TEl ΚΑΒΑΛΑΣΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΊΑΣ

ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ:ΜΕΛΕΤΗ ΑΠΟΣΤΑΣΙΟΜΕΤΡΟΥ LASER.

ΙΐΙΙΟ ΙΙΤΗ Σ: Λρ. Μ Ω Υ ΣΗ Σ ΤΡ1ΑΝΤΛΦΥΛΛΙΛΗΣ

του ΔΗΜΗΤΡΙΟΥ ΚΑΝΤ7Α

ΤΕΙ ΚΑΒΑΛΑΣΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ

^ h ‘h 3

ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ:ΜΕΑΕΤΗ ΑΠΟΣΤΑΣΙΟΜΕΤΡΟΥ LASER.

Ε110ΠΤΗΣ: Λρ. Μ ΩΥΣΗΣ ΤΡΙΑΝΤΑΦΥΛΛΙΛΗΣ

τοη ΛΗΜΗΤΡΙΟΥ ΚΑΝΤΖΑ

IlEPIEXOMLNA.

ΙΙρόλογος ....1

1. Τηλέμ£τρο ηχοΰς παλμών laser ....2

1.1 Εισαγωγή ....2

1.2 Αποστασιόμ£τρα laser ....3

1.2.1 ΙΙηγή laser ....5

1.2.2 Ακρίβεια και Απόσταση ....6

2. θεωρία και Αρχές των laser ....8

2.1 Ορολογία ....8

2.2 Ενεργειακά επίπεδα και μεταπτώσεις ....9

2.3 Λιέγερση ...10

2.4 Διηγηρμένη και τυχαία εκπομπή ...11

2.5 Αντιστροφή πληθυσμών ...11

2.6 Ενίσχυση και πάλμωση ...12

2.7 Αντηχεία, τρόποι λειτουργίας και ποιότητα ακτίνας ...14

2.8 Πλάτος γραμμής και συντονισμός ...19

2.9 Συνέχεια και κηλίδα ...19

2.10 Περιορισμοί απόδοσης ...21

2.11 Ισχύς εξόδου ...21

2.12 Χρονική κλίμακα λειτουργίας ...22

3. Κορυφώσεις στη λειτουργία laser ...24

3.1 Μετακίνηση Raman ...24

3.2 Μετατροπή Q ...25

3.3 Cavity dumping ...28

3.4 Εγκλείδωση ρυθμού ...29

3.5 Ενίσχυση ...30

4. Laser Νεοδυμίου ...31

4.1 Ενεργό μέσο

4.2 Μεταφορά ενέργειας

4.3 Εσοηερική δομή

4.4 Κληρονομικά μειονεκτήματα

4.5 Ποικιλίες και καλυπτόμενοι τύποι

4.6 Χαρακτηριστικά ακτίνας

4.6.1 Μήκος κύματος κα ι ισχύς εξόδου

4.6.2 Απόδοση

4.6.3 Διάρκεια και ρυθμός επανάληψης παλμών laser Nd:YAG

4.6.4 Ποιότητα ακτίνας και τρόποι

4.6.5 Διάμετρος ακτίνας και απόκλιση

4.6.6 Απαιτήσεις λειτουργίας

4.6.6.1 Τροφοδοσία

4.6.6.2 Ψύξη

4.6.6.3 Αναλώσιμα

4.6.6.4 Μηχανικά

4.6.6.5 Αξιοπιστία

5. Ηλεκτρονικοί ανιχνευτές ακτινοβολίας laser

5.1 θεωρία των ανιχνευτών ακτίνας laser

5.2 Φωτοδίοδοι σύζευξης

5.3 Ηλιακές κυψέλες και φωτοφωρατές

5.4 Φωτοβολταικό φαινόμενο και απόδοση ηλιακών κυψελών

6. Μετρητής

6.1 Ταλαντωτές κρυστάλλου

7. Γενική θεώρηση αποστασιόμετρου laser

7.1 Το αποτέλεσμα

Π1 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ A

Π2 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β

ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Γ

Η λέξη laser είναι το ακρωνύμιο για " light amplification by stimulated emission of

radiation " , φράση που καλύπτει τα περισσότερα εκ των κυρίων ςιυσικών διεργασιών στο

εσωτερικό ενός laser. Δυστυχώς αυτή η έκφραση δεν είναι ιδιαίτερα διαφωτιστική για

τον μη ειδικό που απλά θέλει να χρησιμοποιήσει ένα laser αλλά δεν ενδιαφέρεται

ιδιαίτερα για τα εσωτερικά δρώμενα αλλά για τα εξωτερικά χαρακτηριστικά.

Ο χρήστης του laser βρίσκεται σε ανάλογη θέση με τον σχεδιαστή ηλεκτρονικών

κυκλωμάτων . Μια γενική γνώση της φύσης του laser είναι αρκετή στον χρήστη όπως και

η σε γενικόπλαίσιο κατανόηση της φυσικής των ημιαγωγών στον σχεδιαστή

ηλεκτρονυιών κυκλωμάτων. Τελικά η δουλειά τους απαιτεί την κατανόηση των

χαρακτηριστικών λειτουργίας ολοκληρωμένων συσκευών - εξαρτημάτων , όχι την

συναρμολόγησή ενός laser ή την κατασκευή ολοκληρωμένου κυκλώματος 1C (integrated

circuit).

Αυτή η εργασία γράφτηκε στο επίπεδο ενός αρχάριου μια και ο συγγραφέας της δεν

μπορεί να θεωρηθεί ειδήμων του θέματος. Λεν πρόκειται να δωθεί μεγάλη έκταση στα

εσωτερικά φυσικά φαινόμενα μια και αρκετά εξ' αυτών δεν έχουν μεγάλη σημασία στην

ολοκλήρωση του τηλέμετρου laser ( ή αποστασιόμετρου laser) , του οποίου μέρος μόνο

είναι αλλά το πλέον απαραίτητο αποτελεί το laser. Τα υπόλοιπα τμήματα που το

απαρτίζουν είναι το κύκλωμα του μετρητή, ο δέκτης επιστρέφοντος σήματος και φυσικά

το τροφοδοτώ ό.

θεωρώ σκόπιμο και προς αποφυγή οποιοσδήποτε παρεξηγήσεως να αναφέρω ότι σαν

μοντέλο χρησιμοποιήθηκαν οι προδιαγραφές και οι περιορισμοί που έχουν επιβληθεί

στην κατασκευή και χρήση των αποστασιόμετρων που προορίζονται για στρατιωτική

χρήση.

ΚΒΦΑΛΑΙΟ 1θ·

ΤΗΛΕΜΕΤΡΟ ΗΧΟΥΣ ΠΑΛΜΩΝ LASER.

1.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Οποχ; γίνεται εμφανές από τον τίτλο αυτής της εργασίας, σκοπός της είναι ο σχεδιασμός

στο μέτρο που οι συνθήκες και η διαθέσμιη βιβλιογραφία επιτρέπει, ενός συστήματος

μέτρησης της αποστάσεως με την χρήση ενός παλμικού laser όπως αυτό που φαίνεται στο

σχήμα Π3.15.

Το κατά πόσο αυτό γίνεται εφικτό φαίνεται από την εξέλιξη της παρούσας εργασίας. Η

παρουσίαση της εργασίας γίνεται με όσο το δυνατό απλούστερο τρόπο τόσο για να γίνει

εύκολα κατανοητή όσο και για να ξεπεραστεί ο σκόπελος της θεωρητικής μακρυγορίας

που τίποτα ουσιαστικό δεν έχει να προσφέρει στο χρήστη. Εγγενείς αδυναμίες και

ελλείψεις αποδίδονται κατά πλειοψηφία στην έλλειψη στοιχείων πρακτικής εφαρμογής,

στο απόρρητο εργαστηριακών αποτελεσμάτων που επικαλέσθηκαν εταιρίες του χοίρου

και στην οικονομική δυσχέρια του γράφοντος που συνετέλεσαν σ' αυτές τις αδυναμίες.

1.2 ΑΙΙΟΣΤΑΣΙΟΜ ΕΤΡΑ LASER (THAEMETPA ΗΧΟΥΣ IIAAMQN LASER).

Oi συσκευές αυτού του τύπου χρησιμοποιούν laser παλμικής λειτουργίας και όχι laser

συνεχούς. Η εκτίμηση της αποστάσεως γίνεται , με μέτρηση του χρόνου που μεσολαβεί

μεταξύ εκπομπής και λήψης του παλμού laser. Αν πολλαπλασιαστεί τώρα ο χρόνος

αυτός με το ήμισι της ταχύτητας του φοπός έχουμε την απόσταση του στόχου με μεγάλη

ακρίβεια. Τέτοια συστήματα υπήρχαν και πριν την ανακάλυψη του laser, αλλά

βελτιώθηκαν πάρα πολύ με την εμφάνισή του, επειδή τα laser δίνουν πολύ μεγάλη ισχύ

σε πολύ βραχείς παλμούς. Οι βραχείς παλμοί δίνουν περιθώρια για πολύ μεγάλες

ακρίβειες και περιορίζουν πολύ την πιθανότητα σφάλματος λόγω φωτεινών

παρασιτικών πηγών.

Το οπτοηλεκτρονικό μέρος της εκπομπής της συσκευής αποτελείται από ένα παλμικό

laser ruby, NdYAG ή C02, ένα σύστημα παραγωγής γιγαντοπαλμού laser ήτε με

ηλεκτροοπτυτό κρύσταλλο ήτε με περιστρεφόμενο κάτοπτρο, ήτε με ηλεκτροοπτικό

κρύσταλλο ήτε με πλαστικό παθητικό φιλμ και ένα διευρηντή δέσμης ο οποίος δίνει στη

δέσμη τις επιθημητές διαστάσεις και το επιθημητό άνοιγμα. Αναίστοιχα το

οπτοηλεκτρονυιό μέρος της λήψης αποτελείται από την οπτική λήψης της επιστρέφουσας

ακτινοβολίας και το φωρατή ακτινοβολίας που αποτελείται από μια δίοδο PIN ή

avalance, ένα προενισχυτή και ένα ενισχυτή του σήματος. Μέρος του παλμού εκπομπής

10-20nsecs φθάνει στο φωρατή ακτινοβολίας όπως επίσης φθάνει σ' αυτό και η ασθενής

επιστρέφουσα ακτινοβολία διάρκειας 15-30nsecs.

Το ηλεκτρονικό μέρος της συσκευής αποτελείται από την ηλεκτρονική λογική, που

περιλαμβάνει ένα κρύσταλλο χαλαζία σαν ηλεκτpovucό ρολόι, καθώς και το σύστημα

αναγραφής των αποστάσεων των μετρούμενων στόχων. Τέλος η οπτοτή του συστίματος

περιλαμβάνει ένα τηλεσκόπιο παρατήρησης , μεγένθυσης 7Χ ή 8Χ που εξασφαλίζει τη

σωστή παρατήρηση και σκόπευση με το τηλέμετρο.

Ολες οι προαναφερθήσες υπομονάδες φαίνονται στο παρακάτω σχήμα 1.1:

ΤΗΛΕΜΕΤΡΟ ΗΧΟΥΣ. ΠΑΛΜΟΝ LASOL

Σχήμα 1.1 τηλέμετρο ηχούς παλμών laser σε block διάγραμμα.

Στο παραπάνω σχήμα περιγράφονται και εξαρτήματα τα απαιτούνται και

χρησιμεύουν όταν έχουμε μεγάλη δυνατότητα παροχής ενέργειας , θέμα το οποίο δεν

τίθεται εδώ, πρωταρχικά λόγω μεγέθους .

Ο τρόπος τώρα λειτουργίας του οργάνου είναι προφανής από την περιγραφή των

επιμέρους μονάδων. Οι εντολές start-stop ορίζουν την διάρκεια ταλάντωσης του

κρυστάλλου χαλαζία, ο δε αριθμός πλήρων ταλαντώσεών του, ορίζει το χρόνο που

μεσολάβησε μεταξύ εκπομπής και λήψης του παλμού laser και συνεπώς και την

απόσταση που βρίσκεται ο μετρούμενος ή οι μετρούμενοι στόχοι.

Ο πομπός laser του τηλεμέτρου laser στην περίπτωση του NdYAG, εκπέμπει ένα

παλμό της τάξης των 10-15nsec και ενέργειας W t Η ενέργεια όμως που φτάνει σ' ένα

απομακρυσμένο στόχο θα είναι : \νΐτ=\νΐ*οχρ(-μΚ), όπου μ ο συντελεστής

ατμοσφαιρικής εξασθένησης και R η απόσταση του στόχου. Στην απλή περίπτωση ενός

επίπεδου κατά Lambert ανακλαστικού στόχου, του οποίου η κάθετος σχηματίζει γωνία

φ με την προσπίπτουοα ακτινοβολία, η ακτινοβολία που ανακλάται μέσα σ' ένα στερεό

κώνο γωνίας Ω, σε γωνία φ ως προς την κάθετο είναι \νΐε=\νΐτ(ροο5φ)Ω/π, όπου ρ η

ανακλαστικότητα του κατόπτρου.

Το σύστημα λήψης διαμέτρου D, σε απόσταση R από τον στόχο, βρίσκεται απέναντι

από μια στερεά γωνία Ω=πΟ^/4Κ2.

Επειδή όμως ω>=α, όπου ω είναι το πεδίο παρατήρησης του φωρατή και α το

άνοιγμα της δέσμης του laser η ενέργεια που θα φθάνει στον φωρατή θα είναι

Wr=Wte*τ*exp(-μR), όπου τ η διαπερατότητα της οπτικής λήψης και τελικά :

Wr = Wt Ρτ(οο5φ)ο-2>^» D2/4R2

Επειδή η ενέργεια που επιστρέφει πίσω είναι πολύ χαμηλή, πολλές φορές της τάξης

των μερικών nWatts, ο φωρατής λήψης πρέπει να είναι πολύ ευαίσθητος, κα ι είναι

συνηθησμένη η χρήση ευαίσθητων φωτοδιόδων - φωρατών του τύπου PIN ή avalance.

Συνήθως τα τηλέμετρα ηχούς παλμών laser καλύπτουν αποστάσεις μέχρι 20km με

ακρίβεια +5m, -5m.

Σαν συμπλήρωμα στις προδιαγραφές κατασκευής και λειτουργίας πρέπει να

αναφερθούν και τα ακόλουθα;

Οι διαστάσεις και το βάρος της συσκευής πρέπει να βρίσκονται εντός ιδιαίτερα

περιορισμένων ορίων για να είναι δυνατή η μεταφορά και λειτουργία της από ένα

άτομο.

Αυτά οδηγούν σε μια σειρά αποδοχών κόστους λειτουργίας και ικανότητας απόδοσης

που προϋποθέτουν τροφοδοσία συνεχούς ρεύματος από συσσωρευτές και απλή και

στιβαρή κατασκευή για απρόσκοπτη λειτουργία και εύκολη συντήρηση από ανειδίκευτο

προσωπικό όπως αυτό που θα κληθεί να χρησιμοποιήσει την συσκευή.

1.2.1 Πηγή laser.

Αν και πολλοί τύποι ακτινοβολίας θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν σε

αποστασιόμετρα χρονο-παλμών, laser Nd ; YAG ή GaAs(σχφαΠ3.13)χpησιμoπoιoύvται

σχεδόν αποκλειστικά. Κανονικά , παλμοί υψηλής έντασης πρέπει να εκπεμφθούν για να

πάρουμε ένα σήμα επιστροφής από έναν μη συνεργάσιμο στόχο, όπως είναι όλοι οι μη

ανακλαστικοί. Η μικρή απόκλιση του laser είναι ένα πλεονέκτημα , μια και επιτρέπει

τον διαχωρισμό ανάμεσα σε κοντινό αντικείμενα, και μια τυπική ακτίνα με απόκλιση

λιγότερο από Imrad εξασφαλίζει την ανίχνευση του σήματος επιστροφής πέραν

μεγάλων αποστάσεων.

Διακόπτες Q κορεσμένης βαφής χρησιμοποιούνται συχνά στα laser Nd ; YAG . Τα

laser GaAs είναι έτσι ιρτιαγμένα για να παράγουν παλμική έξοδο συνδέοντάς τα

απευθείας με τροφοδοτικό με παλμική έξοδο υψηλού ρεύματος σχ.Π3.14.

Αποστασιόμετρα Nd : YAG μπορούν να γίνουν φορητά και ένα τέτοιο φορητό σύστημα

θα έχει ισχύ κορυφής μερικών megawatt , διάρκεια παλμού 25ns και ρυθμό παλμού

περίπου ΙΟΟΗζ. Τα αποστασιόμετρα GaAs έχουν έξοδο μερικών watt συμπιεσμένων σε

παλμούς των 50ns ή λιγότερο σε ρυθμούς επανάληψης αρκετών kilohertz.

1.2.2 Ακρίβεια κ α ι απόσταση.

Η μέγιστη απόσταση που μπορεί να μετρηθεί από την χρονοπαλμική μέθοδο

εξαρτάται κύρια από την ισχύ εξόδου του laser, τον τύπο του στόχου, ατμοσφαιρικές

συνθήκες και τα χαρακτηριστικά του δέκτη. Ενα τυπικό αποστασιόμετρα Nd:YAG θα

έχει ένα βεληνεκές 10km για μη συνεργάσιμο στόχο υπό καλές συνθήκες ορατότητας. Σε

αντιπαράθεση ένα αποστασιόμετρα GaAs θα έχει παρόμια ακτίνα δράσης αλλά απαιτεί

ανακλαστικό πρίσμα για την επιστροφή του σήματος (σχΠ3.17). Χωρίς αυτό το

βεληνεκές μειώνεται στα 100 - 200m.

Αμφότερα τα συστήματα επιρρεάζονται τα μέγιστα από τις ατμοσφαιρικές συνθήκες

όπως ομίχλη , βροχή, καταχνιά όπου η ακτίνα τους περιορίζεται στο πεδίο ορατότητας.

Σε δυνατές βροχές η μείωση της δραστικότητας του laser είναι κατακόρυφη. Ενας

επιπλέον παράγων που συνεισφέρει στην μείωση της ακτίνας είναι η ευαισθησία του

δέκτη. Αυτός αποτελείται από ένα οπτικό σύστημα που πρέπει να είναι προσεκτικά

σχεδιασμένο και ευθυγραμμισμένο για να κατευθύνει την ασθενή επιστρέφουσα ακτίνα

στον φωρατή. Οι φωρατές είναι φωτοδίοδοι σιλικόνης ικανοί να ανιχνεύσουν

επιστρέφοντα παλμό τόσο μικρό όσο 10·* W. Για να βελτιώσουμε την πιθανότητα λήψης

ενός μικρού σήματος, ένα φίλτρο μπορεί να τοποθετηθεί στην διαδρομή του

λαμβανόμενου παλμού για να αποτρέψει την καταγραφή οποιουδήποτε ψευδού φωτός.

Η χρήση φίλτρων στενής ζώνης είναι πιθανή μια και τα πλάτη γραμμής των laser είναι

μικρά. Η ακρίβεια μέτρησης ενός αποστασιόμετρου εξαρτόται από αρκετές μεταβλητές ,

με πλέον σοβαρές απ' αυτές το σχέδιο και την αξιοποίηση των ηλεκτρονικών

εξαρτημάτων μέσα στη συσκευή. Αυτά καθορίζουν τα χαρακτηριστικά δύο κυρίων

συντελεστών στην ακρίβεια; την σταθερότητα του ταλαντωτή σε σχέση με την απόκριση

του δέκτη και την μορφή των παλμών έναυσης κα ι λήξης. Υποθέτωντας ότι η συχνότητα

ταλάντεοσης είναι 150ΜΗζ, κάθε παλμός που καταγράφεται από το σύστημα θα

αντιπροσωπεύει μήκος Im, και αν ο μετρητής έχει ικανότητα να ανταποκρίνεται μόνο

σε ολόκληρους κύκλους τότε αυτή είναι και η ευαισθησία του συστήματος. Η μέγιστη

ακρίβεια που μπορεί να επιτευχθεί υπαγορεύεται από τον χρόνο ανόδου του παλμού

ΐ35βΓ(τ). Αυτό φαίνεται στο σχήμα 1.2 και Π3.12.

σχήμα 1.2 κυματομορφή παλμού laser.

Επειδή και οι δύο παλμοί έναυσης και λήξης είναι της αυτής μορφής υπάρχει μια

αβεβαιότητα (χρονική) ως προς το πότε η έντασή του είναι αρκετή για να σκανδαλίσει

μια φωτοδίοδο. Το σφάλμα στην απόσταση που οφείλεται σ' αυτό το φαινόμενο είναι

ανάλογο στον χρόνο +τ ή -τ και, για μια τιμή του τ=10ηε, υπάρχει μια αμφιβολία στην

μέτρηση της απόστασης κατά 1.5m. Είναι δυνατό να μειώσουμε αυτό το σφάλμα με την

χρήση περίπλοκων ηλεκτρονικών κυκλωμάτων, μερικές φορές εις βάρος του μεγέθους

και του κόστους.

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2ο.

ΘΒΩΡΙΑ ΚΑΙ ΑΡΧΕΣ ΤΩΝ LASER.

Ο όρος laser καλύπτει ένα σύνολο συσκευών, όπως θα διευκρινιστεί σε επόμενα

κεφάλαια. Ενώ πολλά laser έχουν φανερές ομοιότητες μεταξύ τους , μερικοί τύποι είναι

καθαρά ξεχωριστοί. Ηλίου - νέου , ιόντων και διοξειδίου του άνθρακα laser έχουν

μερικές σοβαρές ομοιότητες επειδή όλα είναι ηλεκτρικά διεγηρόμενα laser αερίου, αλλά

με την πρώτη ματιά δείχνουν να έχουν ελάχιστα κοινά με τα τμιαγωγά διοδικά laser τα

οποία είναι και αυτά ηλεκτρικά διεγηρόμενα. Παρ' όλα αυτά , η λειτουργία όλων των

laser βασίζεται σε μερικές κοινές αρχές που θα καλυφθούν σ' αυτό το κεφάλαιο.

Η φυσική των laser είναι μια αρχή που συνεχίζει πάνω σε αρκετούς άλλους τομείς,

μεταξύ των οποίων η κβαντομηχανική, η οπτική, δυναμική των αερίων, φυσική των

ημιαγωγών, ατομική και μοριακή φυσική και τη θεωρία αντηχείων. Ενας από τους πιό

σημαντικούς παράγοντες είναι η μεταφορά ενέργειας μεταξύ ατόμων κα ι μορίων, που

είναι στενά συνδεδεμένη με τη κβαντομηχανική. Τα χαρακτηριστικά του laser επίσης

εξαρτώνται ισχυρά στο οπτικό σχέδιο της κοιλότητας του μέσου laser, και αυτό με τη

σειρά του εξαρτάται από τις φυσικές ιδιότητες του laser μέσου. Αυτό το κεφάλαιο δίνει

μια εισαγωγή στις αρχές του laser.

2.1 ΟΡΟΛΟΓΙΑ.

Το επίσημο όνομα για την φυσική laser είναι κβαντομηχανική. Ο όρος χρονολογείται

από τις πρώτες μέρες της έρευνας των maser(microwave amplification by stimulated

emission of radiation), και σήμερα χρησιμοποιείται κύρια σε σύνδεση με την ακαδημαυτή

έρευνα.

Αρκετή ορολογία φυσικής laser έρχεται από την φασματοσκοπία και την φυσητή

ατόμων και μορίων. Μια από τις σημαντικότερες ιδέες (concept) είναι το ενεργειακό

επίπεδο, μια κβαντική κατάσταση ενός ατόμου ή μορίου. Η ενέργεια ενός συγκεκριμένου

επιπέδου, μετράτε σε σχέση με τη γη ή το χαμηλότερο ενεργειακό επίπεδο που εκ

παραδοχής τίθεται ως ενεργειακό μηδέν. Από εδώ και πέρα θα αναφέρομαι σε species

αντί άτομα ή μόρια. Η μετακίνηση ενός species από ένα ενεργειακό επίπεδο σ' ένα

άλλο λέγεται μετάπτωση. Μία μετακίνηση σ' ένα υψηλότερο ενεργειακό επίπεδο είναι

μία διέγερση σε ένα διηγηρμένο επίπεδο και απαιτεί την απορρόφηση ενός ποσού

ενέργειας ίσου με την διαφορά ενέργειας των δύο επιπέδων. Η πτώση από ένα ψηλότερο

σ' ένα χαμηλότερο ενεργειακό επίπεδο λέγεται εκφόρτιση ή αποδιέγερση και

συνοδεύεται από την απελευθέρωση της ενέργειας μετάπτωσης. Τα species συχνά

απορροφούν ή απελευθερώνουν ενέργεια φωτονίων, κβάντα ή ηλεκτρομαγνητικής

ακτινοβολίας. Στον κόσμο του laser το φως χρησιμοποιείται γενικά για την

ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία διαμέσου του υτιέρυθρου και υπεριώδους μέρους του

φάσματος όπως και για το πραγματικό ορατό φως. Το φως καθ'αυτό έχει διπλή φύση

σαν σώμα και σαν κύμα. Η φύση του φωτός μπορεί να μετρηθεί με τρεις τρόπους; σαν το

μήκος κύματος ενός φωτοκύματος, σαν την συχνότητα πάλμωσης ενός κύματος, ή σαν

την ενέργεια ενός φωτονίου. Το μήκος κύματος μετράται απαραλλάχτα σε μονάδες

μήκους. Συχνότητα και ενέργεια φωτονίου είναι κατ' ουσίαν ισοδύναμες μετρήσεις

σύμφωνα με την σχέση του Plank E=hv όπου Ε είναι η ενέργεια h η σταθερά του Plank

και V η συχνότητα. Η ενέργεια Ε μετράται σε eV, η συχνότητα ν σε Ηζ.

2.2 ENEPTEIAICA ΕΙ1ΙΙΙΕΑΑ ΚΑΙ Μ ΕΤΑΙΙΤΩΣΕΙΣ.

Υπάρχουν τρεις τύποι ενεργειακών επιπέδων που συναντώνται στη φυσική των laser

σχήμα Π3.4 .

•Ηλεκτρονικό επίπεδο, αφορά την διάταξη των ηλεκτρονίων σ' ένα species.

Ηλεκτρονικές μετατοπίσεις είναι αυτές που εικονίζονται στο πρότυπο Η του Bohr.

•Επίπεδο δονήσεων, αφορά τις δονήσεις των ατόμων σ' ένα μόριο.

•Περιστροφικό επίπεδο, αφορά την κβαντική περιστροφή των μορίων.

Περίπλοκοι κβαντομηχανικοί κανόνες καθορίζουν την πιθανότητα των μετατοπίσεων

μεταξύ διαφορετικών καταστάσεων ή ενεργειακών επιπέδων. Μερικές λέγονται

απαγορευμένες αν και στον κόσμο της κβαντοφυσικής απαγορευμένο στ^αίνει απίθανο

και όχι αδύνατο. Αλλες επιτρέπονται κάτω από τους κανόνες της κβαντομηχανικής και

γι' αυτό είναι πιθανό να συμβούν πολύ γρήγορα. Φυσιολογικά διεγερμένες καταστάσεις

γρήγορα αποδιεγείρονται ακολουθώντας μία ή μία σειρά επιτρεπόμενων μετατοπίσεων

πέφτοντας σε χαμηλότερο ενεργειακό επίπεδο. Ομως, υπάρχουν επίσης

ασταθή(προσταθερά) διεγερμένα επίπεδα, καταστάσεις στις οποίες ένα species

παγιδεύεται επειδή δεν υπάρχει έτοιμη επιτρεπόμενη μετατόπιση σε χαμηλότερο

ενεργειακό επίπεδο. Αυτές οι προσταθερές καταστάσεις είναι σημαντικές σε πολλά laser

γιατί κρατούν ένα species σε κατάσταση διέγερσης για πολύ χρόνο σε ατομική κλίμακα

πραγμάτων. Μετατοπίσεις που αφορούν ενα και μόνο επίπεδο ορίζονται από ένα μήκος

κύματος ενώ μετατοπίσεις 2 ή 3 (όλων δηλαδή) επιπέδων ορίζονται από σειρά μηκών

κυμάτων του φάσματος όπως στο laser C02.

2.3 Α ΙΕΙΈ ΡΣΗ .

Η διέγερση είναι η εργασία ανόδου ενός species από ένα χαμηλό ενεργειακό επίπεδο

σ' ένα ψηλότερο και είναι προϋπόθεση για τη δράση laser.

Ημεταφορά ενέργειας στο μέσο laser μπορεί να γίνει με διάφορους μηχανισμούς

περιλαμβανομένων:

• Ενσωμάτωση φωτονίων.

• Συγκρούσεις μεταξύ ηλεκτρονίων και species στο ενεργό μέσο.

• Συγκρούσεις μεταξύ ατόμων και μορίων στο ενεργό μέσο.

• Σύνδεση ελευθέρων ηλεκτρονίων με ιονισμένα άτομα.

• Χημικές αντιδράσεις που παράγουν διηγηρμένα species.

• Επιτάχυνση ηλεκτρονίων.

Η πιθανότητα ενσωμάτωσης ενέργειας μέσω κάποιου εξ' αυτών των μηχανισμών

δίνονται από μετρήσεις απορρόφησης ενεργού διατομής. Πιθανότητες διέγερσης ή

ενεργός διατομή εξαρτώνται από παράγοντες όπως μήκος κύματος του ςκοτίζοντος

φοηός, η ταχύτητα προσπίπτωντων ηλεκτρονίων, ή συνπροσπτώντων ηλεκτρονίων στις

στις ενεργειακές δομές του species. Η διέγερση ενός laser είναι συχνά μια πολυβηματική

διαδικασία. Πχ. στο He-Ne laser ηλεκτρόνια που περνούν μέσω του ενεργού μέσου

μεταφέρουν ενέργεια στα άτομα He που με τη σειρά τους μεταφέρουν την αποροφηθήοα

ενέργεια στα λιγότερο ενεργά άτομα Ne που με την σειρά τους εκπέμπουν φως laser.

2.4 ΛΙΗΓΗΡΜΕΝΗ ΚΑΙ ΤΥΧΑΙΑ ΕΚΙΙΟΜ ΙΙΗ.

Διηγερμένα species μπορούν να ελευθερώσουν την επιπλέον ενέργειά τους με μη

ακτινοβολικές διαδικασίες όπως οι συγκρούσεις με άλλα άτομα ή μόρια ή εκπέμποντας

ένα φωτόνιο. Η εκπομπή του φωτονίου μπορεί να είναι τυχαία ή διηγερμένη. Οπως

δηλώνει και το όνομα, τυχαία εκπομπή γίνεται χωρίς εξωτερική παρέμβαση όταν ένα

species πέφτει σε χαμηλότερο ενεργειακό επίπεδο μετά από ένα φυσικό χρόνο πτώσης,

τυπικά ένα μικρό κλάσμα του δευτερολέπτου. Εκπομπή φωτονίου και μετατόπιση σε

χαμηλότερο ενεργειακό επίπεδο μπορεί να διεγερθεί από την παρουσία ενός φοηονίου με

την αυτή ενέργεια της μετατόπισης. Αν και αυτό με πρώτη ματιά φαίνεται σαν πολύ

μακρινή πιθανότητα εντούτοις τις περισσότερες φορές υπάρχει μια έτοιμη τέτοια τπγγή

φωτονίων: τυχαία εκπομπή από το ίδιο species. Τα πρώτα λίγα τυχαία εκπεμπόμενα

φωτόνια μπορούν να σκανδαλήσουν διηγερμένες εκπομπές άλλων, οδηγώντας σε μια

καταιγίδα διηγερμένων εκπομπών. Η διηγερμένη εκπομπή έχει δύο ειδικές ιδιότητες.

Εχει το ίδιο μήκος κύματος όπως του αρχικού φωτονίου και είναι σε φάση με το αρχικό

φως. Η τυχαία εκπομπή δημιουργεί τα είδη φωτός που γνωρίζουμε , η εξαναγκασμένη

δημιουργεί το φως laser.

2.5 ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΗ ΙΙΑΗΘΥΣΜΩΝ.

Η εξαναγκασμένη εκπομπή είναι σπάνια λόγω του ίδιου θερμοδυναμικού κανόνα στη

ζωή που κάνει υπαρκτή την τυχαία εκπομπή : τα species έχουν την τάση να πέςηουν στο

χαμηλότερο ενεργειακό επίπεδο. Κάτω από κανονικές συνθήκες γνωστές σαν

θερμοδυναμική ισορροπία, ο πληθυσμός μιας καταστάσης τείνει να μειωθεί όσο

αυξάνεται η ενέργειά του(σχήμαΠ3.3). Αυτό σημαίνει ότι πρέπει πάντα να υπάρχει

μεγαλύτερη ποσότητα στο χαμηλό επίπεδο παρά στο ψηλότερο έτσι ώστε να είναι

πιθανότερο ένα φωτόνιο να απορροφηθεί από ένα χαμηλότερο καταστατικά species

παρά να αναγκάσει εκπομπή από ένα υψηλότερο επίπεδο. Κάτω από αυτές τις συνθήκες

η τυχαία εκπομπή κυριαρχεί.

11

Για να συμβεί μια εξαναγκασμένη εκπομττή χρειάζεται μια αναστριχρή πληθυσμών - ο

πληθυσμός των ανωτέρων επιπέδων μιας μετάβασης θα πρέπει να είναι μεγαλύτερος

αυτού του χαμηλότερου επιπέδου. Μετά ένα φωτόνιο της μεταβατικής ενέργειας θα

ήταν πιθανότερο να διεγήρει εκπομπή από την διηγερμένη κατάσταση από το να

απορροφηθεί από χαμηλότερη κατάσταση. Το αποτέλεσμα είναι κέρδος laser ή ενίσχυση

μια καθαρή αύξηση στον αριθμό των φωτονίων με την μεταβατική ενέργεια

αντιστοιχώντας στη διαφορά μεταξύ αναγκασμένων εκπομπών κα ι απορροςιήσεων σ'

αυτό το μήκος κύματος. Τυπικά το κέρδος μετράται σαν ποσοστό αύξησης προς

πέρασμα μέσω του laser μέσου, ή σαν cm απόστασης διαμέσου του laser μέσου. Το

κέρδος laser είναι ανάλογο της διαφοράς μεταξύ των πιθανοτήτων αναγκασμένων

εκπομπών και απορροφήσεων. Αυτό σημαίνει ότι οι πληθυσμοί τόσο των άνω όσο και

των κάτω επιπέδων είναι σημαντικοί. Δηλαδή αν η δράση laser πρέπει να διαττρηθεί το

χαμηλότερο επίπεδο πρέπει να αποδεκατίζεται όσο το ανώτατο αυξάνεται, αλλιώς η

πληθυσμιακή αναστροφή θα λήξει. Αυτό πράγματι συμβαίνει σε μερικά παλμικά laser. Η

ενίσχυση laser γίνεται πάνω από μια σειρά κυματομηκών γιατί καμμιά μετάβαση δεν

είναι απεριόριστα στενή. Η ακτίνα των κυματομηκών στα οποία απορρόφηση και

εκπομπή μπορούν να γίνουν πλαταίνει από μοριακές κινήσεις , δονητικά και

περιστροφικά ενεργειακά επίπεδα και άλλοι λόγοι. Ετσι ειδικοί laser μιλούν για ένα

υλικό που έχει "εύρος ζώνης κέρδους".

2.6 ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΚΑΙ ΙΙΑΑΜΩΣΗ.

Μια αναστροφή πληθυσμών από μόνη της είναι αρκετή να παράγει "ενίσχυση φωτός

από την εξαναγκασμένη εκπομπή ακτινοβολίας", αλλά το αποτέλεσμα είναι μόνο

συνεχής (συζυγής) μονοχρωματική λυχνία φωτός. Τα περισσότερα από τα χρήσιμα

χαρακτηριστικά ενός laser έρχονται από την πάλμωση του φωτός μέσα στη laser

κοιλότητα. Για να γίνει κατανοητή η διαφορά μεταξύ ενίσχυσης και πάλμίοσης βοηθούν

παραδείγματα των φαινομένων. Η ενίσχυση της εξαναγκασμένης εκπομπής μπορεί να

συμβεί στη φύση αν και το φαινόμενο ανακαλύφθηκε μετά την εφεύρεση του laser. Ενα

από τα ενδιαφέροντα παραδείγματα συμβαίνει στην ανώτερη ατμόσφαιρα του Αρη.

Ηλιακή ακτινοβολία δημιουργεί αναστροφή πληθυσμού στο διοξείδιο του άνθρακα C02

12

στα αραιά ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας του πλανήτη. Το κέρδος είναι μικρό

γιατί η πίεση του αερίου είναι χαμηλή αλλά οι εμπλεκόμενοι όγκοι είναι τόσο μεγάλοι

που με ανθρώπινα δεδομένα (όχι όμως και με κοσμικά) η εκπεμπόμενη ισχύς της 10.4μπι

C 02 laser μετάβασης είναι ψηλή. Ομως η αποθυκευμένη ενέργεια σ' αυτά τα μόρια C 02

εξάγεται αναποτελεσματικά και η εκπομπή laser καταναλίσκεται τυχαία στο διάστημα

σχήμαΙΙ3.1 . Σαν αποτέλεσμα, η ένταση της εκπομττής που ιρτάνει στη γη είναι τόσο

χαμηλή που η ύπαρξη της εκπομπής laser ανακαλύφθηκε με την χρήση ειδικών

φασματοσκοπικών συσκευών υψηλής τεχνολογίας. Ενα συνηθισμένο laser C02

λειτουργεί σε υψηλότερες πιέσεις και κάνει χρήση μικρότερου όγκου αερίου, αλλά το

πραγματικό πρακτικό πλεονέκτημα είναι ότι εκμαιεύει πιο αποτελεσματικά και τη

συγκεντρώνει σε μια στενή ακτίνα σχήμαΠ3.2. Αυτό γίνευαι τοποθετώντας ένα ζευγάρι

καθρέπτες στα άκρα ενός κυλινδρικού σωλήνα. Αν συμβεί εξαναγκασμένη εκπομπή

στον άξονα μεταξύ των δύο καθρεπτών, ανακλάται μεταξύ των καθρεπτών μέσα στο

σωλήνα προκαλώντας εκπομπή ξανά και ξανά από τα μόρια του C02.

Εξαναγκασμένη εκπομπή σ' άλλες κατευθύνσεις χάνεται έξω από το μέσο laser. Το

αποτέλεσμα είναι ότι η εξαναγκασμένη εκπομπή συγκεντρώνεται σε μια ακτίνα που

πάλλεται μεταξύ των καθρεπτών. Απ' την ηλεκτρονική πλευρά, οι καθρέπτες δίνουν

θετική ανατροφοδότηση. Ενα laser μ' ένα ζευγάρι πλήρως ανακλαστικών καθρεπτών,

όπως κάθε θετικής ανατροφοδότησης σύστημα, θεωρητικά θα μπορούσε να ενισχύσει

εαυτόν στο άπειρο, αλλά στη πράξη οι απώλειες της κοιλότητας περιορίζουν την θετική

ανατροφοδότηση και το βαθμό ενίσχυσης. Σε πραγματικά laser ο ένας (ή μερικές φορές

και οι δύο) καθρέπτης αφήνει μέρος του φωτός να δραπετεύσει από την κοιλότητα του

laser, ήτε γύρω από την άκρη του, διαμέσου τρύπας, ή μέσω μερικώς διαφανούς μέρους

του. Το φως που διαρρέει εκτός κοιλότητας σχτ^ατίζει την ακτίνα laser.

Το κλάσμα της ακτίνας επιτρεπόμενης εξόδου απ' την κοιλότητα εξαρτάται απ' το

κέρδος του laser μέσου. Οταν ένα laser συνεχούς εξόδου αρχίσει λειτουργία, το ολικό

κέρδος πρέπει να ισούται με τις απώλειες της κοιλότητας συν το ποσοστό της ακτίνας

που διαφεύγει. Οπότε όσο χαμηλότερο το κέρδος τόσο χαμηλότερο το ποσοστό του

φοηός που διαφεύγει εκτός κοιλότητας. Αν το κέρδος είναι υψηλό, η εκπομπή μπορεί να

13

είναι υψηλότερη. Σε μερικές περιπτώσεις, όπιος μερικά excimer και laser αζΰότου Ν, το

κέρδος είναι τόσο υψηλό που το ζευγάρι των καθρεπτών δεν χρειάζεται.

Αλλος τρόπος να δεις την πάλμωση laser είναι σαν ένα οριακό φαινόμενο που

συμβαίνει όταν το κέρδος του μέσου laser ξεπερνά το άθροισμα των απωλειών

κοιλότητας και εξόδου. Σ' αυτή τη περίπτωση το κέρδος είναι ανάλογο στις συνθήκες

λειτουργίας συμπεριλαμβάνοντας την ενέργεια εισόδου στο μέσο laser. Οσο αυξάνει η

ισχύς εισόδου, η έξοδος του laser παραμένει μηδέν μέχρι να ξεπεραστεί το κατώφλι

σχήμαΠ3.5, κατόπιν αυξάνει υπερβολικά. Τα κατώφλια διαφέρουν για διαφορετικές

κοιλότητες και συνθήκες μέσου laser. Στην πράξη, διαφορετικά σχέδια κοιλοτήτων και

συνθήκες λειτουργίας χρησιμοποιούνται για να παραχθούν διαφορετικά επίπεδα ισχύος

εξόδου.

Η σχέση μεταξύ ισχύος μέσα στην κοιλότητα του laser και στην ακτίνα laser

εξαρτάται από την διαφάνεια του καθρέπτη εξόδου. Για χαμηλού κέρδους μέσα όπου η

διαφάνεια του καθρέπτη είναι χαμηλή , τα επίπεδα ισχύος μέσα στην κοιλότητα είναι

κατά πολύ μεγαλύτερα αυτών έξω. Αν η υωηλή ισχύς είναι χρήσιμη όπως σε μερικά

πειράματα ίσως να είναι επιθημητή η τοποθέτηση οπτικών πρόσθετων μέσα στη

κοιλότητα για να γίνει χρήση της μεγαλύτερης ισχύος. Μερικά laser σχεδιάζονται με

διαθέσιμο χώρο στη κοιλότητα για τέτοια πρόσθετα.

2.7 ΑΝΤΗΧΕΙΑ, ΤΡΟΠΟΙ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ, JCAI ΠΟΙΟΤΗΤΑ ΑΚΤΙΝΑΣ.

Η πάλμωση laser γίνεται μέσα σε κοιλότητα αντηχείου που ορίζεται από καθρέπτες

στις άκρες της. Η θεωρία αντηχείων laser χαράσεται πάνω σε έρευνες αντηχείων

ραδιοφωνικών συχνοτήτων, αλλά η μεγάλη διαφορά στα μήκη κυμάτων έχει μια

σημαντική διαφορά στην εφαρμογή της θεωρίας εδώ. Επειδή το μήκος της κοιλότητας

είναι πολλές φορές μήκος κύματος laser, είναι δυνατό να παλμωθεί συγχρόνως σε

πολλούς τρόπους. Για να κρατηθούν οι τρόποι πάλμωσης χαμηλά, οι κοιλότητες laser

είναι ανοικτές με μόνο ένα ζευγάρι καθρεπτών μικρών στα αντίθετα άκρα, σε αντίθεση

με τις ραδιοκυματικές κοιλότητες που ανακλούν απ' όλες τις πλευρές.

Πολλές διατάξεις είναι δυνατές για κοιλότητες laser σχήμαΠ3.6. Δοκιμασμένα η

απλοΰστερη είναι η απλή παράλληλη Fabry-Perot κοιλότητα, στην οποία δύο απλοί

επίπεδοι καθρέπτες τοποθετούνται στις αντίθετες άκρες της κοιλότητας,

παραλληλισμένες μεταξύ τους και κάθετες στον άξονα της κοιλότητας.

Αντηχήσεις συμβαίνουν όταν το μήκος της κοιλότητας D ισούται μ' έναν ακέραιο

αριθμό η μισών κυματομηκών (λ/2) : 0=ηλ/2. Αυτή η έκφραση μπορεί να λυθεί και για

το μήκος κύματος, δίνοντας την πιθανότητα πάλμωσης σε μήκη κυμάτων, λ=20/η.

Επειδή η τυπική laser κοιλότητα είναι δεκάδες και εκατοντάδες χιλιάδες μήκη κύματος

μήκος , αυτό μπορεί να φανεί σαν να επιτρέπει την πάλμωση σ' ένα πολύ μεγάλο

αριθμό μηκών κυμάτων. Ομιος, πάλμωση είναι δυνατή μόνο σε μήκη κύματος μέσα στο

κέρδος εύρους ζώνης του laser μέσου, και ειδικά οπτικά μπορούν να μειώσουν επιπλέον

την ακτίνα πάλμιοσης. Η δοκιμασμένη απλότητα της απλά παράλληλης κοιλότητας

ανατρέπεται από την πρακτική δυσκολία της ευθυγράμμισης των καθρεπτών ακριβώς

για σταθερή λειτουργία του laser. Παρόμοιες αρχές εφαρμόζονται σε διάφορα σχέδια

που χρησιμοποιούν ένα ή δύο κοίλους σφαιpucoύς καθρέπτες για να απλοποιήσουν την

ευθυγράμμιση μεταξύ τους.

• Ομοκεντρικά ή σφαιρικά αντηχεία: δύο ίδια καμπυλλομένοι σφαιρικοί

καθρέπτες που χωρίζονται από απόσταση ίση ή διπλάσια της ακτίνας καμπυλλότητάς

τους, έτσι ώστε τα κέντρα καμπυλλότητας να συμπίπτουν.

• Σόνεστιακά αντηχεία : δύο ίδια καμπυλλομένοι καθρέπτες χωρισμένοι από το

διπλάσιο της εστιακής απόστασης, έτσι ώστε τα εστιακά σημεία να συμπίπτουν.

• Ημισυνεστιακά αντηχεία: ένας σφαιρικός καθρέπτης που χωρίζεται από έναν

επίπεδο καθρέπτη από το εστιακό μήκος.

• Ημισφαιρικά αντηχεία : ένας σφαιpucός καθρέπτης χωριζόμενος από έναν

επίπεδο από την ακτίνα καμπυλλότητάς του.

Αυτά τα αντηχεία και μερικά παρόμοια σχέδια με άλλες αποστάσεις καθρεπτών,

συχνά καλούνται σταθερά αντηχεία. Η θεωρία των laser αντηχείων είναι περίπλοκη και

αυστηρά μιλώντας, η ονομασία "σταθερό" δεν θα έπρεπε να εφαρμόζεται στο

15

παράλληλο αντηχείο ή οτο συγκεντρικό αντηχείο χωρίς περαιτέρω εξήγηση. Η αντίληψη

ενός σταθερού αντηχείου μπορεί καλύτερα να ειδωθεί ακολουθώντας την ακτίνα φωτός

στην διαδρομή της διαμέσου της κοιλότητας. Το όριο σταθερότητας εγγίζεται αν μια

ακτίνα φωτός αρχικά παράλληλη στον άξονα της laser κοιλότητας μπορούσε να

ανακλάται για πάντα μπρος - πίσω μεταξύ των δύο καθρεπτών χτορίς να ξειρύγει μεταξύ

τους. Μια λειτουργική και κάπως ισχυρότερη συνθήκη για λειτουργία σταθερού

αντηχείου είναι ότι μια ακτίνα φωτός μόλις έξω από την ευθυγράμμιση με τον άξονα

μπορούσε κάπως να ανακλάται συνεχώς μεταξύ των καθρεπτών αντηχείου. Αλλος

τρόπος έκφρασης της συνθήκης είναι ότι πρέπει να υπάρχει μια εστιακή δύναμη μέσα

στην laser κοιλότητα, που στην απλούστερη περίπτωση είναι οι καθρέπτες. Το επίπεδο

παράλληλο αντηχείο πληρεί την οριακή συνθήκη σταθερότητας αλλά από μόνο του δεν

διαθέτει την εστιακή δύναμη που χρειάζεται για να πληρεί την ισχυρότερη συνθήκη. Ετσι

το επίπεδο παράλληλο αντηχείο από μόνο του δεν είναι ένα σταθερό αντηχείο, ειδικά

λόγω του προβλήματος ευθυγράμμισης. Μπορεί όμως να χρησιμοποιηθεί αν κάτι άλλο

στην κοιλότητα δώσει την απαιτούμενη εστιακή δύναμη. Αυτή είναι η περίπτισση στα

στερεάς κατάστασης κρυσταλλικά και υάλου laser, όπου θερμική εστίαση στη ράβδο

δίνει την απαιτούμενη εστίαση για σταθερή λειτουργία.

Το ομόκεντρο αντηχείο είναι άλλη μια ειδική περίπτωση. Πληρεί τα θεωρητικά

κριτήρια σταθερότητας αλλά στην πράξη δεν δίνει σταθερή λειτουργία γιατί εστιάζει το

εοτοτερικό μέτωπο του κύματος σ' ένα σημείο στο μεσοσημείο του.

Αντηχεία που δεν πληρούν τα κριτήρια σταθερότητας ονομάζονται ασταθή αντηχεία

γιατί το φως αποκλίνει μακριά του άξονα.

Οι δύο τύποι αντηχείων έχουν διαφορετικά πλεονεκτήματα και διαφορετικά πρότυπα

τρόπου λειτουργίας. Το σταθερό αντηχείο συγκεντρώνει φως κατά μήκος του άξονα

laser, εξάγωντας ενέργεια αποτελεσματικά από αυτή την περιοχή , αλλά όχι από

περιοχές πέραν του άξονα. Η ακτίνα που παράγει έχει μια κορυφή έντασης στο κέντρο

και μια μια ηλεκτρομαγνητική (gaussian) πτώση έντασης με την αύξηση της απόστασης

από τον άξονα. Είναι ο βασικός χρησιμοποιούμενος τύπος στα μικρού κέρδους και

συνεχούς κύματος laser, όπως τα He-Ne.

16

To ασταθές αντηχείο τείνει να εξαπλώσει το φώς μέσα στην κοιλότητα πάνω σ' ένα

μεγαλύτερο όγκο. Στις περισσότερες περιπτώσεις η ακτίνα εξόδου έχει μια κυκλική

επιφάνεια με ένταση κορυφής σε δακτύλιο γύρω του άξονα, αλλά μηδέν στον άξονα.

Αυτό το σχέδιο συγκεντρώνει laser ενέργεια από ένα μεγαλύτερο όγκο στη laser

κοιλότητα, τυπικά οδηγώντας σε υψηλότερη συνολική αποδοτικότητα ενεργειακής

μετατροπής απ' ότι σε σταθερό αντηχείο αν και η απόδοση στη συγκέντρωση ενέργειας

από την περιοχή του laser άξονα είναι χαμηλότερη. Αυτό εργάζεται καλύτερα σε

υψηλού κέρδους παλμικά laser. Ενα εξαιρετικό πλεονέκτιγια είναι η δυνατότητα χρήσης

ολικής ανάκλασης οπτικών, με την ακτίνα εξόδου να διαφεύγει γύρω από ένα μικρό

καθρέπτη, σημαντικό όταν εργαζόμαστε στο υπεριώδες όπου υπάρχουν μερικά υλικά

ικανά να εκπέμψουν υωηλές ισχύς. Αν και η δακτυλιοειδούς μορφής ακτίνα έχει

μηδενική ένταση στην εγγύς περιοχή, εξομαλύνεται σε μεγαλύτερες αποστάσεις απ' το

laser δίνοντάς της πιο ομοιόμορφη κατανομή ενέργειας. Στο ευρύ πεδίο μερικές ακτίνες

ασταθών αντηχείων τείνουν να έχουν μυτρότερη απόκλιση από ότι ακτίνες laser

σταθερών αντηχείων.

Τα αντηχεία laser έχουν δύο ξεχωριστά είδη τρόπων λειτουργίας; εγκάρσια και

διαμήκη. Εγκάρσιοι τρόποι λειτουργίας διακυρήτουν εαυτούς στην επιφάνεια ενεργού

διατομής της ακτίνας, δηλαδή στο πρότυπο έντασης. Διαμήκης τρόποι λειτουργίας

αντιστοιχούν σε διαφορετικές αντηχήσεις διαμήκως του μήκους της laser κοιλότητας που

συμβαίνουν σε διαφορετυτές συχνότητες ή μήκη κύματος μέσα στο κέρδος εύρους ζώνης

του laser. Μια μονή διαμήκης, τρόπος λειτουργίας laser που παλμώνεται (κ μια μόνο

συχνότητα, μια που παλμώνεται σε δύο διαμήκης τρόπους ,ταυτόχρονα παλμώνεται σε

δύο ξεχωριστά (κοντινά) μήκη κύματος. Με την εξαίρεση μερικών απαιτητικών

εφαρμογών στη φασματοσκοπία και επικοινωνίες, ελέγχονταςτους διαμήκης τρόπους

έτσι ώστε η πάλμωση είναι σε μια μόνο συχνότητα είναι λιγότερο σημαντικό απ' το να

ελέγχεις τους εγκάρσιους τρόπους , που επιδρούν στην ποιότητα της ακτίνας.

Μια ειδική ορολογία δημιουργήθηκε για τους εγκάρσιους τρόπους λειτουργίας

βασισμένη στην θεωρητική εργασία των πρώτων ημερών της εξέλιξης του laser. Οι

εγκάρσιοι τρόποι έχουν καταχωρηθεί σύμφωνα με τον αριθμό των μηδέν που

17

εμφανίζονται κατά πλάτος της διατομής της ακτίνας οε δύο διευθύνσεις . Η

χαμηλότερη τάξη ή θεμελιακός τρόπος που οι κορυφές έντασης βρίσκονται στο κέντρο

είναι γνοχιτές ως ΤΕΜοο. Ενας τρόπος με μοναδικό μηδέν κατά μήκος ενός άξονα και

κανένα μηδέν στην κατακόρυφη είναι ΤΕΜ01 ή ΤΕΜΙΟ εξαρτάται από τον

προσανατολισμό. Για τις περισσότερες εφαρμογές ο ΤΕΜοο τρόπος θεωρείται ο πλέον

ποθητός, αλλά πολύτροπες ακτίνες μπορούν να δώσουν περισσότερη ισχύ σε μια

χαμηλότερης ποιότητας ακτίνα κι έτσι είναι αποδεκτές σε μερικές χρήσεις.

Κάπως διαφορετική ονοματολογία έχει αναπτυχθεί για να περιγραφούν τρόποι

λειτουργίας ασταθών αντηχείων, αλλά για πρακτικούς σκοπούς μπορεί να υποτεθεί ότι

λειτουργούν στο κατώτατο κανονικό τρόπο λειτουργίας παράγοντας μια ακτίνα με

δακτυλειοειδή ενεργό διατομή.

Οι περιγραφίσες διαφορές γίνονται εμφανείς κοντά στο διάφραγμα εξόδου του laser.

Οσο η ακτίνα ταξιδεύει στο εξωτερικό περιβάλλον και απομακρύνεται οι διαφορές

τείνουν να εξαληφθούν. Για τις περισσότερες εφαρμογές laser, οι γεωμετρικές ιδιότητες

της διαμέτρου ακτίνας και της απόκλισης ακτίνας είναι πιο σημαντικά από τον τρόπο

κατασκευής. Για μια ηλεκτρομαγνητική ακτίνα, η διάμετρος της ακτίνας μετράται

γενικά στα σημεία που η ένταση πέφτει σε 1/e^ της έντασης κορυφής. Τα οπτικά της

κοιλότητας καθορίζουν τη διάμετρο της ακτίνας που τυπικά μετράται στον καθρέπτη

εξόδου. Η χρήση του όρου διάμετρος υπονοεί μια κυκλική διατομή αλλά οι ακτίνες

laser μπορούν να είναι ελλιπτικές ή ορθογώνιες επιφάνειες.

Η απόκλιση της ακτίνας εξαρτάται αρχικά από τα οπτικά της κοιλότητας, μετρά τη

γωνία με την οποία απλώνεται η ακτίνα αφού φύγει από το laser. Με την εξαίρεση των

laser ημιαγωγών διόδων είναι σχεδόν απαράλλαχτα λιγότερο από lOmrad και για

πολλά είδη είναι τυπικά Imrad. Το χαμηλότερο όριο απόκλισης ακτίνας καθορίζεται

από το όριο διάθλασης που λέει ότι το μικρότερο γωνιακό σημείο που μπορεί να

παραχθεί(σε rad) είναι ανάλογο του μήκους κύματος λδιηρεμένου δια του ανοίγματος γ

εξόδου D: απόκλιση=1.22*λ/0. Οπως δείχνει αυτή η σχέση, η απόκλιση ακτίνας

μπορεί να μειωθεί χρησιμοποιώντας μεγαλύτερα ανοίγματα εξόδου ή μετακινώντας σε

κοντίτερα μήκη κύματος. Laser με απόκλιση που πλησιάζει το όριο διάθλασης λέγονται

διάθλασης - οριοθετημένα, μια κατηγορία

παράγουν ακτίνες ΤΕΜοο.

I περιλαμβάνει όλα τα laser που

2.8 11ΛΛΤΟΣ ΓΡΑΜΜΗΣ ΚΑΙ ΣΥΝΤΟΝΙΣΜ ΟΣ

Υπό κανονική τυποποίτιση η εκπομπή laser είναι μονοχρωματική αλλά υπάρχουν

αρκετές μεταβολές στο εύρος γραμμής του εκπεμπόμενου φωτός. Η φύση της οπτικής

κοιλότητας και του laser μέσου συνδιάζονται για να καθορίσουν την ακτίνα των μηκών

κυμάτωσης που εκπέμπονται από ένα συγκεκριμένο laser. Το απλό μοντέλο μιας

μετάβασης laser που συμβαίνει μεταξύ δύο ακριβώς ορισμένων ενεργειακών

καταστάσεων είναι από την ίδια του τη φύση μια υπεραπλούστευση. Σε μερικές

περιπτώσεις η μετάβαση στην πραγματικότητα περιέχει ταυτόχρονες αλλαγές σε δύο ή

περισσότερες κβαντικές καταστάσεις, οδηγώντας σε ζεύγος διαχωρισμένων πιθανοτήτων.

Ενα, που βλέπετε σε C 02 και χημικά laser είναι η εκπομπή σε μια σειρά κοντινών σε

απόσταση μεταβάσεων. Σ' αυτά τα μόρια η πρωταρχική δονυτική μετάβαση

ακολουθείτε από μια αλλαγή στην περιστροφική κατάσταση. Επειδή η απόσταση χώρου

των περιστροφικών ενεργειακών επιπέδων είναι σημαντικό κλάσμα της ενέργειας

δονητικής μετάβασης, η έξοδος είναι πιθανή σε πολλές γραμμές που διαφέρουν στο

μήκος κύματος και 10-20%.

Η δεύτερη πιθανότητα , παρατηρούμενη σε laser βαφτίς, είναι μια ακολουθία

μεταβάσεων, μια ζώνη κυματομηκών διαμέσου της οποίας το laser μπορεί να εκπέμπει

φώς.

2.9 ΣΥΝΕΧΕΙΑ ΚΑΙ ΚΗΑΙΑΑ.

Η γνωστότερη ειδική ιδιότητα του φωτός laser είναι η συνέχειά του. Η εξαναγκασμένη

εκπομπή είναι σε φάση με το φωτόνιο που τη δημιουργεί και όσο αυξάνει παραμένει σε

φάση. Η συνέχεια δεν είναι τέλεια, αλλά είναι πολύ ανώτερη άλλων φωτεινών πηγών.

Ενας τρόπος για να μετρηθεί η συνέχεια είναι σαν συνεχεές μήκος, η απόσταση κατά

την οποία το φως παραμένει συνεχές μετά την έξοδό του από την φωτεινή πηγή. Αυτή η

19

ποοότητα ποικίλει για διαφορετικά είδη laser, εξαρτάτε από την συχνότητα εύρους

ζώνης εκπομπής. Σαν πρόχειρος οδηγός, το μήκος συνέχειας L ισούται με την ταχύτητα

του φωτός c διηρεμένη με την συχνότητα εύρους ζώνης του laser Λν,

L=c/Av,

(Wilson & Hawkes, 1983). Είναι βασισμένο στην αντίληψη της τιχριοδικής συνέχειας

(πρόσκαιρης) η οποία μετρά την συνέχεια ενός κύματος φωτός συναρτήσι του χρόνου. Το

μήκος συνέχειας ισούται με το χρόνο συνέχειας επί την ταχύτητα του φωτός.

Υπάρχει επίσης η διαστηματική συνέχεια, που μετρά την επιφάνεια του

κυματομετώπου πάνω στο οποίο το φως είναι συνεχές. Αυτή η αντίληψη είναι

ανεξάρτητη της πρόσκαιρης συνέχειας και η ύπαρξη της μίας δεν συνεπάγεται την άλλη.

Οι θεωρητικοί έχουν μελετήσει την συνέχεια εξονυχιστικά(Βοπι & Wolf, 1975), αλλά

οι περισσότερες λεπτομέρειες έχουν μικρή σημασία για το χρήστη του laser. Η συνέχεια

είναι ένα σύστημα φωτεινών κυμάτων που επιτρέπεται να μεταφέρουν μεγάλες

ποσότητες πληροφοριών. Η μεγαλύτερη πρακτική εφαρμογή του βρίσκεται στην

ολογραφία, στην επεξεργασία οπτικών πληροφοριών και στην ανάπτυξη συνεχών

επικοινωνιακών συστημάτων.

Η συνέχεια δημιουργεί επίσης ένα φαινόμενο γνωστό σαν κηλίδα, που παίρνει τ'

όνομά του απ' την εμφάνισή του. Το σχέδιο κοκκώδους κηλίδας δημιουργείται όταν φως

laser διασκορπίζεται από διαχέουσα επιφάνεια όπως ένα φίλο χαρτί. Η κηλίδα μοιάζει

με θόρυβο αλλά σύμφωνα με τον Dennis Gabor που πήρε το Nobel φυσικής το 1971 για

την εφεύρεση της ολογραφίας "Δεν είναι πραγματικά θόρυβος αλλά πληροφορία την

οποία δεν θέλουμε, πληροφορία πάνω στη μικροσκοπική ασυνέχεια του χαρτιού,

πράγμα για το οποίο δεν ενδιαφερόμεθα". Η κηλίδα μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε

ορισμένες μετρήσεις , αλλά μπορεί να δημιουργήσει προβλήματα σε ορισμένες εφαρμογές

μέτρησης και επικοινωνιών , ειδικά όταν εμπλέκονται δέκτες μικρών επιφανειών όπου η

κηλίδα θα μπορούσε να προκαλέσει διαρροές στο σήμα λήψης. Η κηλίδα δίνει ένα

κοκκώδες σχέδιο σε φωτογραφίες και ολογράμματα που έχουν καταγραφεί με φως

laser.

2.10 ΙΙϋΡΙΟΡΙΣΜ ΟΙ ΑΠΟΛΟΣΗΣ.

Η ολική απόδοση των laser είναι χαμηλή σύμφωνα με τα ηλεκτρικό πρότυπα, αν και

συγκρίσιμη με αυτήν άλλων πηγών φωτός. Τυπικά laser εμπορίου 0.001 ως 20% της

εισερχόμενης ηλεκτρυτής ενέργειας σε ενέργεια στη ακτίνα laser. Συγκριτικά , μόνο

μικρό ποσοστό της ηλεκτρικής ενέργειας που δαπανάται από ένα απλό λαμπτήρα

πυρακτώσειος μετατρέπεται σε ορατό φως, αν και πολύ από την υπόλοιπη εκπέμπεται

σαν υπέρυθρο. Οι περιορισμοί στην απόδοση είναι κληρονομικοί στη φύση του laser.

Δομές ενεργειακών επιπέδων διηγερμένων ειδών δημιουργούν πολλές απώλειες.

Τυπικά η μετάβαση laser είναι μόλις μία από μία σειρά μεταβάσεων που περνά ένα

είδος πέφτωντας από τα ανώτερα διηγερμένα επίπεδα σε κατάσταση γείωσης και κάθε

μία από αυτές τις πρόσθετες μεταβάσεις προσθέτει απώλειες. Για παράδειγμα η

μετάβαση του 632.8ηιη laser He-Ne, που αντιστοιχεί σε ενέργεια 2eV, συμβαίνει 20eV

πάνω από την κατάσταση γειώσεως, έτσι ακόμα και θεωρητικά μόνο περί τα 10% της

ενέργειας διέγερσης θα μπορούσε να αναδυθεί σε μια ακτίνα laser. Η διέγερση επίσης

ποτέ δεν είναι αποδοτική 100%. Στις κοινές περιπτώσεις οπτικής και ηλεκτρυτής

άντλησης, αρκετή από την εισερχόμενη στο laser μέσο ενέργεια ή χάνεται χωρίς να

διεγήρει τίποτα ή απλά θερμαίνει το μέσο laser. Στην οπτική άντληση με φλας για

παράδειγμα, μερικά από τα μήκη κύματος που παράγει ο λαμπτήρας μπορεί να μην

απορροφηθούν αποδοτικά από το μέσο laser. Ακόμα και αν η ενέργεια απορροφηθεί

μπορεί να μην αποσπασθεί από το μέσο laser εξαιτίας της διαμόρφιοσης της κοιλότητας

και εξαιτίας εγγενών απωλειών της κοιλότητας. Απώλειες είναι επίσης κληρονομικές

στην μετατροπή ενέργειας από την κοινή ηλεκτρική πηγή (π.χ. οικιακός ρευματοδότης)

στην μορφή που απαιτείται από το laser, όποχ; π.χ. υψηλή τάση εκκενώσεως ή παλμοί

φλας.

2.11 ΙΣΧ Υ Σ ΕΞΟΑΟΥ.

Ισχύς εξόδου εμπορικών συνεχούς κύματος laser βρίσκονται μεταξύ κλάσματος του

mW μέχρι δεκάδες kW, με συγκρίσιμες μέσες ισχύς διαθέσιμες από τα παλμικά laser.

Τυπικά των ισχύων που διατίθεται από κάθε τύπο είναι περισσότερο περιορισμένες αιτία

διαφορών στην εσωτερική φυσική. Μοναδικού στοιχείου laser ημιαγωγού περιορίζονται

21

οε μέσες ή συνεχής ισχύς αρκετά κάτω του1\ν εξαιτίας προβλημάτων με την απαγωγή

της θερμότητας και τις βλάβες του laser, αν και μεγαλύτερες ισχύς έχουν μετρηθεί από

μονολιθικές διατάξεις πολλών ημιαγωγών στοιχείων laser. Κινητική των αερίων,

απαγωγή θερμότητας και φυσικά δυσχέρια των σωλήνων περιορίζουν τα laser He-Ne σε

επίπεδο ισχύος κάτω των περίπου 60mW.

Τα συνήθη προβλήματα βρίσκονται στην κινητική μεταφοράς ενέργειας. Σε laser

αερίου, η οπαιτούμενη κινητική εργασία για την διατήρηση της αναστροφής πληθυσμών

και της εξαναγκασμένης εκπομπής μπορούν να εξαλειφθούν γιο μεγάλους όγκους. Σε

laser στερεάς κατάστασης η θέρμανση του μέσου laser μπορεί να δημιουργήσει σοβαρά

προβλήματα. Μέχρι στιγμής η υωηλότερη συνεχής ή μέση ισχύς που είναι γνιοστή και έχει

καταγραφεί, έχει δημιουργηθεί από χημικά laser χρησιμοποιούμενα σε στρατιωτικά

ερευνητικά προγράμματα, έχουν ανοφερθεί ισχύς της τάξης των 2MW. Ομως ελάχιστες

λεπτομέρειες πέραν αυτού έχουν γίνει γνωστές στο ευρύ κοινό.

2.12 ΧΡΟΝΙΚΗ ΚΛΙΜΑΚΑ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ.

Τα laser μπορούν να λειτουργούν συνεχώς για πολλά χρόνια, ή να δημιουργούν

παλμούς υπερμικρής δειάρκειας, δειάρκειας μόλις Ifs (lfs=10^'-sec). Οι διαφορές

αντανακλούν τόσο στο σχέδιο του laser όσο και στην εσωτερική φικηκή. Οι χρήστες

πρέπει να 'χουν κατά νου ότι η χρονική κλίμακα της ατομικής φυσικής είναι πολύ

διαφορετική απ' αυτή του ανθρωπίνου είδους, μετρούμενη σε ns ή με αντί για sec και

min. Στον κόσμο των laser οτιδήποτε λειτουργεί για Isec ή περισσότερο σε δεδομένο

χρόνο καλείται "συνεχούς κύματος". Τα περισσότερα laser συνεχούς κύματος του

εμπορίου μπορούν να εκπέμπουν για πολύ περισσότερο, μερικές φορές για πολλά

χρόνια. Αλλά οποιαδήποτε κι αν είναι η οπτική γωνία ανθρώπινης θεώρησης, απ' τη

θέση της φυσικής είναι νόμιμο να θεωρηθεί ότι αν η εκπομπή laser είναι σταθερή για ένα

δεύτεpo(sec), τότε πρόκειται για συνεχές κύμα.

Πολλά είδη laser μπορούν να λειτουργούν μόνο κατά παλμικό τρόπο, για διαφόρους

λόγους. Σε πολλά laser στερεάς κατάστασης, το κύριο πρόβλημα είναι η απαγωγή

θερμότητας. Παίρνει χρόνο για την επιπλέον ενέργεια άντλησης να παραδοθεί στη

22

ρκίβδο του laser ώατε να μεταφερθεί στο περιβάλλον σαν θερμότητα και η συνεχούς

κύματος λειτουργία μπορεί να επιτράψει στη θερμόττιτα να ανέλθει σε επικύνδινα για το

laser επίπεδα. "Βλάβη" στην προκειμένη περίπτωση δεν είναι μόνο η φυσική βλάβη στη

ράβδο του laser αλλά επίσης και η διακοπή της ακτίνας του, από θερμικά επκρερόμενες

κλίσεις.

Η εσωτερική μπορεί να απαιτεί , επίσης, παλμυτή λειτουργία. Σε μερικές περιπτώσεις

ο μόνος τρόπος για να δημιουργηθεί μια αντιστροφή πληθυσμών είναι χρησιμοποιώντας

ενεργειακούς παλμούς εισόδου με υψηλή ισχύ που δεν μπορούν να διατηρηθούν. Σε άλλα

η αναστροφή των πληθυσμών είναι κληρονομικά μικρής δειάρκειας εξαιτίας ταχύτατης

αποδιέγερσης της διηγερμένης κατάστασης ή από ταχύτατη ενίσχυση των ειδών στην

κατάσταση γείωσης. Σε laser αερίου υψηλής πίεσης, το μήκος του παλμού περιορίζεται

από αστάθειες αναπόφευκτες σε ηλεκτρικές εκκενώσεις διαμέσου αερίου σε υψηλή πίεση.

Επίσης ο ρυθμός επανάληψης παλμών διαφέρει αρκετά. Laser ρουβιδίου και νεοδυμίου-

υάλου μπορούν να δημιουργήσουν κατά μέγιστο λίγους παλμούς το δευτερόλεπτο, ενώ

τα excimer μέχρι 1000 και τα ατμών χαλκού αρκετές χιλιάδες. Η εκφόρτωση

κοιλότητας μπορεί να αποδώσει δεκάδες χιλιάδες παλμούς ανά δευτερόλεπτο ενώ η

λειτουργία εγκλειδωμένου ρυζιού μπορεί να δημιουργήσει παλμούς επανάληψης της

τάξης του IGHz. Προσπάθειες γίνονται για να αυξηθεί ο ρυθμός επανάληψης σαν ένας

τρόπος αύξησης της μέσης ισχύος από ορισμένα laser, ειδικά excimers. Ο ρυθμός

επανάληψης παλμών, η διάρκεια , η ισχύς κορυφής μπορούν να προσαρμοστούν με

διάφορα πρόσθετα, όπως διακόπτες Q, εγκλειδωτές λειτουργίας και αποφορτωτές

κοιλότητας.

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3ο.

ΚΟΡΥΦΩΣΕΙΣ ΣΤΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ LASER.Η λειτουργία laser μπορεί να κορυφίΰθεί ήτε μετατρέποντας τη συσκευή laser ή

μετατρέποντας την ακτίνα που δημιουργεί. Η διαφοροποίηση είναι σημαντική στο κόσμο

των εμπορικών laser. Μετατροπές στη συσκευή laser γίνονται από τον κατασκευαστή στο

εργοστάσιο, όμως είναι ο χρήστης που μετατρέπει την ακτίνα laser. Εργοστασιακές

μετατροπές υπάρχουν σε πολλές μορφές, περιλαμβάνοντας αλλαγή διαφορετικών πηγών

ισχύος, εναλλαγή οπτικών κοιλότητας, συσκευασία των συσκευών και επιλογή

συστημάτων ελέγχου. Ιίολλά πληροφοριακά δελτία περιλαμβάνουν μακροσκελείς

καταλόγους με προαιρετικές επιλογές προσφερόμενες από τους κατασκευαστές,

δίνοντας μεγάλα περιθιορια εκλογής στους χρήστες. Δυστυχώς, αυτές οι εναλλακτικές

επιλογές είναι καθορισμένες για συγκεκριμένα μοντέλα laser και ο χρήστης έχει

περιορισμένο έλεγχο πάνω τους.

Αυτό το κεφάλαιο επικεντρώνεται σε μετατροπές που μπορεί να κάνει ο χρήστης, αν

και συχνά απαιτούν την αγορά υλικών από τον κατασκευαστή. Ολες αποτελούν

αλλαγές στην ακτίνα laser, που μπορούν να γίνουν τόσο εντός όσο και εκτός της

κοιλότητας. Αυτές οι τεχνικές προσφέρουν στον χρήστη ευχέρια επιλογής του μήκους

κύματος laser, του μήκους παλμού και (σε μερικές περιπτώσεις) της ισχύος εξόδου.

3.1 Μ ΕΤΑΚΙΝΗΣΗ RAMAN.

Μια τεχνική που γίνεται πολύ δημοφιλής σαν τρόπος αλλαγής του μήκους κύματος

είναι η μετακίνηση Raman ή Raman shifting. To φαινόμενο πήρε το όνομάτου από τον

Ινδό φυσικό Chandrasekhara V. Raman, που πήρε το βραβείο νόμπελ 1930, φυσικής για

την ανακάλυψή του. Η μετακίνηση Raman συμβαίνει όταν μόρια διαχέουν φως

"ανελαστικά", στην διεργασία αλλαγής της ενέργειας του φωτονίου. Η διάχυση είναι

ανελαστική γιατί όπως συμβαίνει το μόριο κάνει μια δονυτική και/ή μια περιστροφική

μετάβαση. Αν η μετάβαση είναι προς υψηλότερο ενεργειακό επίπεδο, το φωτόνιο

διαχέεται με μικρότερη ενέργεια απ' ότι είχε όταν έφτασε και έτσι έχει μακρύτερο μήκος

24

κύματος απ' ότι το προσπίπτων φως, μια μετάβαση Stoke ότιως λέγεται. Αν η μετάβαση

είναι προς μικρότερο ενεργειακό επίτιεδο το φωτόνιο διάχυσης απομακρύνει την

επιπλέον ενέργεια, και έτσι έχει υψηλότερη ενέργεια και μακρύτερο μήκος κύματος απ'

το προσπίπτων φως, μια μετάβαση anti-Stoke.

Η διάχυση Raman δεν είναι πιθανή μέχρι να αναπτυχθούν μεγάλες ισχύς πρόσπτοχιης.

Βρήκε πολύ λίγες εφαρμογές μέχρι την έλευση του laser, που προμήθευσε την αναγκαία

πηγή υψηλής ισχύος μονοχρρωματικού φωτός. Τώρα η laser διάχυση Raman υπηρετεί

σαν η βάση για ένα είδος φασματοσκοπίας, και αποδείχτηκε αξιόλογη γιατί το

διαχεόμενο φώς δείχνει το πρότυπο των μοριακών δονητικών μεταβάσεων, με καθαρές

περιστροφικές αλλαγές που είναι χαρακτηριστικό συγκεκριμένων μορίων(Οη1σ>',1989).

Η διάχυση Raman μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί στην αλλαγή μήκους κύματος σε

laser υψηλής ισχύος προς περιοχές που θα ήταν πιο χρήσιμες. Οι χρήστες της αλλαγής

Raman έχουν βρει ειδική χρήση στην προς τα κάτω αλλαγή των υπεριωδών

κυματομηκών που παράγονται από excimer lasers προς μακρύτερα κυματομήκη στο

ορατό και εγγύς υπεριώδες. Σε πολύ ψηλές ισχύς κορυφής η αποτελεσματικότητα

αυξάνει, έτσι που στρατιωτικοί ερευνητέςμελετούν τις πιθανότητες χρήσης της προς τα

κάτω αλλαγής του Raman για την παραγωγή μπλε-πράσινων παλμών για επικοινωνίες

δορυφόρων με υπoβpύχια(Bumllam & Schimitschek, 1981).

Μεταβατήρες Raman(Raman shifters) είναι διαθέσιμοι στο εμπόριο. Αν και μπορούν

να χρησιμοποιηθούν στη μετακίνηση σε μακρύτερα ή βραχύτερα κυματομήκη, είναι πιο

αποτελεσματικοί στην παραγωγή μακρύτερων κυματομηκών και το ενδιαφέρον προς το

παρών εστιάζεται στην "προς τα κάτω μετάβαση" συχνότητας σε μακρύτερα

κυματομήκη.

3.2 ΜΒΤΑΤΡΟΙΙΗ Q.

Σαν κάθε παλμωτήρα, η κοιλότητα laser έχει ένα συντελεστή ποιότητας Q που μετρά

την απώλεια ή κέρδος της κοιλότητας. Αυτός ο παράγων ορίζεται σαν

ρ=αποθηκευμένη ενέργεια ανά πέρασμα/,,^^,^οιχο^μΕνη ενέργεια ανά πέρασμα ,

(Thyagarajan and Ghatak,1981). Κανονικά, ο συντελεστής Q κάθε κοιλότητας είναι

σταθερός, αλλά αλλοιώνοντας τον συντελεστή Q δημιουργούνται ενδιαφέρουσες

προοπτικές. Αν ο συντελίοτής Q κρατηθεί τεχνητά χαμηλός χρησιμοποιώντας για

παράδειγμα ένα οπτικό στοιχείο υψηλών απωλειών μέσα στη κοιλότητα, η ενέργεια θα

συσσωρευθεί στο laser μέσο γιατί ο συντελεστής Q είναι πολύ μικρός για να επιτραπεί

πάλμχαση laser και να καταναλωθεί η ενέργεια. Αν η απώλεια απομακρυνθεί ξαφνικά,

το αποτέλεσμα είναι μια μεγάλη αναστροιρή πληθυσμών σε κοιλότητα μεγάλου Q,

παράγοντας μιας υψηλής ισχύος έκρηξη φωτός, λίγα ns ως αρκετές εκατοντάδες ns

διάρκειας κατά την οποία η ενέργεια εκπέμπεται. Αυτή η ταχύτατη αλλαγή στην

κοιλότητα Q καλείτε μετατροπή Q. Υπάρχουν τρείς βασικές παραλλαγές στην

μετατροπή Q. Μία είναι η χρήση ενός περιστρεφόμενου καθρέπτη ή πρίσματος σαν

οπίσθιος καθρέπτης κοιλότητας. Αλλη είναι η βύθιση ενός ρυθμιστή μέσα στη κοιλότητα.

Η τρίτη είναι η βύθιση μέσα στη κοιλότητα ενός στοιχείου μη γραμμικής απώλειας το

οποίο γίνεται διαφανές όταν η ισχύς εντός της κοιλότητας ξεπεράοει ένα επίπεδο. Οι

πρώτες δύο μέθοδοι καλούνται ενεργός μετατροπή Q γιατί απαιτούν ενεργό χηρισμό

από τον χρήστη, η τρίτη θεωρείται παθητική γιατί κανένας ειδικός χειρισμός δεν είναι

απαραίτητος. Η μετατροπή Q σχήμαΠ3.10 σε παλμικά laser δεν μπορεί να αυξήσει την

ενέργεια του παλμού αλλά μπορεί να περιορίσει δραματικά την διάρκειά του, και να

πετύχει ισχύ εξόδου στην περιοχή των MW, ψηλότερη από την κατ' άλλο τρόπο δυνατή

στην πλειοψηφία των παλμικών laser. Αν και όλοι οι τύποι μετατροπής Q μπορούν να

λειτουργήσουν με παλμικά laser, μόνο οι ενεργοί μπορούν να λειτουργήσουν με laser

αντλούμενα από συνεχή πηγή ενέργειας όπως μια λάμπα συνεχούς τόξου.

Η λειτουργία του περιστρεφόμενου καθρέπτη βασίζεται στο γεγονός ότι τον

περισσότερο χρόνο που περιστρέφεται ο καθρέπτης δεν είναι κατάλληλα

ευθυγραμμισμένος με τον καθρέπτη εξόδου, αποτρέπωντας την πάλμωση. ΙΙεριοδικά ο

περιστρεφόμενος καθρέπτης βρίσκεται στο σημείο ευθυγράμμισης, προκαλώντας απότομη

αύξηση του Q και παράγωντας έναν ισχυρό παλμό μετατρεπόμενου Q. Οταν ένας

οπτικός ρυθμιστής χρησιμοποιείται σαν μετατροπέας Q, κανονικά δεν μεταδίδει φισς,

κρύβοντας έναν εκ των καθρεπτών της κοιλότητας. Οταν ο ρυθμιστής τοποθετηθεί σε

θέση διαφάνειας, το φως στην κοιλότητα μπορεί να φτάσει στον καθρέπτη έτσι το Q

αυξάνεται και το laser παράγει γιγαντοπαλμό.

26

Στην παθητική μετατροπή Q, ένα υλικό με μη γραμμικά χαρακτηριστικά

απορρόφησης(συνήθ(ύς μια βαφή σε διάλυμα μέσα σε κύτταρο βαφής) τοποθετείται στην

κοιλότητα. Σε επίπεδα χαμηλής ισχύος, το υλικό έχει υιμηλή απορροφητικότητα,

καλύπτοντας τον ένα καθρέπτη της κοιλότητας απ' το μέσο laser. Οταν η πηγή

άντλησης ενέργειας παλθεί, το ποσό φοηός στην κοιλότητα αυξάνεται, σταδιακά

φτάνοντας σ' ένα επίπεδο στο οποίο ξεβάφει την μη γραμμική απορρόφηση του υλικού.

Ετσι το κύτταρο βαφής γίνεται διαφανές, το Q αυξάνει κατακόρυφα, και ένας

γιγαντοπαλμός παράγεται. Τυπικά ο αποχρωματισμός χρειάζεται Ιμβ. Οσυγχρονισμός

των παθητικών μετατροπέων Q είναι λιγότερο ακριβής απ' ότι οι ενεργοί, αλλά οι

παθητικοί μετατροπείς είναι απλούστεροι και φθηνότεροι. Ο τρόπος λειτουργίας τους ,

τους περιορίζει σε χρήση μόνο σε παλμικά laser, τυπικά αντλούμενα από φλας, στερεάς

κατάστασης όπως ρουβιδίου και νεοδυμίου.

Το φαινόμενο κορεσμού που επιτρέπει την παθητική μετατροπή Q δεν είναι ιδιαίτερα

μυστηριώδες. Η απορρόφηση οφείλεται αποκλειστικά σε μία μετάβαση στο υλικό. Καθ'

όσο η εντός κοιλότητας ένταση αυξάνει, περισσότερα και περισσότερα μόρια της βαφής

απορροφούν φως υψούμενα σε μία διηγερμένη κατάσταση όπου δεν μπορούν να

απορροφήσουν άλλα φωτόνια. Αν και οι διηγερμένες καταστάσεις σταδιακά

αποδιεγείρονται, σε κάποιο σημείο η ένταση του ιρωτός να φτάσει σε επίπεδο όπου ο

αριθμός των ειδών της ανωτέρας κατάστασης να ισοφαρίζει αυτόν της κατοηέρας. Σ'

αυτό το σημείο η εκπομπή γίνεται με την ίδια ταχύτητα της απορρόφησης, έτσι ώστε δεν

μπορεί να συμβεί καθαρή απορρόφηση, οπότε λέμε ότι η βαφή ξεβάφτηκε ή κορέσθηκε.

Κορυφαίος περιορισμός της μετατροπής Q είναι το γεγονός ότι δουλεύει μόνο με

υλικά laser ικανά ν' αποθηκεύσουν ενέργεια για χρόνο μεγαλύτερης διάρκειας του

γιγαντοπαλμού. Η απαίτηση βγαίνει από το γεγονός ότι η ενέργεια αποθηκεύεται μέσω

της συσσώρεύσης διηγερμένων ειδών στο ανώτερο επίπεδο laser και αυτό γίνεται

καταστέλλοντας την ανατροφοδότηση που είναι απαραίτητη για την εξαναγκασμένη

εκπομπή. Αυτό είναι δυνατό μόνο αν ο χρόνος ζωής της τυχαίας εκπομπής είναι σχετικά

μεγάλος- αλλιώς τα διηγερμένα είδη θα έπεφταν αυθόρμητα στο χαμηλότερο ενεργειακό

επίτιεδο laser. Ετσι συμπεραίνουμε ότι η μετατροπή Q δεν δουλεύει με όλους τους τύπους

laser.

3.3 ΑΝΑΤΡΟΙΙΗ Κ 01Α0ΤΗΤΑΣ (CAVITY DUMPING).

Η ανατροπή κοιλότητας λειτουργεί με διαφορετικές αρχές απ' ότι η μετατροπή Q

αλλά το αποτέλεσμα είναι περίπου το ίδιο. Η βασική ιδέα της ανατροπής κοιλότητας

είναι η εξόρυξη της ενέργειας laser κατευθείαν από την παλμοτητα laser χωρίς να

περάσει πρώτα από τον καθρέπτη εξόδου. Σ' αυτή την περίπτωση και οι δύο καθρέπτες

της κοιλότητας είναι ολικής ανάκλασης συντηρώντας μεγάλη κυκλοφορούσα ενέργεια

στην κοιλότητα. Αυτή η ενέργεια μπορεί να απομακρυνθεί με τον εξοστρακισμό της. Η

σύλληψη της μεθόδου βασίζεται στην ανάδυση ενός καθρέπτη στην κοιλότητα για να

εξοστρακίσει το φώς σχήμαΠ3.9. Το αποτέλεσμα είναι ένας παλμός με μήκος κοντά

στον μετ'επιστροφή χρόνο ταξιδίου του θωτός στην κοιλότητα. Στην πράξη , η μέθοδος

εφαρμόζεται με διάφορους τρόπους. Μια προσέγγιση είναι η τοποθέτηση ενός ακουστο-

οπτικού στοιχείου αποκλίσεως στην κοιλότητα. Κανονικά το στοιχείο απόκλισης

μεταδίδει φώς στους καθρέπτες της κοιλότητας, αλλά εδώ το στοιχείο απόκλισης οδηγεί

το φως εκτός κοιλότητας. Αλλη προσέγγιση εμπλέκει έναν ρυθμιστή και πολωμένα

διαιρέτη ακτίνας. Οταν ο ρυθμιστής είναι εκτός λειτουργίας, γραμμικά πολωμένο ςκος

ανακλάτε μπρος πίσω στην κοιλότητα και δεν επιρεάζεται από τον διαιρέτη. Ομως,

όταν ο ρυθμιστής τίθεται σε λειτουργία το φως που τον διαπερνά περιστρέφει

πολικότητακαι το φιος ανακλάτε εκτός κοιλότητας από τον διαιρέτη.

Η ανατροπή κοιλότητας σ' ένα laser συνεχούς κύματος παράγει παλμούς 10 μέχρι

50ns σε ρυθμούς επανάληψης 0.5 ως 5ΜΗζ. Τυπικά οι παλμοί είναι κοντύτεροι αυτών

της μετατροπής Q από τέτοια laser , παράγονται σε υψηλότερους ρυθμούς επανάληψης

και δεν έχουν μεγάλη ενέργεια. Αντλούμενα οπτικά με φλας , laser στερεάς κατάστασης

μετατρεπόμενου Q μπορούν να ανατρέψουν κοιλότητα για να κοντύνουν τη κανονική

διάρκεια 3-30ns των παλμών τους σε 1 ως 3ns. Ενας τέτοιος παλμός δημιουργείτε για

κάθε παλμό του φλας.

Οταν χρησιμοποιηθεί ταικόχρονα και η εγκλείδωση ρυθμού , μπορείνα μειώσει τον

υψηλό ρυθμό επανάληψης των laser εγκλειδωμένου ρυθμού σε πιο εύχρηστα επίπεδα και

να αυξήσει την ισχύ κορυφής των παλμών. Στην περίπτωση αυτή, η συχνότητα

ανατροπής κοιλότητας συγχρονίζεται με την παραγωγή των εγκλειδωμένων παλμών,

έτσι ώστε περιοδικά ένας εγκλειδωμένος παλμός να οδηγείται εκτός κοιλότητας.

Τυπικά οι συχνότητες λειτουργίας εκλέγονται έτσι ώστε η αναλογία συχνοτήτων

ανατροπής κοιλότητας και εγκλείδωσης ρυθμού να ισούτε με ακέραιο συν μισό, π.χ. 9.5.

Αυτό μπορεί να ενδυναμώσει την ισχύ κορυφήςτων εγκλειδωμένων παλμών μέχρι 30

ςκ>ρές περισσότερο από άλλως δυνατό. Το μήκος των παλμών εγκλειδωμένου ρυθμού δεν

επιρεάζεται από την ανατροπή κοιλότητας που εξηπυρετεί σαν διακόπτης πύλης.

3.4 ΕΓΚ.ΛΕ1ΑΩΣΗ ΡΥΘΜΟΥ.

Παλμοί στην περιοχή των ps μπορούν να παραχθούν απ' την εγκλείδωση ρυθμού. Ο

απλούστερος τρόπος να φανταστεί κανείς παλμούς εγκλειδωμένου ρυθμού είναι σαν ένα

group φωτονίων ομαδοποιημένων κι ευθυγραμμισμένων σε φάση όποχ; πάλλονται

διαμέσου της κοιλότητας laser. Κάθε φορά που προσπίπτουν στον μερικώς διαφανή

καθρέπτη, μέρος τους βγαίνει σαν υπερστενός παλμός. Η ομάδα των φωτονίων τότε

κάνει άλλο ένα γύρω της κοιλότητας πριν άλλος παλμός βγεί. Ετσι οι παλμοί

χωρίζονται απ' τον χρόνο μετ' επιστροφής ταξιδίου της κοιλότητας 2L/c, όπου L το

μήκος της κοιλότητας και c η ταχύτητα του φωτός.

Η φυσική του θέματος είναι στην πραγματικότητα πολύ πιο περίπλοκη( Svelto,1982),

και οι λεπτομέρειες είναι έξω από το σκοπό μου. Η βασυτή ιδέα είναι ότι η ρύθμιση των

απωλειών ή της φάσης ενός οπτ«ού στοιχείου στην κοιλότητα του laser επιφέρει την

πάλμωση πολλών διαφορετ«ών διαμηκών ρυθμών σε φάση.

Η εγκλείδοκπΊ ρυθμού συμβαίνει όταν η ρύθμιση της συχνότητας αντιστοιχεί στο χρόνο

round trip της κοιλότητας. Η ρύθμιση μπορεί να είναι ενεργή , αλλάζοντας την μετάδοση

του ρυθμιστή, ή παθητητή , με σημεία κορεσμού παρόμοια αυτών της παθητικής

μετατροπής Q. Τελυοά, αλληλεπίδραση ρυθμών παράγει μια σειρά υπερστενών παλμών.

Η εγκλείδωση ρυθμού απαιτεί ένα laser που να πάλλεται σε πολλούς διαμήκης

ρυθμούς. Ετσι δεν δουλεύει για πολλά laser αερίου με στενές γραμμές εκπομπής. Ομ<ος,

μπορεί να χρηοιμοποιηθεί με laser αργού ή ιόντων κρυπτού, laser στερεός κρυσταλλικής

μορφής όπως το laser Nd-YAG, ημιαγοϊγών και βα(ρής( που έχουν χαρακτηριστικό

μεγόλο εύρος ζώνης κέρδους). Το μήκος του παλμού είναι αντιστρόφως ανόλογο προς

το εύρος ζώνης πόλμωσης, έτσι τα laser βαφής μπορούν να παρόγουν τους στενότερους

παλμούς.

Εγκλείδαχτη ρυθμού μπορεί να γίνει τόσο στα laser συνεχούς όσο και στα παλμικό.

κόθε περίπτωση παρόγεται μια ακολουθία παλμών που χωρίζονται μόνο από το χρόνο

round trip της κοιλότητας. Για τα παλμικό laser, το αποτέλεσμα είναι μια οειρό

παλμών που βρίσκονται μέσα στον ορισμένο απ' το κανονικό μήκος παλμού ςιόκελο.

Μομοί εγκλειδωμένοι παλμοί μπορούν να επιλεγούν, περνώντας την ακολουθία των

παλμών διαμέσου ρυθμιστών πύλης που επιτρέπουν μόνο ένα παλμό να περόσει.

3.5 ΕΝΙΣΧΥΣΗ.

Η έξοδος πολλών laser μπορεί να ενισχυθεί αν οδηγηθεί μέσα σ' έναν laser ενισχυτή,

που στην ουσία είναι μέσο laser χωρίς την κοιλότητα αντηχείων. Στην απλούστερη

διόταξη η ακτίνα laser περνό μια φορό διαμέσου του ενισχυτή, όπου διέγερση έχει

δημιουργήσει αναστροφή πληθυσμών. Το φως του laser προκαλεί εκπομπή απ' τα

διηγηρμένα είδη στον ενισχυτή και αυτό αυξόνει την οπτική ισχύ. Σε πιο πολύπλοκα

σχέδια η ακτίνα μπορεί να κόνει ζιγκ-ζαγκ μέσω του ενισχυτή έτσι ώστε να εκμαιεύσει

ενέργεια από μεγαλύτερο όγκο του laser μέσου.

Η μεγόλη αξία των ενισχυτών laser βρίσκεται στην ικανότητό τους να δημιουργούν

παλμούς που περιέχουν υψηλές ενέργειες με ισχύ υψηλής κορυφής. Υπόρχουν εσωτερικό

όρια στη μέγιστη ενέργεια παλμού που μπορεί να εξαχθεί από ένα συγκεκριμένο

παλμωτήρα laser. Αυτή η ενέργεια μπορεί να αυξηθεί περνώντας την ακτίνα από

διαδοχικούς ενισχυτές γιατί είναι δυνατό να εκμαιεύσεις ενέργεια από το μέσο laser

περισσότερο όταν βρίσκεται σε διόταξη ενισχυτή παρό παλμωτή.

Διατόξεις παλμωτή-ενισχυτή χρησιμοποιούνται για να εξάγουν παλμούς μεγόλης

ενέργειας από οπτικό αντλούμενα laser στερεός κατόστασης, αερίου και βαφής. Συχνό

οι διατόξεις αυτές προσφέρονται στο αυτό στοιχείο απ' τους κατασκευαστές στα

συστήματα laser εμπορίου.

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4ο

LASER ΝΕΟΛΥΜΙΟΥ.

Το laser νεοδυμίου είναι το πιο κοινό μέλος μιας οικογένειας γενικά ομαδοποιημένης

οχ; laser στερεός κατάστασης, όρος που στο χώρο των laser δεν συμπεριλαμβάνει τα

ημιαγωγό laser. Ποιοτικά, τα laser νεοδυμίου λειτουργούν όπως και τα laser ρουβιδίου

και άλλα laser στερεός κατάστασης. Ατομα παρώντα σε επίπεδα ακαθαρσίας-μόλις ένα

τα εκατό- σε κρυσταλλικό ή γυάλινο υλικό διεγείρονται οπτικά από φοχ; μιας

εξωτερικής πηγής, παράγοντας μια αναστροφή πληθυσμωνστη ράβδο του υλικού laser. Η

ράβδος είναι τοποθετημένη μέσα σε οπτική κοιλότητα έτσι ώστε να γίνεται δυνατή η

απαιτούμενη ανατροφοδότηση για τη λειτουργία του laser. Το αποτέλεσμα είναι ένα

απλό και εύχρηστο laser που μπορεί να εκπέμπει μια παλμική ή συνεχή ακτίνα και το

οποίο έχει γίνει το καθιερωμένο εργαλείο για διάφορες εφαρμογές. Τα ^οτνεοδυμίου

είναι μια οικογένεια παρά μια μοναδικού τύπου συσκευή. Το νεοδύμιο μπορεί να

ενσωματωθεί σε διάφορα υλικά ήτε συνθετικά κρύσταλλα ή υάλους διαφόρων

συνθέσεων. Πρόσθετα μπορούν να αλλάξουν με την τοποθέτησή τους το μήκος κύματος

της εξόδου από το εγγύς υπέρυθρο στο ορατό ή υπεριώδες. Laser νεοδυμίου μπορούν να

αποδώσουν συνεχείς ακτίνες ισχύος λιγότερο από εκατό milliWatts ή στενούς παλμούς

πολλών megawatts, και να βρουν εφαρμογές από εργαστηριακές έρευνες ώς

βιομηχανική διαμόρφίοση μετάλλων. Καμμιά μεμονωμένη συσκευή δεν μπορεί να τα

κάνει όλα, μα όλα είναι πιθανά με laser διαφορετικού εμπορυτού διαθέσιμου σχεδίου.

4.1 ΕΝΕΡΓΟ ΜΕΣΟ.

Αναφορικά μόνο, το μέσο σ' ένα laser νεοδυμίου είναι τριπλά ιονισμένο νεοδΰμιο, που

έχει ενσωματωθεί σε κρυσταλλική ή υάλινη δομή. Σ' ένα κρύσταλλο, το νεοδΰμιο είναι

κυριολεκτικά μια ακαθαρσία, η οποία παίρνει τη θέση ενός άλλου στοιχείου με σχεδόν

το ίδιο κοντινό μέγεθος. Στους υάλους και στα κοινά στοιχεία φιλοξενίας το ποσοστό

του νεοδυμίου είναι περίπου 1% κατά βάρος, δίνοντας μια συγκέντρωση νεοδυμίου της

τάξης των 10 ατόμων ανά κυβικό εκατοστό, που γενικά είναι το καλύτερο για δράση

laser. Είναι πιθανό να δημιουργήσουμε κρυστάλλους laser στους οποίους το νεοδΰμιο να

είναι ένα ενγενές συστατικό και όχι ακαθαρσία της κρυσταλλικής δομής, όπως το

πενταφοσφωρικό νεοδΰμιο, NdPsOu (Chinn, 1982). Προς το παρών τουλάχιστον τα

υλικά αυτά λόγω πρακτικών προβλημάτων παραμένουν στο εργαστήριο. Μακράν του

δευτέρου το πιο κοινό φιλοξενούν υλικό για τα laser νεοδυμίου είναι το yttrium

aluminum garnet, YsALOn γνωστό στο κόσμο των laser απ' το ακρωνύμιό του, YAG. Το

YAG είναι ένα σκληρό και εύθραστο υλικό του οποίου η παραγωγή χαρακτηρίζεται ως

μαύρη τέχνη, αλλά έχει επιθυμητά οπτικά μηχανικά και θερμικά χαρακτηριστικά. Αν

και δεν είναι ιδανυτό μέσο laser, είναι το καλύτερο διαθέσιμο για πολλά πρακτυτά

laser νεοδυμίου. Το δραματ^ότερο υπέρ του, είναι τα θεpμucά του χαρακτηριστκά, τα

οποία επιτρέπουν σε laser Nd-YAG να εκπέμπει μια συνεχή ακτίνα καλής ποιότητας-

σχεδόν αδύνατο σε θερμοκρασία δωματίου με όλα τ' άλλα laser στερεάς κατάστασης.

Τα δύο περισσότερο γνωστά εναλλακτυτά του YAG είναι το yttrium lithium fluoride

γνοοστό ως YLF και το yttrium aluminate γνωστό ως YALO επειδή ο χημυτός του τύπος

είναι YAIOj. Προβλήματα παραγωγής των κρυστάλλων μειώνουν το μέγιστο μήκος

παραγωγής των ράβδων YAG στα 10cm για τις περισσότερες πρακτ«ές εφαρμογές. Οι

ράβδοι YAG είναι γενικά μεταξύ 6 ως 9mm σε διάμετρο. Το γυαλί μπορεί να έχει

μεγαλύτερες διαστάσεις και είναι η εκλογή για εφαρμογές με απαιτήσεις μεγάλης

ενέργειας εξόδου.

4.2 ΜΚΤΑΦΟΡΛ ΗΝΚΡΙΈΙΛΣ.

Στην οτιτική άντληση, η απορρόφηση φωτός από μια εξωτερική τιηγή ανεβάζει τα

άτομα νεοδυμίου σ' ένα επίπεδο διηγερμένο ενεργειακά. Στα Nd-laser εμπορίου η

φωτεινή τπγγή μπορεί να είναι λαμπτήρας τουγκστενίου συνεχούς λάμψης ή φλας. Οι

ελικοειδής λαμπτήρες που χρησιμοποιούντο στα πρώτα laser έχουν αντικατασταθεί

κατά πλειοψηφία από ευθύγραμμους λαμπτήρες. Ενας ή περισσότεροι τέτοιοι λαμπτήρες

εγκαθίστανται σε μια κοίλη ανακλαστική κοιλότητα σχεδιασμένη να μεταςιέρει το ιρως

της άντλησης στη ράβδο του laser. Αρκετές διατάξεις κοιλότητας είναι δυνατές

σχήμαΠ3.7. Μια προσέγγιση είναι η τοποθέτηση ενός ευθύγραμμου λαμπτήρα δίπλα στη

ράβδο σε στενή διάταξη ζεύξης. Αλλη είναι η τοποθέτηση του λαμπτήρα και της ράβδου

στις δύο εστίες ελλειπτικής κοιλότητας και να αφεθεί η μεταφορά τουφωτός στη ράβδο

στις γεωμετρικές ιδιότητες της ανακλαστικής κοιλότητας. Δύο λαμπτήρες και μία

ράβδος μπορούν να τοποθετηθούν σε μια διπλά ελλειπτική κοιλότηταπου επιφάνεια

διατομής θα είναι σαν δύο επικαλυπτόμενες ελλείψεις με την ράβδο στην εστία που

μοιράζονται. Ενισχυτές δίσκου υψηλής ισχύος χρησιμοποιούμενοι σε πειράματα

σύντηξης μπορεί να περιβάλλονται από διατάξεις πολλών φλας.

Συνεχείς λαμπτήρες χρησιμοποιούνται για να αντλήσουν laser συνεχούς εξόδου και

αρκετά παλμικά laser νεοδυμίου με χαμηλή ή μέτρια ισχύ εξόδου. Οπου υψηλότερη ισχύς

εξόδου είναι απαραίτητη, η άντληση γίνεται με φλάς, που μπορούν να παράγουν πιο

ισχυρό φως, αλλά που απαιτούν πιο σύνθετες ηλεκτρικές παλμικές διατάξεις

τροφοδοσίας. Μερικά μειονεκτήματα είναι κληρονομικά στα στοιχεία αποθήκευσης και

μεταφοράς ενέργειας που απαιτούνται για την δημιουργία παλμών υψηλής τάσης για τα

φλας.

Οι λαμπτήρες άντλησης εκπέμπουν ένα ευρύ φάσμα φωτός, αλλά μόνο μικρό μέρος

του απορροφάται ισχυρά από τα ιόντα νεοδυμίου και συγκεκριμένα μεταξύ 07 και 0.8

μιη σχήμαΙ13.8. Η απορρόφηση φωτονίων σ' αυτή την ακτίνα διεγήρει τα ιόντα

νεοδυμίου από την κατάσταση γείωσης στην οποία βρίσκονταν σε ένα υψηλότερο

ενεργειακό επίπεδο, απ' το οποίο αποδιεγείρονται σε μια ημισταθερή κατάσταση

33

δημιουργλωντας μια αναστροφή πληθυσμού μεταξύ των επιπέδων ‘Fm και ‘Ιιια. Το

τελευταίο επίτιεδο αποδιεγείρεται με μη ακτινοβολητικό τρόπο γρήγορα σε κατάσταση

γείωσης. Ετσι το νεοδύμιο είναι ένα σύστημα τεσσάρων επιπέδων και είναι βάση της

θεωρίας πιο αποδοτικό μέσο laser απ' ότι το laser ρουβιδίου που είναι σύστημα τριών

επιπέδων. Η ισχυρότερη εκπομπή γίνεται στα Ι.Οόμιη, αν και ο διαχιορισμός των

ενεργειακών επιπέδων επιτρέπει την ασθενέστερη εκπομπή και σε άλλες γραμμές. Η

πραγματική κινητική των ενεργειακών επιπέδων είναι πολυσύνθετη(8νο1ίο, 1982 ή

Danielmeyer 1976).

Η αλληλοεπίδραση του φυσικού χρόνου αποδιέγερσης , εκπομπής και επιφάνειας

απορρόφησης μειώνει δραστικά το ποσό ενέργειας που μπορεί να αποθηκευθεί σε μια

τυπική ράβδο NdYAG ανά πάσα στιγμή γύρω στα 500mJ. Αυτό περιορίζει την ενέργεια

σ' ένα εγκλειδωμένο Q παλμό σε κάτω από μισό joule. Η αποθηκευμένη ενέργεια μπορεί

να ανεφοδιαστεί σε χρονική κλίμακα μεγαλύτερη των μερικών δεκάδων ns του Q

παλμού εξόδου αλλά και μικρότερη του ενός ms του παλμού του φλας., έτσι

μεγαλύτεροι χρονικά παλμοί μπορούν να δώσουν υψηλότερες ενέργειες. Υψηλότερες

ενέργειες είναι επίσης δυνατές χρησιμοποιώντας μεγαλύτερη ποσότητα ενεργού μέσου,

όπως δίσκους νεοδυμίου-υάλου, για την αποθήκευση της ενέργειας.

4.3 ΕΣΩΤΕΡΙΚΗ ΑΟΜΗ.

Η εσωτερική δομή των σημερινών laser νεοδυμίου είναι πιο σύνθετη από αυτή του

πρώτου laser ρουβιδίου του Theodore Maiman, στο οποίο μια ράβδος ρουβιδίου με

ανακλαστυτές επικαλύψεις εισέρχονταν μέσα σ' ένα ελικοειδή λαμπτήρα φλας. Οι

καθρέπτες που ορίζουν το αντηχείο είναι τώρα προκατασκευασμένα ρυθμιζόμενα

εξαρτήματα. Αρκετές διαμορφώσεις αντηχείων είναι δυνατές σχήμαΠ3.11. Συχνά ένα

κενό αφήνεται μεταξύ της ράβδου και των καθρεπτών για την τοποθέτηση πρόσθετων

(αξεοουάρ), για την υλοποίηση των υψηλών ισχύων που βρίσκονται εκεί. Η κοιλότητα

που περιέχει τους λαμπτήρες και την ράβδο είναι έτσι σχεδιασμένη ώστε να μεταφέρει

ικανοποιητικά το φως από τους λαμπτήρες στην ράβδο. Οι ράβδοι YAG είναι πολύ

μικροί συνήθως 6mm ώς 9mm σε διάμετρο και γύρω στους 10cm μήκος, έτσι ώστε η

34

κοιλότητα μπορεί να έχει μικρές διαστάσεις σε φορητά συστήματα όπως τα στρατιωτικά

αποοτασιόμετρα και οι καταδείκτες στόχων.

Laser νεοδυμίου μπορούν να τοποθετηθούν στη σειρά , σε διάταξη ταλαντωτή ενισχυτή

για να δώσουν περισσότερη παλμική ισχύ απ' ότι είναι διαθέσιμη από ένα μόνο

ταλαντωτή laser. Σ' αυτό το σχέδιο η ράβδος του ταλαντωτή είναι εφοδιασμένη με ένα

ζεύγος καθρεπτών αντήχησης. Ενας παλμός από τον ταλαντωτή περνά από την ράβδο

του ενισχυτή, διαφορετική κοιλότητα χωρίς καθρέπτες αντήχησης που αντλείται από

διαφορετική πηγή. Οταν πρόκειται για υψηλές ισχύς, οπτικοί μονωτήρες τοποθετούνται

ανάμεσα στα στάδια του ενισχυτή για να ελέγξουν το φως και να αποτρέψουν

οποιοδήποτε ποσοστό του να παληνδρομήσει προς τον ταλαντωτή.

4.4 ΚΛΗΡΟΝΟΜΙΚΑ ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ.

Τα κύρια μειονεκτήματα των laser νεοδυμίου βρίσκονται στην ισχύ εξόδου. Η ισχύς

κορυφής εκπεμπόμενου παλμού μειώνεται όσο αυξάνει ο ρυθμός επανάληψης πέραν ενός

σημείου. Γενικά, όσο υψηλότερη η ισχύς κορυφής του παλμού τόσο μεγαλύτερο το

διάλειμμα μεταξύ των παλμών για να απαχθεί η επιπλέον θερμότητα που αλλιώς θα

προκαλούοε παραμόρφωση στη ράβδο και υποβιβασμό της ποιότητας της εκπεμπόμενης

ακτίνας.

Φαινόμενα κορεσμού μειώνουν το ποσό της ενέργειας που μπορεί να αποθηκευτεί και

να αποσπασθεί από μια ράβδου νεοδυμίου. Αντηχεία περιορισμένα να ταλαντώνουν

μόνο σ' ένα εγκάρσιο τρόπο, αποσπούν μόνο ένα μικρό ποσοστό της ενέργειας σε μια

κανονική ράβδο γιατί δημιουργεί μια ακτίνα στενής διαμέτρου. Περισσότερη ενέργεια

μπορεί να εξαχθεί σε μια ακτίνα πολλαπλών τρόπων αλλά η ποιότητα της ακτίνας

είναι χαμηλή. Σε πολλές περιπτιόσεις οι σχεδιαστές καταφέρνουν μια ισορροπία

στρεφόμενοι σε ασταθή αντηχεία, που εξάγουν ενέργεια από το μεγαλύτερο μέρος της

ράβδου και δημιουργούν μια ακτίνα ικανοποιητικής ποιότητας.

4.5 Π Ο ΙΚΙΛΙΕΣ ΚΛΙ ΚΑΛΥΙ1Τ0ΜΕΝ01 ΤΥΙΙ01.

Τα laser νεοδυμίου είναι ucava και μπορούν να λειτουργήσουν οε πολλές

διαφορετικές διατάξεις και φιλοξενούντα υλικά. ΓΙαρραλαγές σε χρήση κυμαίνονται

από μικρά μοναδικής ράβδου μέχρι μακριές ενισχυτικές αλυσσίδες από laser τήξης.

Η άντληση γίνεται γενικά με λαμπτήρες αν και καλύτερη αντλητική πηγή θα ήταν

κάποια με μήκος εκπεμπόμενου κύματος κοντά στο μήκος κύματος απορρόφησης του

νεοδυμίου. Ο πλέον υποσχόμενος υποψήφιος για μια νέα πηγή άντλησης είναι μια

μονολιθική διάταξη ημιαγωγών laser που λειτουργούν σε μήκος κύματος κοντά στη ζώνη

άντλησης του νεοδυμίου του 0.8μιη. Η διάταξη βρίσκεται ακόμα σε πειραματικό στάδιο

και το αντλούμενο από διόδους laser δεν έχει βγει ακόμα στην αγορά.

Οπιος έχει αναφερθεί πολλά υλικά φιλοξενείας έχουν μελετηθεί αλλά το YAG είναι

το μόνο διαθέσιμο εμπορικά κρυσταλλικό μέσο. Δύο κύριες υαλικές συνθέσεις

βρίσκονται στην αγορά πυριτικοί ύαλοι και φωσφορικοί τύποι, που προσφέρουν

πλεονεκτήματα οε μερικές εφαρμογές. Οι διαφορές στα laser που χρησμιοποιούν αυτούς

τους υάλους είναι αμελητέες.

Πολλές απ' τις πλέον σοβαρές εκδοχές των laser νεοδυμίου είναι αποτέλεσμα του

πακεταρίσματος. Προσθέτωντας γεννήτριες αρμονικών στο laser μπορεί να αλλάξει το

μήκος κύματος. Προσθέτωντας έναν διακόπτη Q ή εγκλειδωτή ρυθμού μπορεί να

αλλάξει η διάρκεια του παλμού.

4.6 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΑΚΤΙΝΑΣ.

4.6.1 Μήκος κύματος κα ι ισχύς εξόδου. Το μήκος κύματος του laser νεοδυμίου

κανονικά βρίσκεται στα 1.06μπι. Αυτή είναι μια καλή βάση εργασίας αλλά υπάρχουν

τρεις παράγοντες που μπορεί να προκαλέσουν διαφορές από ελάχιστες ως ιδιαίτερα

σοβαρές.

• Αλληλεπιδράσεις μεταξύ ιόντων νεοδυμίου και του φιλοξενούντος υλικού

μπορούν να μετατοπίσουν το μήκος κύματος μέχρι και ένα τα εκατό.

• Τα ιόντα νεοδυμίου μπορούν να λειτουργήσουν σε ασθενείς μεταβάσεις κοντά

στα 1.06μπι που συνήθως κατακαλύπτονται από την εκπομπή στην κύρια γραμμή.

• Η παραγωγή αρμονικών μπορεί να πολλαπλασιάσει τη συχνότιττα επί 2 , 3 ή 4

έτσι ώστε διαιρείται το μήκος κύματος κατά το ίδιο ποσό σπρώχνοντας την εκπομπή στο

ορατό ή οπεριώδες.

Μήκη κύματος εξόδου των κυρίων υλucώv νεοδυμίου είναι:

• Nd-YAG 1.064μπι

• Nd-YLF 1.053(πολιομένο)&1.047(μη πολωμένο)

• Nd-silicate glass 1.062μπι

• Nd-phosphate glass 1.054μπι

Ενα μεγάλο εύρος ισχύος εξόδου προσφέρεται από YAG και laser υάλου, εξαρτώμενα

από το μήκος κύματος και τη διαμόρφωση. Ηγραμμή των 1.064μπι είναι μακράν του

δευτέρου η ισχυρότερη στο YAG, laser εμπορίου με μήκος κύματος 1.318μιη παράγουν

μόνο γύρω στο 20% της ισχύος του 1.064 και άλλα που λειτουργούν σε άλλα μήκη

κύματος νεοδυμίου είναι ακόμα ασθενέστερα.

Η ισχύς εξόδου ενός συνεχούς 1.064μπι YAG laser εκτείνεται από δέκατα του Watt

α>ς εκατοντάδες Watt. Παρόμοιες μέσες ισχύς μπορούν να εξαχθούν απ' τα παλμυτά

laser. Η ισχύς εξόδου κορυφής κατά την διάρκεια ενός παλμού μπορεί να είναι πολύ

μεγαλύτερη από εκατοντάδες kW σε "κανονικό" παλμό διάρκειας msec ως πάνω από

100MW σ' ένα Q-κλειδωμένο παλμό10-20ικ. Η έξοδος μπορεί επίσης να μετρηθεί σε

ενέργεια παλμού- δεκάδες mj ως ίσως l-2joules σε Q-κλειδωμένους παλμούς, και 0.1 ως

lOOjoules σε παλμούς ενός msec. Η εξαγωγή ενέργειας πάνω από κλάσμα του joule σ'

ένα Q-κλειδωμένο παλμό παλμό απαιτεί μια ιδιαίτερα μεγάλη ράβδο ή μια

διαμόρφιοση ταλαντωτή ενισχυτή. Η ισχύς εξόδου είναι χαμηλότερη σε appovuc0

κυματομήκη, με τις απώλειες να είναι υψηλότερες για τις υψηλότερες αρμονικές στα

κοντότερα κηματομήκη.

4.6.2 Απόδοση. Η ολική απόδοση ενός εμπορικού laser νεοδυμίου - μετρούμενη σαν

το κλάσμα της ισχύος εξόδου προς την ηλεκτρυα) ισχύ εισόδου- είναι τυπικά 0.1 ιος 1 τις

εκατό. Η "απόδοση πλαγιάς" , το κλάσμα της προστιθέμενης ισχύος εισόδου που

μετατρέπεται σε ενέργεια laser , είναι γενικά υψηλότερη για να υπεττηδηθεί το κατώφλι

άντλησης και να λειτουργήσει το laser. Η απόδοση ορίζεται μερικές φορές ως η ισχύς

laser δια της ισχύος μέσα στον λαμπτιρα άντλησης, που είναι γενικά ψηλότερη γιατί

αδιαφορεί γ ια τις απώλειες στη μετατροπή στο τροφοδοτικό.

Μια ιεραρχία μηχανισμών απωλειών περιορίζει την απόδοση του laser νεοδυμίου:

• Ατιώλειες στο τροφοδοτικό που οδηγεί τον λαμπτήρα άντλησης και που γενικά

είναι μεγαλύτερες για παλμικά τροφοδοτικά παρ' ότι για λαμπτήρες συνεχούς

λειτουργίας.

• Ανεπαρκής μετατροπή της ενέργειας οδήγησης του λαμπτήρα σε φως.

• Απώλειες στην μεταφορά του φοπός στην ράβδο.

• Ανεπαρκής απορρόφηση του φωτός από το νεοδύμιο.

• Απώλειες κληρονομικές από την δομή των ενεργειακών επιπέδων του νεοδυμίου

επειδή η ενέργεια διέγερσης είναι μεγαλύτερη απ' ότι αυτή του εκπεμπόμενου φωτονίου.

• Απώλειες οφειλόμενες στην αδυναμία όλων των ατόμων νεοδυμίου να

εκπέμψουν την ενέργεια που απορρόφησαν υπό μορφή φωτός.

Χρονικά χαρακτηριστικά εξόδου.Τα laser νεοδυμίου μπορούν να λειτουργήσουν σε

πολλούς παλμικούς τρόπους ή στην περίπτωση του YAG να δώσουν μια συνεχή ακτίνα

εξόδου. Αντιπροσωπευτικά μήκη παλμών για διάφοραυς τρόπους λειτουργίας

φαίνονταιστον κάτωθι πίνακα.

4.6.3 Α ιάρκεια κ α ι ρυθμός επανάληψΓης παλμώ ν laser Nd-YAG.

Αιέγερση Αιαμόρφοιση

Τυπικός ρυθμός

επανάληψης

Τυπική διάρκεια

παλμού

συνεχής καμμιά συνεχής συνεχή

συνεχής μετατροττή Q O-lOOkhz 100-700ns

συνεχής ανατροτιή

κοιλότητας

0.5-5ΜΗΖ 15-50ns

συνεχής εγκλείδωση

ρυθμού

100-500ΜΗΖ 30-200ps

φλας καμμιά 0-200ΗΖ, όριο

λαμπτήρα

O.l-lOms

φλας μετατροπή Q 3-30ns

φλας ανατροπή

κοιλότητας

l-3ns

φλας εγκλείδιοση

ρυθμού

εγκλειδωμένες

σειρές παλμών,

0-200ΗΖ, όριο

λαμπτήρα

30-200ps

συνεχής μετατροπή Q και

εγκλείδιοση ρυθμού

εξαρτάται από

το ρυθμό Q και

από τις σειρές των

εγκλειδωμένων

παλμών

30-200ps

ΠΙΝΑΚΑΣ 4.1

4.6.4 Ποιότητα ακ τίνας κ α ι τρόποι.Τα laser νεοδυμίου βρίσκονται με έξοδο σε

μονό τρόπο (ΤΕΜοο), σε πολλαπλούς διαγώνιους τρόπους ή σε τρόπους καθοριζόμενους

από ασταθή αντηχεία. Πολύτροπη έξοδος προσφέρει υψηλότερες ισχύς, ενώ η μονού

τρόπου προσφέρει καλύτερη ποιότητα ακτίνας laser. Τα ασταθή αντηχεία έχουν γίνει

39

ιδιαίτερα δημοφιλή γιατί προσφέρουν καλή ποιότητα ακτίνας, με υψηλή ισχύ και

ικανοποιητική εξαγοητή της αποθηκευμένης ενέργειας απ' τη ράβδο laser αν και

μπορούν να χρησιμοποιηθούν μόνο σε παλμικά laser.

Η ποιότητα της ακτίνας μπορεί να υποβαθμιστεί λειτουργοάντας το laser σε ρυθμούς

επανάληψης ή επίπεδα ισχύος πολύ υψηλά για να απαχθεί η θερμότητα απ' τη ράβδο

του laser μεταξύ των παλμών.

4.6.5 Διάμετρος ακτίνας κ α ι απόκλιση. Η απόκλιση των ακτίνων laser νεοδυμίου

βρίσκεται μεταξύ κλάσματος του millirad και lOmillirad. Η διάμετρος της ακτίνας από

laser YAG γενικά είναι 1 ως 10mm, με μεγαλύτερες διαμέτρους δυνατές αν

χρησιμοποιηθούν διαστολείς ακτίνας. Οι ακτίνες είναι συνήθως κυκλικές αν και

υπάρχουν παραλληλόγραμμες ράβδοι που παράγουν παραλληλόγραμμες επιφάνειες

διατομής ακτίνας( laser υάλου).

4 .6.6 Απαιτήσεις λειτουργίας

4.6.6.1 Τροφοδοσία. Τα μικρά laser νεοδυμίου μπορούν να τροφοδοτηθούν από

κοινό ρευματοδότη απ' τον οποίο τραβούν περίπου 500W. Μεγάλα εμπορικά μοντέλα

απαιτούν δεκάδες kW από τριφασικές γραμμές(με γείωση). Χαμηλής ισχύος

στρατιωτικά αποστασιόμετρα βασισμένα σε laser YAG σχεδιάζονται έτσι ώστε να

λειτουργούν από συσσωρευτές 24 ή 28V με τον α ρ ι^ ό των βολών να εξαρτάται από το

μέγεθος των συσσωρευτών(και το κατά πόσο αυτοί επιτρέπουν στο σύστημα τον

χαρακτηρισμό φορητό).

4.6.6.2 Ψύξη. Πολύ χαμηλής ισχύος laser YAG σε συμπαγή αποστασιόμετρα , όπου

το μέγεθος και το βάρος είναι πρωτίστης σημασίας, στηρίζονται στην αγώγιμη ψύξη

αλλά αυτό μειώνει τη συχνότητα επανάληψης. Τα περισσότερα αποστασιόμετρα και

καταδείκτες στόχων χρησιμοποιούν συστήματα κλειστού κύκλου.Τα εργαστηριακά και

βιομηχανικά laser στηρίζονται σε συστήματα ανοικτού κύκλου με αποσταγμένο νερό.

Ενα τυπικό laser YAG μικρής ισχύος (0.1 ως 1W) απαιτεί περίπου 3 λίτρα

αποσταγμένου νερού το λεπτό, ενώ ένα μεγάλο βιομηχανικό σύστημα μέσης ισχύος

400W χρειάζεται 57 λίτρα νερού ανά λεπτό. Μερικά μικρά YAG laser προσφέρονται με

κλειστό κύκλωμα ψύξης με νερό σαν εξτρά.

40

4.6.6.3 Αναλώοιμα. Τα laser στερεάς κατάστασης νεοδυμίου είναι έτσι σχεδιασμένα

οόστε να μην χρειάζονται τίποτα πλέον μιας συνεχούς παροχής νερού ψύξης όταν

απαιτείται. Το μόνο εξάρτημα που μπορεί να θεωρηθεί σαν αναλώσιμο είναι ο

λαμπτήρας άντλησης που απαιτεί περιοδική αντικατάσταση κατά διαστήματα ή μερικές

εκατοντάδες ώρες λειτουργίας ή αρκετά εκατομμύρια εκλάμψεις.

Απαιτούμενα πρόσθετα (αξεσουάρ). Τα laser νεοδυμίου γενικώς προσφέρονταιπλήρη

και είναι έτοιμα προς λειτουργία. Μερικά απ' αυτά περιλαμβάνουν εξαρτήματα όπως

διακόπτες Q, γεννήτριες αρμονικών τα οποία μπορούν να θεωρηθούν αξεσουάρ.

Επιπρόσθετα στους διακόπτες Q, στις γεννήτριες αρμονυτών, στους εγκλειδωτές ρυθμού

και στους ανατροπείς κοιλότητας που αναφέρθηκαν νωρίτερα, τα ακόλουθα θα

μπορούσαν να είναι χρήσιμα σε ορισμένες εφαρμογές.

• διαφράγματα και απομονωτήρες ακτίνας για να εμποδίζουν την μη ποθητή

ανάδραση σε μεγάλους ενισχυτές.

• οπτυτές έδρες , για σταθερή έδραση αξεσουάρ και οπτικών κοιλότητας.

• συστήματα ελέγχου θερμοκρασίας για να βελτιωθεί η απόδοση του laser.

• ανατροπέα ακτίνας για να απορροφά την παραμένουσα ενέργεια στο κύριο

μήκος κύματος του laser μετά από παραγωγή αρμονικών.

• ευθυγραμμιστές για την ευθυγράμμιση των οπτικών του laser.

• οπτικά απόδοσης ακτίνας για την εστίαση της ακτίνας σε μακρινό αντικείμενο.

• επιλογείς τρόπου για την επιλογή ενός συγκεκριμένου τρόπου εξόδου.

• μεγενθυντές ακτίνας για να μεγαλχόσουν την διάμετρο της ακτίνας εξόδου ,

ειδικά πριν μια μικρής διαμέτρου ακτίνα περάσει από ενισχυτή.

• πολωτές και περιστροφείς πόλωσης για την προετοιμασία της ακτίνας για

παραγωγή αρμονικών.

• θεατές υπερύθρων ή κάρτες θέασης.

Σε μερικές περιπτώσεις , μερικά από αυτά προσφέρονται σαν στάνταρ εξοπλισμός σ'

άλλες εξτρά. Γενικά χρειάζονται για ειδικές εφαρμογές μόνο.

Συνθήκες λειτουργίας. Τα περισσότερα YAG και υάλου laser είναι σχεδιασμένα για

λειτουργία σε συνθήκες εργαστηρίου ή εργοστασίου. Τα στρατιωτικά αποστασιόμετρα

41

και καταδείκτες στόχων σχεδιάζονται για λειτουργία στην ευρύτερη ζώνη που απαιτούν

οι στρατιωτικές επιχειρήσεις.

4.6.6.4 Μ ηχανικά. Τα μικρότερα αποστασιόμετρα laser YAG είναι μικρότερα από

ένα ζευγάρι κυάλια. Τα εργαστηριακά μοντέλα είναι μεγαλύτερα αλλά για την ισχύ

που αποδίδουν θεωρούνται και πάλι μικρά. Ενα μοντέλο ζυγίζει 2.7kg και οι

διαστάσεις του είναι 27x12x10cm, αλλά δίνει έξοδο εκατοντάδων mW, αν και απαιτεί

3 λίτρα νερού ψύξης ανά λεπτό. Ειδικά σε υψηλές ισχύς, το κυρίως laser είναι ξεχωριστά

από το τροφοδο-πκό και την κονσόλα ελέγχου. Μοντέλα υψηλής ισχύος μπορεί να

απαιτούν τροφοδοτικά στο ύψος ενός ανθράπου, ευμεγέθη συστήματα ψύξης κα ι κυρίως

laser που θα κάλυπταν ένα τραπέζι.

4.6.6.5 Αξιοπιστία.

Πλήρη συστήματα laser νεοδυμίου μπορούν να διαρκέσουν για μια δεκαετία και

περισσότερο αν και μερικά εξαρτήματα πρέτιει να αντικαθίστανται κατά την διάρκεια

αυτή.

Το συχνότερα αντικαθιστάμενο εξάρτημα είναι ο λαμπτήρας. Οι λαμπτήρες συνεχούς

λειτουργίας διαρκούν για λίγες εκατοντάδες ώρες λειτουργίας κα ι οι λαμπτήρες φλας

μερικά εκατομμύρια εκλάμψεις. Ενα φλας που κάνει δώδεκα(12) εκλάμψεις το

δευτερόλεπτο (συνηθισμένο) θα έχει 1,000,000 εκλάμψεις μετά από εικοσιτέσσερεις ώρες

λειτουργίας.

Η διάρκεια ζωής της ράβδου εξαρτάται και μειώνεται από μηχανική βλάβη

(χτυπήματα κλπ.) και από λειτουργία πέραν του ορίου ασφαλείας (υπερφόρτιση).

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5θ·

ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟΙ ΑΝΙΧΝΕΥΤΕΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ LASER.Οι εφαρμογές των laser όπως είναι φυσικό εκτός από την εκπομπή μιας ακτίνας

απαιτούν πολλές φορές και την ανίχνευσή της για πρακτικούς λόγους σχετικούς με την

εφαρμογή.

Υπάρχουν ανιχνευτές ή φωρατές αλλιώς που ανιχνεύουν διάφορα μήκη κύματος , μια

οικογένεια κυματομηκών ή οι πιο εξειδικευμένοι ένα και μοναδικό μήκος κύματος

απορρίπτωντας τα υπόλοιπα. Το τελευταίο είναι πολύ βασικό στις περιπτώσεις που

είναι πιθανή η παρουσία και άλλων εκπομπών laser με συγγενή μήκη κύματος στην

περιοχή της ανίχνευσης των οποίων η εξακριβωμένη παρουσία από τον φωρατή ευρείας

ζώνης μπορεί και σίγουρα θα δώσει λανθασμένα αποτελέσματα στην εφαρμογή για την

οποία έγινε η εκπομπή.

Οι φωρατές IR ( infra-red) και FIR (far infra-red)-υπέpυθpoυ, χωρίζονται σε δύο

μεγάλες κατηγορίες ανάλογα με τον τρόπο που γίνεται η ανίχνευση, στους θερμικούς

(thermal) και στους φωτοαγώγιμους (photoconductive).

Στους θερμικούς η ακτινοβολία απορροφάται από τη μάζα του υλικού, δημιουργείται

έτσι μια αλλαγή θερμοκρασίας της μάζας του φωρατή που στη συνέχεια δημιουργεί

κάποια φυσική αλλαγή μέσα στο υλικό και μπορεί να μετρηθεί με κάποια μέθοδο. Οι

θερμικοί φωρατές είναι εξ' ίσου αποδοτικοί σ' όλα τα μήκη κύματος και σε μεγάλες

περιοχές του φάσματος αλλά είναι μάλλον αργοί.

Οι φωτοαγώγιμοι φωρατές βασίζονται στο ότι η προσπίπτουσα ακτινοβολία

δημιουργεί κάποια αλλαγή στην κατανομή των ηλεκτρονίων και επομένως επηρεάζει

την αγωγημότητα του υλικού του φωρατή. Προφανώς οι φωρατές αυτοί δεν είναι το

ίδιο ευαίσθητοι σ' όλα τα μήκη κύματος ή σε μεγάλες περιοχές του φάσματος, αλλά

είναι πάρα πολύ γρήγοροι.

Αν και χρησιμοποιούνται ακόμα φωρατές που λειτουργούν σε θερμοκρασία δωματίου

οι περισσότερο ευαίσθητοι λειτουργούν σε θερμοκρασία υγρού ηλίου, δηλαδή μεταξύ 1.5

43

και 4.2οΚ. και οι καλύτεροι απ' αυτούς είναι μεταξύ 10 και 1000 φορές πιο ευαίσθητοι

από όσους λειτουργούν σε θερμοκρασία δωματίου.

5.1 ΘΕΩΡΙΑ ΤΩΝ ΑΝΙΧΝΕΥΤΩΝ ΑΚΤΙΝΑΣ LASER.

Οι ανιχνευτές ακτίνας laser είναι συνήθως φωτοδίοδοι τύπου PIN ή avalance.

Κβαντικοί ανιχνευτές στερεός κατάστασης.

Ο φωτοαγώγιμος φωρατής. Το στοιχείο επιλέγεται έτσι ώστε η "σκοτεινή του

αντίσταση" να είναι κατά πολύ μεγαλύτερη από την αντίσταση φορτίου, και έτσι η

περισσότερη τάση πόλωσης εμφανίζεται κατά μήκος του κομματιού του ανιχνευτή.

Ανάλογα με το ημιαγωγό υλικό που χρησιμοποιείται και το υλικό υλικό πρόσμιξης, η

εισερχόμενη ακτινοβολία μπορεί να ιονίσει ένα δότη, δημιουργώντας ένα επιπλέον

ηλεκτρόνιο στη ζώνη αγωγιμότητας για ένα ημιαγωγό τύπου η, μια επιπλέον οπή στη

ζώνη σθένους προωθώντας ένα ηλεκτρόνιο σ' ένα επίπεδο αποδοχής σ' ένα ημιαγωγό

τύπου ρ ή ένα ζεύγος ηλεκτρονίου οπής με μετάδοση από ζώνη σε ζώνη.

Σε κάθε περίπτωση το οπτικό σήμα αλλάζει τον αριθμό των ελευθέρων φορέων στο

chip και έτσι η αντίστασή του πέφτει, επιτρέποντας περισσότερο απ' το δυναμικό να

κάνει την εμφάνισή του κατά μήκος του φορτίου.

Μόλις το επιπλέον ηλεκτρόνιο (ή οπή) δημιουργηθεί από την απορρόφηση ενός

φωτονίου, θα παρασυρθεί κάτω από την επιρροή του πεδίου προς την κατάλληλη επαφή

και θα δημιουργηθεί ρεύμα στο εξωτερικό κύκλωμα. Επειδή αυτή είναι μια πορεία

αγωγημότητας φορέων πλειοψηφίας, η άλλη επαφή εκπέμπει άλλο φορέα μόλις ο άλλος

συλλεχθεί. Ετσι το ρεύμα δεν σταματά παρά μόνο όταν ο φορέας ξανασυνδιαστεί με τον

φορέα (ή τον δότη). Αν κάποιος ορίσει το το χρόνο ζωής του φορέα , τον αριθμό των

επιπλέον φορέων ως , ΔΝ, που παρήχθησαν στον φωρατή εις απάντηση του ξαφνικά

εφαρμοσμιένου οπτικού σήματος, δίνεται σαν λύση της

dAN/dt = η( Pabs/hv ) u(t) - ΔΝ/το (A)

όπου η είναι η κβαντική απόδοση και u(t) το βήμα.

Η λύση είναι ΔΝ = η (Pabs/hv) το [ 1- οχρ(-1/το)] Α.

Οποχ; κάθε φορέας κινείται κατά πλάτος του κενού, d, συνθέτει ένα ρεύμα

ςιω/ά=ς/τ(ΐ, όπου τ<ι είναι ο χρόνος που απαιτείται από τον φορέα για να διασχίσει το

κενό. Ετσι το ρεύμα στο εξαηερικό κύκλωμα είναι

I = q η (Pabs/hv) (το/τ<ι) [ 1-εχρ(-1/το)] (Β)

Σημειωτέον ότι ο παράγων το/τ<ι μπορεί να ερμηνευτεί σαν φωτοαγώγιμο κέρδος. Αν

το»τ<ι, το ρεύμα κορυφής , είναι κατά πολύ μεγαλύτερο από q φορές τον ρυθμό

παραγωγής φορέων. Ομως αυτό το πλεονέκτημα είναι δίκοπο μαχαίρι. Αν ο χρόνος

ζωής του φορέα είναι μεγάλος τότε ο παράγων χρονικής απόκρισης στην εξίσοκιη (Β)

είναι αργός.

Αν κάποιος προσπαθήσει να διατηρήσει ένα γρήγορο χρόνο απόκρισης και κέρδος,

τότε ο χρόνος προώθησης τιΐ, πρέπει να είναι μικρός. Αλλά υπάρχει κι εδώ ένα όριο. Η

απόσταση δεν μπορεί να είναι μικρότερη από το μήκος απορρόφησης των

φωτονίων,αλλιώς απορροφάται μικρή ισχύς, και λίγοι επιπλέον φορείς παράγονται.

Υπάρχουν κι άλλες δυσκολίες και περιορισμοί μ' αυτού του τύπου τους φωρατές

μειονέκτημα που πρέπει να ανεχθούμε για να έχουμε την δυνατότητα να εντοπίζουμε

μακρύτερα μήκη κύματος. Αν το επίπεδο δότου (ή συλλέκτου) προς διάκενο ζώνης

αγιογημότητας (ή σθένους) είναι μικρό για να μπορεί να ανιχνεύει μια μικρή ενέργεια

φωτονίου, αυτοί οι δότες εύκολα ιονίζονται από την ικανότητα του θερμικού λουτρού.

Για παράδειγμα Hg μπαίνει στο Ge σαν συλλέκτης από 0.09eV, το μακρύτερο μήκος

κύματος που μπορεί να ανιχνεύσει είναι 14μιη. Σε θερμοκρασία δωματίου 300οΚ, οι

περισσότεροι απ' τους συλλέκτες θα είχαν ιονιστεί, δημιουργώντας μια τεράστια

ποσότητα οπών και μειώνοντας την αντίσταση του chip. Συνεπώς , οι περισσότεροι

φωτοαγώγιμοι φωρατές ψύχονται στο επίπεδο του υγρού αζώτου, 77οΚ, ή υγρού ηλίου,

4.2οΚ. Ετσι κάτι που ξεκίνησε σαν ένα φτηνό μικρό chip, περίπου 2 τετραγωνικά

χιλιοστά σ' επιφάνεια, τώρα απαιτεί ένα ογκώδες DEWAR και ένα ακριβό και

λεπτεπίλεπτο παράθυρο κενού για να επιτρέψει στην υπέρυθρη ακτινοβολία να

ακτινοβολήσει το στοιχείο του φωρατή.

5.2 ΦΩΤΟΛΙΟΛΟΙ ΣΥΖΕΥΞΗΣ.

Πολλοί από τους περιορισμούς και τις δυσκολίες που αναφέρθηκαν προηΟτερα

απαλείνωνται χρησιμοποιόντας την πολύ ανεπτυγμένη τεχνολογία ημιαγωγών,

τεχνολογία συζεύξεων ρ - η με όλες τις επακολουθούσες ποικιλίες, την απλή σύζευξη

ρ-η, την ρ-ί-η δίοδο, την φωτοδίοδο avalance(APD), και το φωτοτρανσίστορ.

5.3 ΗΛΙΑΚΕΣ ΚΥΨΕΛΕΣ ΚΑΙ ΦΩΤΟΦΩΡΑΤΕΣ.

Η υψηλή ευαισθησία στην διέγερση από το φως κάνει ένα ημιαγωγό ιδανικό για την

φοποφώραση. Αντί για να εστιάζει στην αποδοτικότητα μετατροπής ενός ευρέως

ηλιακού φάσματος ο (ρωρατής πρέπει να έχει την απαιτούμενη ταχύτητα ευαισθησία και

κέρδος σε μια μικρή ακτίνα ενέργειας φωτονίων.

Η μονάδα ενέργειας φωτός , καλείται φωτόνιο, είναι hv , όπου ν είναι η συχνότητα

του φωτός και h η σταθερά του Plank. Το μήκος κύματος του φωτός λ σχετίζεται με την

συχνότητα, σύμφωνα με λ = c/v = hc/Ερκ = (1.24/Eph)μIn, όπου Eph είναι η ενέργεια

του φωτονίου και c η ταχύτητα του φωτός, που είναι 3xl0'®cm/sec. Οταν ένας

ι^ιαγωγός φωτιστεί μπορεί ή μπορεί και όχι να απορροφήσει φωτόνια , εξαρτάται από

την ενέργεια του φωτονίου και την ενέργεια Eg , ενέργεια διακένου ζώνης. Φωτόνια με

ενέργεια μικρότερη από την Eg δεν απορροφούνται γιατί δεν υπάρχει διαθέσιμη

ενεργειακή κατάσταση στο απαγορευμένο διάκενο που να χωράει ένα ηλεκτρόνιο. Ετσι

το φως μεταδίδεται διαμέσου του και το υλικό φαίνεται διαφανές. Αν Eph=Eg , τότε τα

φωτόνια απορροφούνται για να δημιουργήσουν ζευγάρια ηλεκτρονίων - οπών. Οταν η

ενέργεια του φωτονίου είναι μεγαλύτερη από την Eg, τότε παράγεται ένα ζεύγος,

ηλεκτρόνιο - οπή, και η επιπλέον ενέργεια καταναλώνεται υπό μορφή θερμότητας

5.4 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ & ΑΗΟΛΟΣΗ ΗΛΙΑΚΩΝ

ΚΥΨΕΛΛΩΝ.

Η διαδικασία της μετατροπής της οπτικής ενέργειας σε ηλεκτρική σε ένα ημιαγωγό

σύζευξης ρη ακολουθεί τα παρακάτω βασικά βήματα;

I. φωτόνια απορροφούνται , έτσι ζεύγη ηλεκτρονίων οπών παράγονται και στη ρ

και στη η πλευρά της σύζευξης.

46

2. από διάχυση, τα ηλεκτρόνια και οι οπές που παράγονται μέσα σ' ένα μήκος

διάχυσης από την σύζευξη θα είναι υτανά να ζευγαρώσουν την περιοχή διαστήματος-

φορτίου μια και το μήκος διάχυσης ορίζεται ως η μέση απόσταση που ένας φορέας

διαχέεται πριν επανασυνδιαστεί.

3. τα ζεύγη ηλεκτρονίων - οπών τότε χωρίζονται από το ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο,

έτσι τα ηλεκτρόνια της ρ πλευράς ολισθένουν σε δυναμικό για να κινηθούν προς την η

πλευρά και οι οπές κινούνται προς την αντίθετη κατεύθυνση.

4. αν η δίοδος ρ-η είναι σε ανοικτό κύκλωμα τότε η συγκέντριοση των

ηλεκτρονίων και των οπών στις δύο πλευρές της σύζευξης παράγουν μία τάση ανοικτού

κυκλώματος.

Το ρεύμα που παράγεται από το φτος στο φορτίο είναι προς την ίδια διεύθυνση όπως

και το αντίστροφο ρεύμα κορεσμού της σύζευξης ρ-η. Οπώτε το συνολικό ρεύμα της

διόδου κάτω από ακτινοβολία δίνεται από :

I = lL+Io*(l-eV/4)T) (Γ)

όπου II είναι το από το φως παραχθέν ρεύμα και η δεύτερη έκφραση στα δεξιά είναι

το ανάστροφο ρεύμα της διόδου. Για ομοιογενή απορρόφηση σ’ όλη τη συσκευή , το II

δίνεται ως : II = qGL(Ln+Lp)A , (Λ)

όπου το Gl είναι ο ρυθμός παραγωγής.

Τα χαρακτηριστικά ρεύματος - τάσης που εκφράζονται από την (Γ), για μια

πειραματική συσκευή με την ένταση του φωτός σαν μεταβλητή( εικ.[]) πάρθηκαν κάτω

από ΑΜ1 φωτεινότητα, που ορίζεται σαν ο ήλιος στο ζενίθ και η υπό εξέταση συσκευή

στο επίπεδο της θάλασσας κάτω από καθαρό ουρανό. Η ενέργεια που φτάνει την

κυψέλη είναι ελάχιστα μεγαλύτερη από 100mW/cm2. Εχει σημειωθεί ότι IL είναι το

ρεύμα σε μηδενική τάση και έτσι ρεύμα βραχυκυκλώματος, θέτοντας 1=0 στην (Γ)

παίρνουμε την τάση ανοικτού βρόχου του κυκλώματος ως

V oc=OT*ln(l+lL/Io) (Ε)

Στην εξίσΐϋση (Ε) έχουμε την τάση ανοικτού βρόχου ή την ηλεκτρική πηγή που αν την

συνδέσουμε με ένα εξωτερικό φορτίο θα της παρέχει ρεύμα. Ετσι η αλλαγή της οπτικής

ενέργειας σε ηλεκτρική γίνεται πραγματικότητα.

47

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6θ·

ΜΕΤΡΗΤΗΣ.

Οπως πpoαvttφέpθτpcε ένα αποστασιόμετρο laser αποτελείται από το laser, τον

ανιχνευτή ακτινοβολίας, το τροφοδοτικό, τα οπτικά εστίασης και από το μετρητή. Αυτό

το κεφάλαιο ασχολείται μ' αυτό το τελευταίο, τον μετρητή. Τι κάνει ο μετρητής , ποιό

σκοπό δηλαδή εκπληρώνει μέσα στο σύστημα και από τι τέλος πάντων αποτελείται, τι

είναι, πως δουλεύει.

Σ' αυτά τα ερωτήματα θα δωθούν απαντήσεις σ' αυτό το κεφάλαιο. Ολοι σχεδόν

έχουν παρακολουθήσει από την τηλεόραση μια κατάβαση με σκι, εκεί ίσως έχεται

παρατηρήσει ότι ο σκιερ ξεκινώντας την κάθοδό του από το ψηλότερο σημείο της

διαδρομής παρασύρει με την κίνησή του (με τα πόδια του για την ακρίβεια ) μια

ελαστική ράβδο που βρίσκεται μπροστά και χαμηλά του . Με την κίνηση της ράβδου

τίθεται σε λειτουργία το χρονόμετρο και φτάνωντας στο τέρμα της διαδρομής με το

σώμα του διακόπτει την ακτίνα ενός φωτοκύτταρου και τερματίζεται η λειτουργία του

χρονομέτρου. Στην πρώτη περίπτωση η έναυση γίνεται μηχανικά με το κλείσιμο του

τερματικού διακόπτη στον οποίο καταλήγει η ράβδος, ενώ το πέρας της μέτρησης

δίνεται ηλεκτρονικά με την ανίχνευση της διακοπής μιας ακτίνας laser που ορίζει το

τέρμα της διαδρομής.

Γιατί παρατέθηκε τα πιο πάνω παράδειγμα; μα για τον απλό λόγο να γίνει εμφανές

ότι η μέτρηση απαιτεί μια αρχή και ένα πέρας που στην περίπτωση που εξετάζεται τώρα

δεν μπορεί να είναι κάτι τοσο απλό όπως το πάτημα ενός κουμπιού σ' ένα χρονόμετρο.

Αφού αυτό λοιπόν διευκρινήστηκε , καθώς επίσης και το γεγονός ότι η ένδειξη που θα

δώσει στην περίπτωση του αποστασιόμετρου ο μετρητής δεν θα είναι χρόνος αλλά

απόσταση άσχετο αν αυτό που στην ουσία μετράει είναι χρόνος γίνεται κατανοητό ότι ο

μετρητής δεν είναι σ' αυτή την περίπτωση ένα απλό ρολόι έστω και αν αυτό μπορεί να

ταξινομηθεί σαν ακρφείας αλλά ένα κατ' ουσίαν οπτοηλεκτρονικό κύκλωμα.

Εχοντας λοιπόν κατά νου ότι πρόκειται για οπτοηλεκτρονικό κύκλωμα που σαν

σκοπό, στο σύστημα , έχει την απόδοση του ζητούμενου, δηλαδή, της αποατάσεως της

συσκευής (και κατ' επέκταση του χειριστή της), από ένα δεδομένο σημείο στο χώρο (το

σημείο που καθορίζει ο χειριστής), έρχεται η σειρά να απαντηθεί το ερώτημα από τι

απαρτίζεται αυτός ο μετρητής.

Το κύκλωμα του μετρητή σχεδιάζεται σύμφωνα με τις απαιτήσεις που καθορίζονται

από τον χώρο και τον χρόνο λειτουργίας ολοκλήρου της συσκευής καθώς και κατά

κύριο λόγο από τους περιορισμούς που θέτει η σύζευξη του με το laser νεοδυμίου.

Τα μέρη που τον αποτελούν καθώς και η συνδεσμολογία τους φαίνεται στο

παρακάτω κύκλωμα σχήμα 6.1 :

Στο κύκλωμα του αποστασιόμετρου υπάρχουν δύο φωρατές ακτινοβολίας, ο ένας

δίνει το start και ο άλλος το stop. Ο πρώτος ανιχνεύει την εκπεμπόμενη ακτίνα και δίνει

ηλεκτρικό σήμα που μεταφράζεται σε λογικό 1 στην πύλη που σε συνδιασμό με το σήμα

49

του RS2 που είναι 0 (μια και ο φωρατής επιστρέφουοας ακτινοβολίας δεν έχει

ανιχνεΰσει ακόμα ακτινοβολία επιστροφής και δίνει 0), οδηγούν τον επιλογέα εξόδου

σε λογικό 1 και θα δώσει έτσι enable στο tri state logic TSL ώστε να επιτρέψει την έξοδο

του ταλαντωτή κρυστάλλου χαλαζία να περάσει στον μετρητή, (ο ταλαντωτής quartz

ταλαντούται στα 30ΜΗζ).

Με την έλευση και φώραση της επιστρέφουσας ακτινοβολίας, ο ιρωρατής Β δίνει 1

οπότε η έξοδος του RS1 γίνεται μηδέν 0 και το enable απενεργοποιείται και η μέτρηση

σταματά. Ο μετρητής σχήμα 6.3 είναι συνδεδεμένος στην είσοδο ενός πολλαπλασιαστή, ο

οποίος πολλαπλασιάζει την μέτρηση χρόνου με το βήμα που σ' αυτή την περίπτωση είναι

5μέτρα. Ο πολλαπλασιαστής 16-bit (σχήμα 6.4) έχει συνδεδεμένο στην έξοδό του έναν

αποκίΰδικοποιητή 7s (7segment), ο οποίος μετατρέπει το αποτέλεσμα της μέτρησης για

την ενεργοποίηση των ψηφίων LED , δεκαδοτής απεικόνισης .

Η μονάδα μνήμης S-R σχήμα 6.2 χρησιμοποιείται γιατί χρειάζεται παλμό χρονισμού

για να περάσει την είσοδο στην έξοδο και σ' αυτήν περνάει ότι υπάρχει στην είσοδο

κατά την πτώση από high σε low, κατόπιν αυτού αδιαφορεί για τις αλλαγές της εισόδου

, μέχρι την έλευση του επόμενου παλμού χρονισμού.

Το TSL χρησιμοποιείται γιατί ο ταλαντωτής quartz τίθεται σε λειτουργία με την

έναυση της συσκευής και όχι της ακτινοβολίας, παίζει το ρόλο διακόπτη που βάζει ή

θέτει εκτός τον ταλαντωτή από το κύκλωμα.

παλμό

oJzD>-επιλογέα.__

0 ή 1είοοδος από RS2

σχήμα 6.2 : κύκλωμα RS1 μετά του επιλογέα εξόδου.and and and and

σχήμα 6.3 : μετρητής 12-bit.

l-npoo0€on 0 = ό χ

σχήμα 6.4 : πολλαπλασιαστής

6.1 Ταλαντωτές κρυστάλλου.

Αν εφαρμόσουμε μια τάση μεταξύ δύο ηλεκτροδίων κολλημένων σε δύο αντίθετες

όψεις ενός πιεζοηλεκτρικού κρυστάλλου, συνήθοχ; από χαλαζία (quartz), προκαλούνται

δυνάμεις επί των δεσμευμένων ηλεκτρυςών φορτίων εντός του κρυστάλλου. Εάν ο

κρύσταλλος είναι κατάλληλα στηριγμένος , θα παρουσιαστούν παραμορφώσεις και θα

σχηματισθεί έτσι ένα ηλεκτρομηχανικό σύστημα το οποίο θα εμφανίσει ταλαντώσεις

κάτω από την κατάλληλη διέγερση. Η συχνότητα συντονισμού και ο συντελεστής

ποιότητας Q εξαρτώνται από τις διαστάσεις του κρυστάλλου, τον προσανατολισμό των

επιφανειών του κρυστάλλου ως προς τους άξονές του και τον τρόπο στήριξης του

στοιχείου. Στο εμπόριο διατίθενται κρύσταλλοι με συχνότητες που κυμαίνονται από

λίγα khz ως αρκετά ΜΗζ και με συντελεστές Q με τιμές από μεροτές χιλιάδες ως

αρκετές εκατοντάδες χιλιάδες. Οι εξαιpετucά μεγάλες τιμές του Q και το γεγονός ότι

τα χαρακτηριστικά του χαλαζία είναι ιδιαίτερα σταθερά ως προς το χρόνο και τη

52

θερμοκρασία εξηγούν την εξαιρετική ευστάθεια συχνότητας των ταλαντωτών οι οποίοι

χρησιμοποιούν κ(χχ5τάλλους.

Τυπικές τιμές για ένα κρύσταλλο 90kHz είναι L= 137Η, C= 0.0235pF και R= 15λΩ

που οδηγούν σε ένα συνττελεστή ποιότητας Q=5500. Οι διαστάσεις του κρυστάλλου

είναι 30 X 4 X 1.5mm. Συνδεσμολογία κρυσταλλικού ταλαντωτή με FET παρατίθεται

παρακάτω στο σχήμα 6.5 :

3Τθλλΐκ05 TCACVTUTlit JTC. FEl cuxvoTnxos 1MHz.

σχήμα 6.5 : κρυσταλλικός ταλαντωτής IMHz.

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7ο

ΓΕΝΙΚΗ ΘΕΩΡΗΣΗ ΑΠΟΣΤΑΣΙΟΜΕΤΡΟΥ LASER.

Σ ' αυτό το κεφάλαιο θα αναφερθεί η ολοκλήρωση του αποστασιόμετρου σαν

σύστημα, καθώς και η τοποθέτησή του μέσα στο "κουτΓ, μαζί με τα διάφορα

απαιτούμενα για την ασφαλή λειτουργία του πρόσθετα εξαρτήματα. Επίσης θα γίνει

και μια γενική περιγραφή του τρόπου λειτουργίας του σαν ολοκληρωμένο κύκλωμα και

σαν ανεξάρτητα εξαρτήματα.

Ηδη έχει γίνει μια αναφορά στον τρόπο λειτουργίας της συσκευής και παρακάτω

ακολουθεί το ολοκληρωμένο σχέδιο του αποστασιόμετρου μαζί με την ανάλυση της

λειτουργίας του.

block eidYpowjQ αποστασιόμίΓΓρου laser

σχήμα 7.1 : block διάγραμμα αποστασιόμετρου laser.

Στο σχήμα 7.1 που φαίνεται ακρι3ώς από πάνω δίνεται παραστατικά η γενική

συνδεσμολογία του αποστασιόμετρου.

Το manual trigger είναι ο διακόπτης που δίνει tfjv έναυση στο φλας που στην

περίπτωση του σχήματος ορίζεται σαν pulser.

Ο pulser δίνει ένα ιρωτεινό παλμό μέσα στο αντηχείο του laser με σκοπό την διέγερση

του μέσου laser και την πρόκλιση μιας αναστροφής πληθυσμών η οποία οδηγεί στην

ενεργοποίηση του laser και στην εκπομπή ενός παλμού (ακτίνας) laser.

Το laser μέσο, μόλις διεγερθεί δημιουργεί μια αναστροφή πληθυσμών την οποία

διατηρεί και ανατροφοδοτεί από τις ανακλάσεις του φωτός στα τοιχώματα του

αντηχείου μέχρι να φτάσει η ισχύς του σε επίπεδα τέτοια (όστε ο διακόπτης βαφής Q

(σχήμα 7.2) που υπάρχει μέσα στο αντηχείο να γίνει διαφανής και να επιτρέψει στην

ενέργεια του laser να εξέλθει του αντηχείου υπό την μορφή ενός στενού παλμού μεγάλης

ισχύος κορυφής, ο οποίος περνώντας από τα οπτυτά παίρνει το κατάλληλο μέγεθος στην

περίπτωσή μας Icm^ καθώς επίσης και ένα πολύ μυτρό μέρος του ανακλάται προς τον

φωρατή για να ανιχνευτεί και να δώσει έτσι τον παλμό start στο ηλεκτρονυτό μέρος ττις

συσκευής για να αρχίσει η μέτρηση.

55

Τα οπτικά επιστροφής , βρίσκονται σε θέση σχεδόν παράλληλη με το laser και

εστιασμένα στο ίδιο σημείο του χώρου , για να μπορούν να λαμβάνουν το σήμα

επιστροφής. Αποτελούνται από πολύ ευαίσθητο (ρωρατή, για την ακρίβεια ο φωρατής

είναι μια δίοδος PIN με λόγο εισόδου εξόδου 1:1 και χρόνο απόκρισης Ins , μπροστά

στη δίοδο είναι τοποθετημένο φίλτρο ακτινοβολίας που είναι διαφανές μόνο για ένα

μικρό εύρος του φωτεινού φάσματος , συγκεκριμένα για το μήκος κύματος εκπομπής του

laser - λ=1064ητη - και αδιαφανές για τα υπόλοιπα έτσι ώστε να μην παίρνει το

κύκλωμα λανθασμένα σήματα . Το σήμα αυτό επειδή τις περισσότερες φορές είναι

ιδιαίτερα ασθενές απαιτεί ενίσχυση για να γίνει αντιληπτό από το κύκλωμα των

ηλεκτρονικών, γι' αυτό το σκοπό υπάρχει ενσωματομένος ενισχυτής μεταβλητής

ενίσχυσης ώστε να έρθει το σήμα στα επιθημητά επίπεδα ανάγνωσης από το ηλεκτρονικό

κύκλωμα.

Το block που έχει οριστεί σαν gate αποτελεί κατ' ουσίαν έναν διακόπτη στο κύκλωμα

ο οποίος έχει σαν σκοπό του την σύμπλεξη και αποσύμπλεξη του ταλαντωτή (oscillator)

από το κύκλωμα μέτρησης.

Ο ταλαντωτής oscillator είναι ένας κρύσταλλος χαλαζία ονομαστικής συχνότητας

ταλάντωσης 30ΜΗζ ο οποίος τίθεται εντός λειτουργίας με το γύρισμα του κεντρικού

διακόπτη από θέση OFF σε θέση STANDBY.

Το block του μετρητή, range counter , είναι η κύρια λογυτή μονάδα του συστήματος,

η οποία παίρνει ως είσοδο τους παλμούς του ταλαντωτή και τους μετρά , με το σήμα

του stop οι παλμοί που έχουν μετρηθεί απ' τον μετρητή πολλαπλασιάζονται με ένα

σταθερό αριθμό, στην περίπτωση αυτή με το πέντε(5) και το αποτέλεσμα δίνεται μέσω

ενός κωδυτοποιητή στην είσοδο της μονάδας παρουσίασης του αποτελέσματος υπό

μορφή δεκαδικού αριθμού( περιττό ίσως αλλά αναφέρεται ότι ο μετρητής μετρά σε

δυαδική μορφή).

Το όλο σύστημα συμπληρώνεται από το τροφοδοτικό το οποίο διαθέτει σαν πηγή

ισχύος 12V συσσωρευτές . Οι συσσωρευτές μπορεί να είναι επαναφορτιζόμενοι Ni-Cd ή

συσσωρευτές λιθίου Lithium 6V του τύπου 2CR-5M που έχουν ικανό απόθεμα ισχύος

για να οδηγήσουν το φλας ( κάθε μπαταρία 2CR-5M έχει αποθηκευμένη ισχύ

1300mAh-Panasonic/RadioShack).

Συμπληρωματικά στην όλη κατασκευή τοποθετούνται το κύκλωμα του RESET που ο

ρόλος του είναι ο καθαρισμός (clear) , της μνήμης του κυκλώματος και της οθόνης

ενδείξης .

Εξωτερικά το σύστημα έχει τη μορφή ενός ζευγαριού οπτήρων 7X50 σχήμαΠ3.5 που

στην πάνω επιφάνεια θα βρίσκονται ο διακόπτης OFF-STANDBY, το κόμβιο έναυσης

του φλάς, και το κόμβιο του RESET.

ΡΑΒΔΟΣ LASER

ΔΙΑΚΟΠΤΗΣΒΑΦΗΣ

Q

σχήμα 7.2; διαμόρφωση μέσου laser με παθητικό διακόπτη Q.

ΘΚΛΕΕΤΗΖ ΣΎΖΕΎΗΗΓ.

σχήμα 7.3 : διαμορφώσεις αντηχείων

Το προτεινόμενο αντηχείο (σχήμα 7.3) για χρήση και υλοποίηση στο αποστασιόμετρο

laser είναι αυτ'ο της κλειστής σύζευξης , στο οποίο οι δύο κάθετοι στον άξονα του

καθρέπτες είναι διαφορετικής ανακλαστικής ικανότητας, (100% και 50% ο καθρεπτης

εξόδου). Μέσα στο αντηχείο είναι τοποθετημένο κύτταρο βαφής που έχει το ρόλο

παθητικού διακόπτη Q. Τα τοιχώματα του αντηχείου είναι πλήρως ανακλαστικά για

να επιτυγχάνεται η συνεχής ανατροφοδότηση της ράβδου Nd:YAG με φωτόνια μετά την

πρώτη έκλαμψη του λαμπτήρα άντλησης.

uΐ£άτο<|πι αντηχείου αε ίιάταξη κλειστιίς σύζευξης

σχήμα 7.4 ; διάταξη αντηχείου κλειστής σύζευξης.

Η διάταξη αυτή (σχήμα 7.4) προσφέρει άμεση μεταφορά της φιοτεινής ενέργειας στη

ράβδο του laser και σε συνεργασία με τους καθρέπτες μειώνονται οι απώλειες φοηεινής

ενέργειας άντλησης και αυξάνει το ποσοστό της φωτεινής ενέργειας που μετατρέπεται σε

ενέργεια laser.

Η ράβδος του laser έχει διαστάσεις 100X6mm είναι κυλινδρικής μορφής και οι

δυνατότητες παραγωγής ακτινοβολίας εξαρτώνται από το ποσοστό πρόσμιξης του

νεοδυμίου στη ράβδο του YAG το οποίο μπορεί να φτάσει τα 1CF® άτομα ανά κυβικό

εκατοστό(οιη^). Το κύτταρο βαφής δεν επιτρέπει την έξοδο στην ακτινοβολία laser μέχρι

αυτή να φτάσει σε ενεργειακό επίπεδο τέτοιο ώστε να το μετατρέψει σε διαφανές, οπότε

και επιτρέπεται η ακτινοβολία υπό τη μορφή υπερστενού παλμού διάρκειας 8-lOns

(κατασκευαστικό χαρακτηριστικό του κυττάρου) και ισχύος εξόδου 1.25ΜW , δηλαδή

ακτινικής ενέργειας lOmJ.

Φεύγοντας η ακτίνα από το laser ταξιδεύει απόσταση D μέχρι το στόχο της , που

μπορεί να είναι ένα οποιοδήποτε αντικείμενο στο χώρο του οποίου την απόσταση από

το δεδομένο σημείο εγκατάστασης του αποστασιόμετρου θέλουμε να μετρήσουμε. Ενα

δέντρο , ένας βράχος , κτήριο ή ακόμα και ένα πλοίο δεν είναι βέβαια ο τέλειος

59

ανακλαστικός στόχος ο οποίος θα δώσει εύκολα δυνατό σήμα ανάκλασης ότιως ένα

κάτοπτρο. Οι προαναφερθεντες στόχοι είναι ελάχιστα ανακλαστικοί και περισσότερο

διαθλαστικοί και απορροφητικοί πράγμα που σημαίνει ότι η ανακλώμενη προς τη

συσκευή ενέργεια μειώνεται δραστικά και αλλοιώνεται ως προς την διάρκεια του

κύματος. Λόγω της διάθλασης που λαμβάνει χώρα στους στόχους , το ανακλώμενο

κύμα βρίσκεται σε περισσότερες από μια γραμμές , ο δέκτης επιστρέφουσας(σχήμαΙΙ3.18)

ακτινοβολίας λόγω θέσης και διαστάσεων δεν μπορεί να λάβει μια επιστρέφουσα

ακτίνα η οποία έχει διαφορά από την αρχική κατά 1 μοίρα(1°) γιατί αυτή η γωνιακή

διαφορά σε μια απόσταση για παράδειγμα δύο χιλιομέτρων μεταφράζεται σε απόσταση

τριάντα πέντε μέτρων(35ιη) από τον κύριο άξονα της ακτινοβολίας, δτιλαδή ισόποση

απόσταση από τον δέκτη στο σημείο εγκατάστασης της συσκευής.

Αυτή η δραματική μείωση της ενέργειας επιστρέφουσας ακτινοβολίας του laser που

μειώνεται επιπλέον από την ατμοσφαιρική απορρόφηση πρέπει να ανιχνευτεί από ένα

δέκτη ιδιαίτερα ευαίσθητο όπως μια δίοδος PIN με προσαρμοσμένο φίλτρο

ακτινοβολίας μπροστά της για να απορρίπτονται όλες οι διαφορετικού μήκους κύματος

ακτινοβολίες πλην της ζητούμενης. Η δίοδος PIN ώς γνωστόν έχει μηδενικό κέρδος

δηλαδή δίνει σαν έξοδο την είσοδο με λόγο 1:1 που στην περίπτωση της επιστρέφουσας

ακτινοβολίας κρίνεται ανεπαρκής για σκανδαλισμό του κυκλώματος μέτρησης, γ ί αυτό

και ενισχύεται μέχρι του σημείου που μπορεί να θεωρηθεί επεξεργάσιμο. Ενα φωτεινό

σήμα επιστροφής με ενέργεια τόσο μικρή ώστε μόλις να μπορεί να ανιχνευτεί, 10·*ιηΙ

μετατρέπεται σε ηλεκτρικό της ίδιας ενέργειας και αντιστοίχου τάσης που στην

περίπτωση του πλέον ευαίσθητου δέκτη δεν είναι πάνω από μερικά mV τα οποία πρέπει

να ενισχυθούν στην τιμή των 5 V η οποία αποτελεί για το κύκλωμα το λογικό 1.

Οταν η ακτίνα laser ακτινοβολτιθΕί από το laser (σχήμα 7.5), ανιχνεύεται από το

φοιρατή αποχοιροΰσας ακτινοβολίας και μετατρέπεται σε ηλεκτρικό σήμα το οποίο έχει

τη μορφή παλμού ίδιου με την ακτίνα εξόδου, που μεταβιβάζεται στο κύκλωμα RS και

μεταφέρεται σαν λογικό ένα στο enable του TSL1 και επιτρέπει στον ταλαντωτή να

δώσει την έξοδό του στον μετρητή. Ο μετρητής μετρά τους παλμούς του ταλαντωτή.

Ο φωρατής επιστρέφουοας ακτινοβολίας μεταφέρει το σήμα του στο RS (σχήμα7.6)

και αυτό δίνει το λογικό μηδέν (0) στο enable του TSL1 & TSL2, τα οποία αιρενός το

πρώτο διακόπτει τη μεταφορά παλμών από τον ταλαντωτή στον μετρητή (διακόπτει τη

μέτρηση), και αφετέρου ο δεύτερος δίνει λογικό 1 στο latch του καταχωρητή για να

περάσει τα δεδομένα του στον πολλαπλασιαστή. Με την είσοδο των δεδομένων στον

πολλαπλασιαστή γίνεται ο πολλαπλασιασμός με το βήμα και το αποτέλεσμα

μεταφέρεται στον κωδικοποιητή 7segment για μετατροπή του αποτελέσματος (της

μέτρησης ) σε φωτεινή ένδειξη στα LED της οθόνης αποτελεσμάτων.

ιαί\μό

0 _ z j ) > -

1

0 ή 1e(oo£ oc από RS2

σχήμα 7.6 : κύκλωμα RS1

Το σήμα εξόδου της ακτίνας laser , έρχεται σαν παλμός χρονισμού στο κύκλωμα RS

και αυτό με την έξοδο του παλμού χρονισμού περνάει στην έξοδό του την είσοδο (1 , 0) ,

και ακριβώς το ίδιο κάνει και στην έλευση του δεύτερου παλμού που προέρχεται από

τον φωρατή επιστρέφουσας ακτινοβολίας. Η έξοδος παραμένει η ίδια και στις δύο

περιπτώσεις με μία σημαντική διαφορά. Στην πρώτη περίπτωση η διεύθυνση που δίνεται

στον επιλογέα είναι 0 ενώ στην δεύτερη 1, κάνοντας τον επιλογέα να φέρνει στην έξοδο

την ακριβώς αντίθετη εισόδο. Στη δεύτερη περίπτωση δηλαδή το σήμα επιστροφής είναι

παλμός χρονισμού για δύο κυκλώματα RS και δίνει το 1 στο RS1 , στον επιλογέα

εξόδου του RS1 καθώς δίνει και enable στη μανδάλωση δεδομένων.

7. 1 Το αποτέλεαμα .

Λόγω της μορφής των παλμών που δίνονται από τους φορατές υπάρχει περίπτοχτη το

κύκλωμα να μην αντιδράσει με την αμεσότητα που θα έπρεπε γιατί πιθανόν να αργήσει

να καταλάβει την κορυφή του παλμού. Αυτό συν το γεγονός ότι όλα τα ηλεκτρονικά

κυκλώματα έχουν μια χρονική υστέρηση στην απόκριση σε συγκεκριμένο σήμα εισόδου,

καταλήγουμε στο συμπέρασμα ότι το αποτέλεσμα θα απέχει από την πραγματική τιμή

κατά ένα ποσό ανάλογο των προαναφερθέντων αιτιών. Αυτή η διαφορά όμως είναι

62

κατ' ουσίαν μηδαμινή όπως έχει αποδειχθεί στην πράξη σε σχέση με το μετρούμενο

μέγεθος κρατώντας μια σταθερή τιμή, η οποία όμως αποκτά σοβαρότητα όταν η

μετρούμενη απόσταση είναι πολύ μικρή.

Α πό μετρήσεις της κατασκευάστριας εταφ ίας τηλεμέτρων laser Simrad Νορβηγίας

έχει βρεθεί ότι η απόκλιση είναι της τάξης των 2-5 μέτρων ανάλογα με το βήμα και την

τεχνολογία σχεδίασης του ηλεκτρονικού μέρους.

κιίκλωμα τροφοδοσίας, .

σχήμα 7.7 : block διάγραμμα τροφοδοτικού.

Το τροφοδοτικό (σχήμα7.7) φροντίζει μέσω μιας διάταξης πυκνωτών (και της

εκφόρτισής τους ) για την έκλαμψη του φλας. Με το γύρισμα του διακόπτη του

τροφοδοτικού σε θέση standby αρχίζει η φόρτιση της διάταξης των πυκνωτών μέχρι του

σημείου να δωθεί σήμα ετοιμότητας του φλας (όταν ο πυκνωτής φορτιστεί ένας μικρός

λαμπτήρας φωτοβολεί χάρη στο ρεύμα διαρροής του πυκνωτή), οπότε και ήμαστε

έτοιμοι να πιέσουμε το κουμπί της έναυσης του φλας για να αρχίσει η αντλητική

διεργασία που θα οδηγήσει στην ακτινοβολία laser.

Οσον αφορά τα οπτικά μέρη του συστήματος πρέπει να αναφερθεί ότι τα δε οπτικά

του laser πακετάρονται μαζί με το κυρίως laser σαν στάνταρ από την εταιρία

κατασκευής του , η οποία φροντίζει για την σωστή ευθυγράμμισή τους και φυσucά για

την συμβατότητά τους με τις ικανότητες του laser. Η περισσότερη αναφορά πάνω σ' αυτό

το θέμα δεν έχει να προσφέρει τίποτα μια και οι όροι που χρησιμοποιούνται στην οπτική

και δυσνόητοι είναι και ούτως ή άλλως είναι καλύτερο να αφήνονται τα ιδιαίτερα

χαρακτηριστικά στην παραγωγό εταιρία που θα φροντίσει ώστε τα οπτικά να

ανταποκρίνονται στις προδιαγραφές του πελάτου.

ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ AΑΝΤΑΗΤΙΚΕΣ ΑΙΕΡΓΑΣΙΕΣ

Στην οπτική άντληση , φως από μια ισχυρή πηγή απορροφάται από το ενεργό υλικό και

τα άτομα έτσι διεγείρονται στο ανώτερο επίπεδο άντλησης. Αυτή η μέθοδος είναι

κατάλληλη ιδιαίτερα για lasers στερεού σώματος (π.χ. laser ρουβιδίου ή νεοδυμίου) και

τα laser υγρών π.χ. laser χρωστικών. Οι μηχανισμοί διεύρυνσης γραμμής στα στερεά και

στα υγρά δημιουργούν μια σημαντική διεύρυνση , έτσι ώστε συνήθως έχουμε να κάνουμε

με ζώνες άντλησης μάλλον παρά με επίπεδα. Αυτές οι ζώνες μπορούν ως εκ' τούτου να

απορροφήσουν αρκετό ποσοστό από το φως (συνήθως ευρέως φάσματος) που εκπέμπεται

από τη λυχνία άντλησης . Η ηλεκτρική άντληση επιτυγχάνεται μέσω μιας αρκετά

ισχυρής ηλεκτρικής εκκένωσης και είναι κατάλληλη ιδιαίτερα για lasers αερίων και

ημιαγωγών.

Οπτική άντληοη.Φίος από μια ισχυρή ασύμιρωνη λυχνία μεταβιβάζεται μ' ένα κατάλληλο οπτικό σύστημα

στο ενεργό υλικό.

• παλμικά lasers. Σ' αυτή τη περίπτιοση χρησιμοποιούνται λυχνίες έκλαμψης Xe ή

Κγ, μεσαίας ως υψηλής πίεσης ,{450 - ISOOTorr).

• συνεχούς κύματος lasers. Σ' αυτήν την περίπτωση χρησιμοποιούνται συχνότερα

λυχνίες Kr ή βολφραμίου - ιωδίου, υψηλής πίεσης (4000 - SOOOTorr).

Στην πρώτη περίπτωση , η αποθηκευμένη στη συστοιχία πυκνωτών ενέργεια εκκενώνεται

στη λυχνία έκλαμψης. Η εκκένωση συνήθακ; αρχίζει μ' ένα παλμό σκανδαλισμού υψηλής

τάσης σ' ένα βοηθητικό ηλεκτρόδιο που προιονίζει το αέριο. Η λυχνία τότε παράγει μια

έντονη έκλαμψη φοοτός της οποίας η διάρκεια ( που δίνεται από το γινόμενο της

χωρητικότητας του πυκνωτή και της αντίστασης της λυχνίας) κυμαίνεται από μερικά

μικροδευτερόλεπτα έως μερικές εκατοντάδες μικροδευτερόλεπτα. Και στις δύο

περιπτώσεις το ενεργό υλικό έχει συνήθως τη μορςτή κυλινδρικ'ης ράβδου με διάμετρο

που κυμαίνεται από μερικά mm έως μερικά cm και μήκος που κυμαίνεται από μερικά

cm έως μερικές δεκάδες cm.

Η αποδοτικότητα της διάταξης στενής σύζευξης δεν είναι συνήθως πολύ χαμηλότερη από

αυτήν ενός ελλειπτικού κυλίνδρου . Ας σημειω^ί ότι κύλινδροι φτιαγμένοι από

διαχέον υλικό (όπιος σκόνη MgO ή BaS04 ή άσπρο κεραμικό) χρησιμοποιούνται

μερικές φορές αντί για τους κατοπτρικούς ανακλαστήρες. Αν και οι διαχέουσες

επιφάνειες ελλατώνουν κατά κάποιο τρόπο την αποδοτικότητα άντλησης , έχουν το

πλεονέκτημα ότι προσφέρουν μια πιο ομοιόμορφη άντληση του ενεργού υλικού.

ΙΙολλαπλές διατάξεις έχουν επίσης χρησιμοποιηθεί και περιλαμβάνουν περισσότερους

από ένα ελλειπτικούς κυλίνδρους ή αρκετές λυχνίες σε διάταξη στενής σύζευξης . Η

αποδοτικότητα των πολλαπλών διατάξεων είναι χαμηλότερη απ' αυτή που αντιστοιχεί

στις απλές διατάξεις. Παρ' όλα αυτά χρησιμοποιούνται σε συστήματα υψηλής ισχύος (ή

υψηλής ενέργειας).

Αποδοτικότητα άντλησης.

Η συνολική αποδοτικότητα άντλησης μπορεί να διακριθεί σε τρεις διαφορετικούς

τύπους;

• Αποδοτικότητα μεταφοράς η ΐ, η οποία ορίζεται σαν ο λόγος της ισχύος της

άντλησης (ή ενέργειας) που εισχωρεί πρακτικά στη ράβδο , προς την ισχύ (ή ενέργεια)

που εκπέμπεται από τη λυχνία.

• Αποδοτικότητα ακτινοβολίας της λυχνίας ητ ,η οποία δίνει την αποδοτικότητα

της μετατροπής της ηλεκτρικής εισόδου σε φωτεινή έξοδο, για την περιοχή μήκους

κύματος λ1 ως λ2 , στην οποία βρίσκονται οι ενεργοί ζώνες άντλησης του υλικού laser

(π.χ. 0.3 ως 0.9 pm για το Nd:YAG). Η αποδοτικότητα ακτινοβολίας της λυχνίας

δίνεται από την

ητ = (2πΚ1^^*

?όπου R είναι η ακτίνα και 1 το μήκος της λυχνίας, Ιλ είναι η φασματική ένταση και Ρ η

ηλεκτρική ισχύς που διοχετεύεται στη λυχνία.

. Κβαντική αποδοτικότητα άντλησης ης , η οποία εμφανίζεται επειδή δεν

μεταπίπτουν στο ανώτερο επίπεδο laser όλα τα άτομα που έχουν ανέβει στις ζώνες

άντλησης. Μερικά από αυτά τα άτομα μπορούν στη πράξη να μεταπέσουν από τις ζώνες

άντλησης κατευθείαν στο βασικό επίπεδο ή ίσως και σε άλλα επίπεδα που όμως δεν

είναι χρήσιμα, θ α ορίσουμε την κβαντική αποδοτικότητα άντλησης ης (λ) σαν το λόγο

του αριθμού των ατόμων που μεταπίπτουν στο ανώτερο επίπεδο laser, προς τον αριθμό

των ατόμων που ανέρχονται στις ζώνες άντλησης , από μια μονοχρωματική ττηγή

άντλησης μήκους κύματος λ.

Το πρόβλημα της βελτίωσης της αποδοτικότητας ακτινοβολίας είναι μια τεχνική

πρόκληση για τον κατασκευαστή λυχνιών. Χρειάζονται λυχνίες που το φάσμα εκπομπής

τους ταιριάζει με το φάσμα απορρόφησης των ζωνών άντλησης. Από την άλλη πλευρά η

κβαντική αποδοτικότητα αναφέρεται σε μια ποσότητα στην οποία ο έλεγχος που μπορεί

να ασκήσει κανείς είναι μικρός γιατί εξαρτάται από τις ιδιότητες του δεδομένου

υλικού. Η αποδοτικότητα μεταφοράς εντούτοις εξαρτάται κατά πολύ από το οπτικό

σύστημα που έχει επιλεγεί για να μεταβιβάσει το φως της άντλησης στη ράβδο laser.

Πρέπει επίσης να ειπωθεί ότι δεν υπάρχει πλήρους ανακλαστικό αντηχείο (κοιλότητα)

100%, αλλά το κονπνότερο προς το άριστο ποσοστό είναι το 80%.

ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β

ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΣΗ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ

Τα στοιχεία για την ολοκλήρωση της μελέτης συγκεντρώθηκαν μετά από πολύ "τρέξιμο"

και από πολλές και διαφορετικές πηγές όπως κατασκευαστές εξαρτημάτων και

σχεδιαστικά ινστιτούτα , χωρίς φυσικά να αφεθεί απέξω το αρκετό άλλωστε ψάξιμο

στην βιβλιογραφία κυρίως ξενόγλωση μια και η ελληνική βιβλιογραφία αποδείχτηκε

ανεπαρκής όπως και στους περισσότερους τεχνικούς τομείς.

Παρακάτω παρατίθονται τα ονόματα και οι τίτλοι ατόμων , εταιριών και

βιβλιογραφία που χρησιμοποιήθηκε.

ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΣΤΗΣ

Kruup Atlas Electronik GmbH

Simrad Optronics A/S

Wild Heerbrugg Ltd

AEG Aktiengesellschaft

Philips Electronic Components Division

Philips Usfa B.V.

HARRIS Semiconductor Optoelectronics

Devices.

BARCO N.V.

ΔΙΕΥΘΥΝΣΗ

Sebaldsbrucker Heerstr 235, PO Box

448545, D-2800 Bremen44, Germany.

PO Box 6114 Etterstad, 0602 Oslo 6,

Norway

CH-9435, Heerbrugg, Switzerland

Theodor-Stem-Kai 1, D-6000 Frankfurt70

Roeselare, West Vlanderen, Belgium

Meerenakkerweg 1, 5600 MD Eindhoven,

Netherlands

America's Technology Store-Catalog,

USA

USA

Th. Sevenslaan 106, 8500KORTRIJK,

BELGIUM

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

C.Breck Hitz: Understanding Laser Technology, PennWell Publishing, Tulsa,

Oklahoma, 1985

Orazio Svelto, Principles of Lasers, 2d ed.. Plenum, New York, 1982

L. V. Tarasov: Laser Physics, Mir Publishers , Moscow, 1983. In English.

J. G. Fujimoto, A.M.Weiner,E.P.Ippen: Generation and measurement o f optical pulses as

short as 16fs(Applied physics letters), 1984.

Max Bom and Emil Wolf : Principles of Optics. Pergamon Press, Oxford, England,

1975.

J. C. Dainty : Laser Speckle and Related Phenomena , Springer-Verlag, Berlin and

NewYork, 1984.

Jeff Hecht: Beam Weapons: The Next Arms Race, Plemrni, NewYork, 1984.

J. Wilson and J.F.B. Hawkes : Optoelectronics: An Introduction, Prentice-Hall,

Englewood Cliffs , N.J., 1983.

George C. Baldwin: An Introduction to Nonlinear Optics, Plenum/Rosetta, New York,

1974.

William L. Wolfe and George J. Zissis: The Infrared Handbook, Office of Naval

Research, Arlington Va., 1978.

Walter Koechner : Solid State Laser Engineering, Springer-Verlag, Berlin and New

York, 1976.

Marvin J. Weber ; CRC Handbook of Laser Science & Tecnology, CRC Press, Boca

Raton, Fla., 1982.

Λημήτρη Πογαρίδη : Ψηφιακά Ηλεκτρον^ά Συστήματα, ΤΕΙ ΚΑΒΑΛΑΣ, (σημειοόσεις).

Κωνσταντίνου Μερτζιανίδη : Ψηφιακά Ηλεκτρονυτά, ΤΕΙ ΚΑΒΑΛΑΣ , (στ^ιώσεις).

Κωνσταντίνου Μερτζιανίδη : Ηλεκτρονυτά, 1986, ΤΕΙ ΚΑΒΑΛΑΣ, (σι^ιο&σεις).

ir J. Vanneuville : CAD/CAE tools for ASIC's from PLD's to silicon compilers,

KIHWV,Oostende.

Jeff H echt: The Laser Guidebook, McGrow Hill, New York, 1986.

69

ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Γ ΣΧΕΑΙΑ & ΕΙΚΟΝΕΣ

Στις επόμενες σελίδες που ακολουθούν παρατίθενται σχέδια και εικόνες που θεώρησα ότι θα βοηθήσουν τον πιθανό αναγνοίστη στην κατανόηση ορισμένων εννοιών.

TO ΚΛΕΙΔΙ ΤΗΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΜΙΑΣ ΑΚΤΙΝΑΣ LASER ΕΙΝΑΙ Η ΚΑΤΕΥΘΥΉΚΟΤΗΤΑ

(b)

(a) η ανώτερη ζώνη της ατμόσφαιρας του Αρη εκπέμπει φως laser , τυχαία, κάνοντας τι διίσκολο να ανιχνευθει από τη γη. (b) Ενα laser κατασκευασμένο από τον άνθρωπο περιλαμβάνει και μια κοιλότητα αντήχησης που παράγει μια στενά ευθυγραμμισαένη ακτίνα.

(ο) κατανομή των πληθυσμών μεταξύ των ενεργειακών επιπέδων κατά την ισορροπία; και (b) κατά την διάρκεια μιας αναστροφής πληθυσμών.

cr^nS.M

Lower level Upper leve

a

n

κύριοι τύποι μεταβολών ενερ”/ειακών επιπέδων.a) ηλεκτρονικές μεταβολές συμβαίνουν μόνο σε άτομα και μόρια, b) δονητικες κ περιστροφικές μεταβολές συμβαίνουν μόνο σε μόρια

To φαινόμενο κατακρλι'ου laser// ένα ψοΓ δεν παράγει σοβαρό οπτικό σήμα εξόδου μέχρι η ενέργεια άντλησης να περάσει ένα κατιοφλι (όριο). Σε υψηλότερες ενέργειες άντλησης η ^οδος αυξάνεται δραματι cά. Στην πράξη , κάθε laser έχει όριο εξόδου και σταδιακά η χαρακτηριστυαί εισόδου - εξόδου κάμπτεται.

< ^Π 3.5

β jri Παραδείγματα σχεδίων κοιλοτήτων laser, που δείχνεται πως το φως ανακλάται μεταξύ των καθρεπτών.ε)απλό-παράλληλο αντηχείο(οριακή σταθερότητα) ,ό)^νεστακό αντηχείο(σταθερό), α)ημισυνεστιακό αντηχείο(σταθερό), (Πθετικού κλάδου συνεστιακό ασταθές αντηχείο

Λντιπροοο>πευτικές διαμορφώσεις κοιλοτήτων laser. α)ελικοειδής λαμπτήρας, b)στεvά συζευγμενος λαμπτήρας, ο)ελλειπτική κοιλότητα, ά)διπλά ελλειπτική κοιλότητα.

■ ζ } .Π 5 .7

Π5.8Ενερ*'ειακά επίπεδα στο Νά:Υ.·\0(απλΰποιημένα)

, ρ

— » Π 9 ,9

YTjCovily

Η βασική ιδέα της ανατροττής κοιλότητας είναι το ξεφόρτωμα της ενέργειας που υπάρχει μέσα στην κοιλότητα χρησιμοποιώντας για παράδειγμα έναν εσωτερυςό αvακλαστucό καθρέπτη μέσα στην κοιλότηταπου θα μπαίνει στην πορεία της ακτίνας. Οι πραγματικοί ανατροπείς κοιλότητας είναι κατά πολύ πιο πολύπλοκοι και βασίζονται σε ακουστοοπτικούς ανακλαστήρες απόκλισης ή ηλεκτροοπτικούς διαμορφωτές.

g. Π5.10

<ξ]— C JL

λ

1

(Ο

Τύποι δικοπτών Q που χρησιμοποιούνται στα laser, a) περιστρεφόμενος καθρέπτης ή πρίσμα ό)ενεργός διαμορφωτής, ο)παθητικός.Οταν το laser δεν εκπέμπει, το περιστρεφόμενο πρίσμα είναι σε τέτοια θέση οόστε καμμιά από τις πλευρές του να μην είναι παράλληλη με το καθρέπτη εξόδου. Στα άλλα ο παλμός παράγεται μόνο κατά τη στιγμή που ο διαμοριρωτής ή το κορεζό,αενο κύτταρο απορρόφησης είναι διαφανές.

(Q. Γ\3 Λ!

Ενα παράδειγμα σχεδίων κοιλοτήτων αντηχήσεως με τους τύπους των ακτίνων που παράγουν. a)TEM00, b) θετικής σι5ζευξης απόκλιση ασταθής, c) αρνητικής σύζευξης απόκλιση ασταθής, d) σιίζευξης πολικότητας σταθερή, e) σύζευξης πολικότητας ασταθής.

λ/4 δείχνει τον περιστροφικό πολωτήρα ενός τετάρτου του κύματος .

Π ϊ>.Ι2

ΠΑΛΜΟΣ LASER

cO (.n?..I3

LASER AIOAOY

L · ^

ΦΟΡΡΓΓΑ ΑΙΓΟΣΤΑΣΙΟΜΕΤΡΑ LASER .

^Π3.15Αποστασιόμετρα της εταιρίας SIMRAD.

Λ Π Ο ΣΤΛ ΣίΟΜΡ.ΤΡΗΣΗ ME LASER .

^.ri3J6 Αποοτααιόμετρο8ΙΜΚΑΟ LP3 επ ί τριπόδου.

^ .n sir α ΠΛΟ[ κ α ι αΟΛΛΑΠΛΟΙ ΑΝΑΚΛΑΣΤΗΡΕΣ.

σ|^.Π3.1δΠαράλληλη κ α ι ομοαξονική διαμόρφ<οοη οπτικών εκπομποϋ κα ι δέκτη.

81.