσμειξη συμπεριφέρεται ως ιόν τριπλά φορτισμένο με τα εναπομείναντα Ν-1

ηλεκτρόνια της 4fN κατάστασης να αναδιατάσσονται ενεργειακά στην 4f κατάσταση με βάση

τις Κουλομπικές τους αλληλεπιδράσεις, τις αλληλεπιδράσεις με το κρυσταλλικό πεδίο και

την αλληλεπίδραση σπιν τροχιάς. Έτσι προκύπτει ένας νέος μεγάλος αριθμός μη

εκφυλισμένων πλέον καταστάσεων στην διάταξη 4fN-1

. Στις μεταβάσεις μεταξύ αυτών των

νέων καταστάσεων (μεταβάσεις 4f-4f) οφείλεται η διαδικασία laser.

Η γενική ηλεκτρονική διάταξη των υπό χρήση μετάλλων μετάπτωσης είναι η [Ar]4s23d

N.

Όπως και στην περίπτωση των σπάνιων γαιών, η πρόσμιξη του διηλεκτρικού μέσου με άτομα

μετάλλων μετάπτωσης έχει ως αποτέλεσμα την δημιουργία δεσμών με τα γειτονικά άτομα

του διηλεκτρικού μέσου μέσω των τροχιακών 4s2

και 3d. Έτσι το μεταλλικό ιόν εμφανίζεται

τριπλά φορτισμένο με τα εναπομείναντα Ν-1 ηλεκτρόνια της 3dN κατάστασης να

αναδιατάσσονται ενεργειακά στην 4d κατάσταση. Σε αυτή την περίπτωση οι υπεύθυνες

μεταβάσεις για τη διαδικασία laser είναι οι 3d-3d.

9.2.1 Laser Ruby

Είναι το πρώτο στην ιστορία laser (Τ.Η. Maiman, 1960) και για το λόγο αυτό εξετάζεται.

Αποτελείται από κρύσταλλο Al2O3 όπου μερικά ιόντα Al3+

έχουν αντικατασταθεί από ιόντα

Cr3+

. Η διαδικασία πρόσμειξης περιλαμβάνει ανάπτυξη των κρυστάλλου με μείγμα Al2O3 και

Cr2O3. Ο κρύσταλλος Al2O3 είναι άχρωμος και ονομάζεται ζαφείρι (sapphire). Η πρόσμειξη

με Cr2O3 του δίνει το ροζέ έως κόκκινο χρώμα και τότε ονομάζεται ρουμπίνι ή ρουβίδιο

(ruby). Η ηλεκτρονική διάταξη του χρωμίου είναι [Ar]4s3d5. Τα ενεργειακά επίπεδα

οφείλονται στο ένα από τα τρία εναπομείναντα ηλεκτρόνια της 3d κατάστασης του Cr3+

και

σχηματίζονται υπό την επίδραση του κρυσταλλικού πεδίου. Στο σχήμα 9.7 παρουσιάζεται η

απλοποιημένη δομή τους.


124

Σχ. 9.7. Οι ενεργειακές καταστάσεις ενός Ruby laser.

Η άντληση γίνεται στις καταστάσεις 4F οι οποίες αποδιεγείρονται μη ακτινοβολητικά στις

καταστάσεις 2Ε. Η ακτινοβολία laser προκύπτει από την αποδιέγερση των

2Ε στην

4Α2. Με

άλλα λόγια το Ruby laser είναι laser τριών σταθμών. Μπορεί να λειτουργήσει και ως cw

αλλά και παλμικό είτε σε Q-switching είτε σε mode-locked λειτουργία. Αν και αρχικά

χρησιμοποιήθηκε σε πολλές εφαρμογές σήμερα έχει υποσκελιστεί από τα άλλα laser στερεάς

κατάστασης.

9.2.2 Laser Νεοδυμίου

Είναι τα πιο δημοφιλή laser στερεάς κατάστασης. Για τα κρυσταλλικά μέσα ο συνήθης

κρύσταλλος είναι ο Y3Al5O12 (και λέγεται YAG, ακρωνύμιο για το yttrium aluminium

garnet) στον οποίο μερικά ιόντα Y3+

έχουν αντικατασταθεί από ιόντα Nd3+

(περίπου 1%). Τα

μη-κρυσταλλικά μέσα είναι απλό γυαλί με προσμίξεις Nd3+

(περίπου 4%). Το ροζέ έως

κόκκινο χρώμα τους οφείλεται στην πρόσμειξη του Nd3+

.

Nd:YAG

Το ενεργειακό διάγραμμα των καταστάσεων δίνεται στο σχήμα 9.8. Η άντληση γίνεται στα

φασματικά εύρη των λ=730 nm και λ=800 nm. Οι διεγερμένες καταστάσεις αποδιεγείρονται

ταχύτατα μη ακτινοβολητικά στην 4F3/2 που αποτελεί και την άνω κατάσταση του laser. Αυτή

μπορεί να αποδιεγερθεί στις 4Ι καταστάσεις η πιο ισχυρή εκ των οποίων είναι η

4Ι11/2. Αξίζει

να σημειωθεί ότι εξαιτίας των κανόνων επιλογής για τις διπολικές μεταβάσεις ΔJ = 0, ±1 η

μετάβαση 4F3/2 →

4Ι11/2 είναι απαγορευμένη και λαμβάνει χώρα μόνο μέσω της ασθενούς

αλληλεπίδρασης με το πεδίο του κρυστάλλου. Για το λόγω αυτό και ο χρόνος ζωής της είναι

μεγάλος (τ = 230 μs) γεγονός που επιτρέπει την αντιστροφή των πληθυσμών. Τέλος η 4Ι11/2

αποδιεγείρεται ταχύτατα (εντός ps) μη ακτινοβολητικά στην βασική κατάσταση 4Ι9/2 από την

οποία απέχει ενεργειακά ποσότητα αρκετά μεγαλύτερη του ΚΒΤ. Με άλλα λόγια το Nd:YAG

είναι ένα laser τεσσάρων σταθμών. Για την ακρίβεια οι καταστάσεις 4F3/2 και

4Ι11/2

χωρίζονται λόγω φαινομένου Stark σε δυο κι έξι καταστάσεις αντίστοιχα. Η μετάβαση

μεταξύ δυο εξ αυτών των μη εκφυλισμένων καταστάσεων είναι που παράγει την ακτινοβολία

laser κι έχει μήκος κύματος του laser είναι λ = 1.064 μm.


125

Σχ. 9.8. Οι ενεργειακές καταστάσεις ενός Nd:YAG laser.

Το Nd:YAG laser παρουσιάζει ομογενή διαπλάτυνση λόγω αλληλεπίδρασης με τα φωνόνια

του κρυστάλλου με Δν = 126 GHz σε θερμοκρασία δωματίου. Αυτό κάνει το laser υποψήφιο

για λειτουργία σε mode-locking. Μάλιστα στενοί παλμοί των 5 ps έχουν επιτευχθεί με

παθητικό mode-locking. Επίσης ο μεγάλος χρόνος ζωής της άνω στάθμης κάνει το laser

κατάλληλο και για Q-switching. Τέλος το Nd:YAG laser μπορεί να λειτουργήσει και σε

συνεχή (cw) και σε παλμική λειτουργία. Μπορεί δε να αντληθεί είτε από λάμπες (Kr, Xe)

είτε από laser διόδου.

Τα Nd:YAG laser χρησιμοποιούνται σε μια ευρεία γκάμα εφαρμογών: α) Στην Βιομηχανία

στην επεξεργασία υλικών όπως η συγκόλληση και η διάνοιξη οπών, όπου χρησιμοποιείται

ισχύς μερικών kW. Μάλιστα υπερέχουν των αντιπάλων τους CO2 στο ότι λόγω του μήκους

κύματός τους μπορεί η δέσμη να μεταφερθεί στο χώρο εργασίας πολύ εύκολα με οπτική ίνα.

Παραμένουν όμως πιο ακριβά. β) Στην χειρουργική όπως οι καυτηριάσεις, οι τομές

ακριβείας, το σταμάτημα αιμορραγιών, και μάλιστα εντός του ανθρωπίνου σώματος μέσω

οπτικής ίνας. γ) Σε μετρήσεις ακριβείας αποστάσεων κυρίως για στρατιωτικούς σκοπούς. δ)

Στην Έρευνα όπου τα παλμικά Q-switched laser μαζί με τις αρμονικές τους (δεύτερη

αρμονική λ=532 nm, τρίτη αρμονική λ=355 nm και τέταρτη αρμονική λ=266 nm) καθώς και

mode-locked laser χρησιμοποιούνται ευρύτατα.

Nd:Glass

Τα Nd:glass laser είναι παρόμοια με τα Nd:YAG. Έχουν σχεδόν τις ίδιες ενεργειακές

καταστάσεις και μήκος κύματος λ = 1.054 μm. Η μεγάλη τους διαφορά είναι ότι λόγω του

γυαλιού έχουν κατ’ εξοχήν μη ομογενή διαπλάτυνση και κατά συνέπεια πολύ μεγαλύτερο

φασματικό εύρος (περίπου 40 φορές). Αυτό το γεγονός τα κάνει κατάλληλα για λειτουργία

mode-locked και για παραγωγή πολύ στενών παλμών (~ 100 fs). Ωστόσο το μεγάλο του

μειονέκτημα είναι η μικρή θερμική αγωγιμότητα, γεγονός έχει ως αποτέλεσμα το σύστημα

laser να δουλεύει σε χαμηλούς ρυθμούς επανάληψης ( < 5 Hz) για να αποφευχθεί η

υπερθέρμανσή του.


126

9.2.3 Laser Ti:Sapphire

Το Ti:Sapphire (Ti:Al2O3) είναι από τα πιο διαδεδομένα laser στερεάς κατάστασης. Μπορεί

να ρυθμιστεί να λειτουργήσει σε ένα πολύ ευρύ φάσμα μηκών κυμάτων (Δλ = 650-1050 nm,

που αντιστοιχεί σε φασματικό εύρος Δν0 = 100 THz). Ο κρύσταλλος Ti:Al2O3 παράγεται

από τη πρόσμειξη Ti2O3 (<0.5%) σε κρύσταλλο Al2O3, όπου μερικά ιόντα Al3+

αντικαθίστανται από τα ιόντα Ti3+

τα οποία βρίσκονται στο κέντρο οκταεδρικής

κρυσταλλικής δομής όπως φαίνεται στο σχήμα 9.9.a. Η ηλεκτρονική διάταξη του Ti είναι η

[Ar]4s23d

2 γεγονός που σημαίνει ότι το Ti

3+, έχοντας συνεισφέρει

με τρία ηλεκτρόνια στην

κρυσταλλική δομή έχει πλέον ένα 3d ηλεκτρόνιο σε μια πενταπλά εκφυλισμένη κατάσταση

(2l+1). Αυτός ο εκφυλισμός αίρεται από το κρυσταλλικό πεδίο και προκύπτουν η τριπλά

εκφυλισμένη κατάσταση 2Τ2 και η διπλά εκφυλισμένη

2E, όπως παρουσιάζεται στο σχήμα

9.9.b. Στο σχήμα 9.9.c παρουσιάζονται οι παραπάνω ενεργειακές καταστάσεις ως συνάρτηση

της απόστασης του δεσμού Ti-O.

Σχ. 9.9. (a) Οκταεδρική διάταξη του Ti:Al2O3. (b) Ο διαχωρισμός των ενεργειακών

καταστάσεων 3d παρουσία του κρυσταλλικού πεδίου. (c) Οι ενεργειακές καταστάσεις του b

ως συνάρτηση της απόστασης του δεσμού Ti-O.

Η άντληση γίνεται από την χαμηλότερη ταλαντωτική κατάσταση της 2Τ2 προς διεγερμένες

ταλαντωτικές καταστάσεις της 2E (μεταβάσεις Franck-Condon). Αυτές πολύ γρήγορα

αποδιεγείρονται στην βασική ταλαντωτική κατάσταση της 2E μέσω αλληλεπιδράσεων με τα

φωνόνια του κρυστάλλου. Ο χρόνος ζωής τους είναι της τάξης των μs κι άρα κατάλληλες για

αντιστροφή πληθυσμού. Η αποδιέγερση σε διεγερμένες ταλαντωτικές καταστάσεις της

βασικής στάθμης 2Τ2 παρέχουν την ακτινοβολία laser. Αυτές με τη σειρά τους θα


127

αποδιεγερθούν ταχύτατα στην βασική ταλαντωτική κατάσταση της 2Τ2. Επομένως το

Ti:Al2O3 είναι ένα laser τεσσάρων σταθμών.

Το Ti:Sapphire μπορεί να λειτουργήσει ως cw αλλά η κύρια λειτουργία του είναι η παλμική.

Τότε μπορεί να αντληθεί είτε από λάμπες είτε από laser νεοδυμίου. Χρησιμοποιείται ως

ταλαντωτής για την παραγωγή κι ενίσχυση (με ειδικές τεχνικές) πολύ στενών και ισχυρών

παλμών. Σε αυτές τις περιπτώσεις μπορεί να δώσει τελικά παλμούς υψηλής ενέργειας (< 1

Joule), πολύ μικρής διάρκειας (20 -100 fs), με ρυθμό επανάληψης μερικών kHz. Λόγω αυτών

των χαρακτηριστικών του χρησιμοποιείται κυρίως στην Έρευνα.

9.3 Laser χρωστικών

Τα laser χρωστικών (Dye lasers) χρησιμοποιούν ως ενεργό μέσο ένα διάλυμα μιας οργανικής

χρωστικής σε υγρό διαλύτη όπως αιθανόλη, μεθανόλη, γλυσερόλη ή νερό. Τα laser

οργανικών χρωστικών είναι πολυατομικά μόρια που σχηματίζουν μεγάλες ανθρακικές

αλυσίδες διπλών δεσμών (δηλ. (-CH=)n). Συνήθως ανήκουν σε μια από τις τρεις κατηγορίες:

(1) Πολυμεθίνης, με μήκος κύματος στο ορατό και στο κοντινό υπέρυθρο (0.7-1.5 μm). (2)

Ξανθίνης με μήκος κύματος στο ορατό. (3) Κουραμίνης με μήκος κύματος στο ορατό μπλέ-

πράσινο (400-500 nm).

Σχ. 9.10. Το μοντέλο των ελεύθερων ηλεκτρονίων στην περίπτωση της χρωστικής κυανίνης.

Η λειτουργία του laser μπορεί να γίνει κατανοητή με βάση το μοντέλο των ελεύθερων

ηλεκτρονίων. Στο σχήμα 9.10 παρουσιάζεται γραφικά το μοντέλο για την περίπτωση της

κυανίνης. Τα π-ηλεκτρόνια των διπλών δεσμών των ανθράκων σχηματίζουν δυο επίπεδες


128

κατανομές εκατέρωθεν της ανθρακικής αλυσίδας. Σε αυτές τα π-ηλεκτρόνια υποθέτουμε ότι

μπορούν να κινηθούν ελεύθερα. Περιορίζονται μόνο στα άκρα από το απωστικό δυναμικό

των ομάδων μεθυλίου.

Σε μια πρώτη προσέγγιση μπορούμε να πούμε ότι οι ενέργειές τους θα είναι αυτές ενός

ελεύθερου ηλεκτρονίου σε ένα τετραγωνικό πηγάδι δυναμικού. Εάν υποθέσουμε ότι έχουμε

2Ν ηλεκτρόνια αυτά θα καταλάβουν τις πρώτες Ν καταστάσεις εφόσον κάθε κατάσταση

καταλαμβάνεται από δυο ηλεκτρόνια με αντίθετο σπιν. Επομένως η μοριακή κατάσταση θα

έχει ολικό σπιν μηδέν και θα είναι singlet, ή συμβολικά S0. Η πρώτη διεγερμένη κατάσταση

S1 είναι αυτή στη οποία το τελευταίο συνδεδεμένο ηλεκτρόνιο διεγείρεται στο επόμενο

ενεργειακό επίπεδο χωρίς να αλλάξει το σπιν του. Εάν κατά τη μετάβαση αλλάξει το σπιν

του τότε η κατάσταση είναι triplet και συμβολίζεται Τ1. Διεγερμένες καταστάσεις S2, Τ2, κτλ.

μπορούν να προκύψουν από περεταίρω διεγέρσεις. Στο σχήμα 9.11 παρουσιάζονται οι

ενεργειακές καταστάσεις και η διαδικασία laser. Οι ηλεκτρονικές ενεργειακές καταστάσεις

έχουν πληθώρα από ταλαντωτικές και περιστροφικές καταστάσεις που ενεργειακά είναι πολύ

κοντά σχηματίζοντας σχετικά φαρδιές φασματικές κατανομές για κάθε κατάσταση.

Σχ. 9.11. Τυπικό ενεργειακό διάγραμμα χρωστικών διαλυμάτων.

Αρχικά το μόριο διεγείρεται με την απορρόφηση ακτινοβολίας στις διεγερμένες

ταλαντωτικές και περιστροφικές καταστάσεις της S1 (μετάβαση Franck-Condon). Πολύ

γρήγορα (<100 fs) αποδιεγείρεται στη βασική ταλαντωντική κατάσταση της S1 λόγω

κρούσεων με τα μόρια του διαλύματος. Επειδή για τις επιτρεπτές μεταβάσεις ισχύει ΔS=0,

επιτρέπονται μόνο οι μεταβάσεις singlet-singlet και triplet-triplet. Επομένως η S1 μπορεί να

αποδιεγερθεί ακτινοβολητικά στις διεγερμένες ταλαντωτικές και περιστροφικές καταστάσεις

της S0. Αυτή η μετάβαση είναι υπεύθυνη για την ακτινοβολία laser της χρωστικής. Τέλος το

μόριο αποδιεγείρεται πολύ γρήγορα και πάλι μέσω κρούσεων στην βασική κατάσταση της

S0. Επομένως το laser χρωστικής είναι ένα laser τεσσάρων σταθμών. Αξίζει να σημειωθεί

πως στην όλη διαδικασία μπορεί να εμπλακούν και οι καταστάσεις triplet που μπορούν να

αλληλεπιδράσουν με τις singlet μη ακτινοβολητικά, επηρεάζοντας έτσι την απόδοση των

laser χρωστικής.


129

Τα laser χρωστικής μπορούν να λειτουργήσουν είτε ως cw είτε παλμικά. Συνήθως

αντλούνται από λάμπες ενώ το διάλυμα κυκλοφορεί σε γυάλινο σωλήνα στο χώρο άντλησης.

Ωστόσο για αποδόσεις μεγαλύτερης ισχύος χρησιμοποιούνται και excimer laser ως αντλίες.

Τα laser χρωστικής παρουσιάζουν σημαντικά πλεονεκτήματα. Καλύπτουν μια ευρύτατη

φασματική περιοχή και παρέχουν εύκολη επιλεξιμότητα του μήκος κύματος. Μάλιστα η

χρωστική ουσία μπορεί να αντικατασταθεί από έναν άλλο τύπο, ώστε να παράγει

διαφορετικά μήκη κύματος με το ίδιο λέιζερ, αν και αυτό συνήθως απαιτεί αντικατάσταση

κάποιων οπτικών στοιχείων στο laser. Για τους λόγους αυτούς χρησιμοποιούνται κυρίως

στην Έρευνα και ιδιαίτερα στην φασματοσκοπία. Επίσης χρησιμοποιούνται και στην Ιατρική

κυρίως στην θεραπεία δερματικών παθήσεων.

9.4 Laser ημιαγωγών

Τα laser ημιαγωγών είναι από τις πιο σημαντικές κατηγορίες laser σήμερα εξαιτίας της

μεγάλης κλίμακας των εφαρμογών τους αλλά και τη πολύ σημαντική χρήση τους ως

αντλητικά laser για laser στερεάς κατάστασης. Το μέσο ενίσχυσης, όπως δηλώνει και το

όνομά τους, είναι ημιαγώγιμα υλικά. Για την ακρίβεια τα περισσότερα είναι συνδυασμός

στοιχείων της τρίτης ομάδας του Περιοδικού Πίνακα (π.χ. Al, Ga, In) και της πέμπτης

ομάδας (π.χ. N, P, As, Sb), για παράδειγμα GaAs, AlGaAs, και InGaAs. Τα μήκη κύματος

καλύπτουν μια ευρεία περιοχή του φάσματος του ορατού και κοντινού υπερύθρου.

Σχ. 9.12. Αρχή λειτουργίας ενός laser ημιαγωγού.

Η αρχή λειτουργίας τους παρουσιάζεται στο σχήμα 9.12. Έστω λοιπόν ημιαγωγός με

συμπληρωμένη την ζώνη σθένους V και του οποίου η ζώνη αγωγιμότητας C απέχει

ενεργειακά Εg. Για απλότητα θεωρούμε πως όλα αυτά συμβαίνουν σε θερμοκρασία Τ=0 Κ,

οπότε η ζώνη σθένους είναι γεμάτη με ηλεκτρόνια ενώ η ζώνη αγωγιμότητας εντελώς άδεια.

Υποθέτουμε τώρα ότι μερικά ηλεκτρόνια διεγείρονται από την ζώνη σθένους στην ζώνη

αγωγιμότητας. Πολύ γρήγορα (~ 1 ps) τα ηλεκτρόνια της ζώνης αγωγιμότητας θα πέσουν στα

χαμηλότερα μη κατειλημμένα ενεργειακά επίπεδα της ζώνης αγωγιμότητας. Το ίδιο θα

συμβεί και με τις οπές της ζώνης σθένους αφήνοντας οπές στα υψηλότερα ενεργειακά της

επίπεδα. Η εκπομπή φωτός τότε επιτυγχάνεται με την επανασύνδεση ενός ηλεκτρονίου από


130

τη ζώνη αγωγιμότητας με μια οπή από τη ζώνη σθένους. Αυτός ο μηχανισμός της

ακτινοβολίας επανασύνδεσης όπως είναι ο όρος είναι ο μηχανισμός της εκπομπής φωτός από

μια δίοδο LED (Light Emitting Diode). Υπό κατάλληλες συνθήκες αυτός ο μηχανισμός

αποδιέγερσης μπορεί να γίνει εξαναγκασμένα και να οδηγήσει στην δημιουργία ακτινοβολίας

laser.

Ο πιο διαδεδομένος τρόπος για να συμβεί αυτό είναι μέσω της εφαρμογής διαφοράς

δυναμικού (τάσης) στην επαφή του ημιαγωγού. Η αρχή του μηχανισμού εξηγείται στο σχήμα

9.13 όπου παρουσιάζονται οι ενεργειακές ζώνες μιας επαφής p-n. Παρατηρούμε ότι στην

επαφή το επίπεδο της ενέργειας Fermi βρίσκεται στην ζώνη σθένους για την p-περιοχή (EFp)

και ταυτόχρονα στην ζώνη αγωγιμότητας για την n-περιοχή (EFn). Όταν δεν εφαρμόζεται

εξωτερικό πεδίο τότε τα δυο ενεργειακά επίπεδα Fermi των δυο περιοχών είναι

ευθυγραμμισμένα. Εφαρμόζοντας μια τάση V στην επαφή έχει ως αποτέλεσμα καταρχήν το

διαχωρισμό των δυο επιπέδων Fermi που τώρα απέχουν ενέργεια ΔΕ. Επιπλέον στην περιοχή

της επαφής τα ηλεκτρόνια από την ζώνη σθένους της n-περιοχής να περνούν στην ζώνη

αγωγιμότητάς της ενώ ταυτόχρονα οπές από της ζώνη αγωγιμότητας της p-περιοχής περνούν

στην ζώνη σθένους της (βλ. σχήμα. 9.13.b). Επομένως η κατάσταση ομοιάζει αυτήν της

αρχής λειτουργίας του σχήματος 9.12. Πράγματι για κατάλληλες τιμές πυκνότητας ρεύματος

ικανοποιούνται οι συνθήκες για την αντιστροφή πληθυσμών και την παραγωγή ακτινοβολίας

laser.

Σχ. 9.13. (a) Δομή ενεργειακών ζωνών μιας επαφής p-n ενός laser ημιαγωγού σε μηδενικό

εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο. (b) Η αλλαγή των ενεργειακών ζωνών του a υπό την επίδραση

εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου.

Όπως ειπώθηκε και αρχικά τα laser ημιαγωγών (αναφέρονται γενικά κι ως laser διόδου)

έχουν ένα ευρύτατο φάσμα εφαρμογών. Παρέχουν laser στο ορατό και το υπέρυθρο, έχουν

υψηλή απόδοση, παρέχουν ισχύ από μερικά mW έως μερικά kW, μπορεί να μεταφερθεί η

δέσμη με οπτικές ίνες, είναι μικρά σε μέγεθος και σχετικά φτηνά. Χρησιμοποιούνται στη

Βιομηχανία υλικών (κόλληση πλαστικών και μεταλλικών υλών), στην Ιατρική (Χειρουργική,

Οδοντιατρική, Αφαίρεση τριχών κτλ), στη μετρολογία, στην εκτύπωση (laser printers), στη

μουσική (CD player) και σε διάφορους παρεμφερείς κλάδους. Μια από τις βασικές χρήσης


131

των ισχυρών laser ημιαγωγών είναι η άντληση άλλων laser κυρίως στερεάς κατάστασης. Η

χρήση τους στην Έρευνα είναι επίσης εκτεταμένη. Τέλος, δεν πρέπει να ξεχάσουμε να

αναφέρουμε τα laser pointer και τη ζωτική τους συνεισφορά στις παρουσιάσεις διαλέξεων κι

ομιλιών γενικότερα όπως και στην εκ του μακρόθεν στόχευση κινούμενων στόχων κυρίως

ποδοσφαιριστών κατά τη διάρκεια αγώνων τα Σαββατοκύριακα.

9.5 Laser ελευθέρων ηλεκτρονίων

Η παραγωγή ακτινοβολίας laser από ελεύθερα ηλεκτρόνια (Free Electron Laser – FEL)

βασίζεται σε εντελώς διαφορετικές αρχές από τα μέχρι τώρα εξετασμένα συμβατικά laser. Ο

μηχανισμός παρουσιάζεται στο σχήμα 9.14 Μια δέσμη ηλεκτρονίων επιταχύνεται σε

ταχύτητες σχεδόν αυτής του φωτός και εισέρχεται σε μια περιοχή που ονομάζεται undulator.

Πρόκειται για ένα χώρο με εναλλασσόμενο κατά φορά μαγνητικό πεδίο που παράγεται από

μια περιοδική διάταξη μαγνητών με εναλλασσόμενους πόλους κατά μήκος της ευθείας

κίνησης της δέσμης των ηλεκτρονίων που καλείται άξονας του undulator. Το σχηματιζόμενο

με αυτό τον τρόπο μαγνητικό πεδίο αναγκάζει τα ταχέα ηλεκτρόνια να ταλαντωθούν στο

κάθετο στον άξονα του undulator επίπεδο διαγράφοντας τελικά ημιτονοειδή κίνηση γύρω

από τον άξονα του undulator.

Σχ. 9.14. Η διάταξη ενός laser ελευθέρων ηλεκτρονίων.

Η παραπάνω ταλαντωτική κίνηση των ηλεκτρονίων έχει ως αποτέλεσμα την εκπομπή

ακτινοβολίας (ακτινοβολία synchrotron) που είναι μεν μονοχρωματική αλλά ασύμφωνη,

εξαιτίας του γεγονότος ότι τα ηλεκτρομαγνητικά εκπεμπόμενα κύματα προέρχονται από

τυχαίως κατανεμημένα ηλεκτρόνια. Εάν μια εξωτερική δέσμη laser προστεθεί στον άξονα

του undulator ή η ακτινοβολία synchrotron γίνει αρκετά ισχυρή, τότε το κάθετο στο άξονα

ηλεκτρικό πεδίο της ακτινοβολίας αλληλεπιδρά με τα ηλεκτρόνια στον άξονα της κάθετης

αρμονικής κίνησής τους προσδίδοντας ή αφαιρώντας τους κινητική ενέργεια. Αυτό έχει ως

αποτέλεσμα να σχηματιστούν περιοδικές ηλεκτρονικές πυκνότητες με περίοδο ενός οπτικού

κύκλου κατά μήκος του άξονα του undulator. Κατά συνέπεια η εκπεμπόμενη ακτινοβολία

synchrotron συμβάλλει ενισχυτικά και η προκύπτουσα ακτινοβολία είναι σύμφωνη κι άρα

είναι laser. Καθώς η ένταση της ακτινοβολίας του FELμεγαλώνει το φαινόμενο ενισχύεται

ακόμη περισσότερο ως τα όρια του κορεσμού.

Τέλος Ενότητας

Χρηματοδότηση• Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα

πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα.• Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο

Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού.

• Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.

Σημειώματα

Σημείωμα Ιστορικού Εκδόσεων Έργου

Το παρόν έργο αποτελεί την έκδοση 1.0. Έχουν προηγηθεί οι κάτωθι εκδόσεις:• Έκδοση 1.0 διαθέσιμη εδώ.http://ecourse.uoi.gr/course/view.php?id=1141.

Σημείωμα Αναφοράς

Copyright Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων, Διδάσκων : Επίκ. Καθ. Μ. Μπενής. «Φυσική των Laser. ΕΙΔΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ LASER». Έκδοση: 1.0. Ιωάννινα 2014. Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση: http://ecourse.uoi.gr/course/view.php?id=1141.

Σημείωμα Αδειοδότησης

• Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης CreativeCommons Αναφορά Δημιουργού -Παρόμοια Διανομή, Διεθνής Έκδοση 4.0 [1] ή μεταγενέστερη.

• [1] https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/

L | > @ 0 : 8 @ 0 H...

Documents

Transcript of L | > @ 0 : 8 @ 0 H...