Sunkovni laser

Iz MaFiRaWiki

Sunkovni laser je laser, ki oddaja svetlobo v kratkih časovnih sunkih. Tipično ta pojem vključuje laserje, ki oddajajo sunke svetlobe, dolge med nekaj femtosekundami in več deset nanosekundami. Na ta način dosežemo zelo velike vršne moči svetlobe, ki jih z običajnim laserjem ne moremo.


Vsebina

Delovanje

Za doseganje delovanja laserja v sunkovnem načinu obstaja več metod.

Prosta generacija sunkov

V tem načinu spreminjamo ojačevanje v laserju s periodičnim spreminjanjem hitrosti črpanja. Ko povečamo črpanje, se veča ojačevanje in ko preseže mejno vrednost, začne laser svetiti. Ko prenehamo s črpanjem, pade ojačanje pod prag delovanja laserja in laser ne sveti več. Ker so v laserju pogoji za stimulirano emisijo izpolnjeni le kratek čas, dobimo sunek svetlobe.

Preklapljanje dobrote resonatorja

Shema časovnega poteka
Enlarge
Shema časovnega poteka

Z metodo preklapljanja dobrote resonatorja (ang. Q-switching) dosežemo sunke, ki so tipično dolgi nekaj deset nanosekund. Na ta način lahko dosežemo vršno moč sunka nekaj gigawattov.

Metoda temelji na preklapljanju izgub (in posledično dobrote) v laserskem resonatorju. Začnemo z velikimi izgubami, pri katerih lahko s črpanjem dosežemo veliko obrnjeno zasedenost stanj. Ko izgube hitro zmanjšamo (preklopimo dobroto resonatorja), dosežemo neravnovesno stanje. Prične se proces optičnega ojačevanja s stimulirano emisijo. Skoraj vsa energija, ki je spravljena v ojačevalnem mediju, se porabi, kar vodi do kratkega in zelo močnega sunka svetlobe.

Prvi je to metodo predlagal ameriški fizik Gordon Gould leta 1958. Neodvisno sta jo v letih 1961 in 1962 odkrila in izdelala R.W. Hellwarth in F.J. McClung.

Uklepanje faz lastnih nihanj

 Nihajni načini in ojačanje
Enlarge
Nihajni načini in ojačanje

Metoda uklepanja faz lastnih nihanj se uporablja za pridobivanje izredno kratkih (femtosekundnih) sunkov, kar dosežemo s sinhronizacijo različnih lastnih nihanj v resonatorju. Navadno so lastni nihajni načini v resonatorju med seboj neodvisni, pri tej metodi pa jih fazno sklopimo.

V laserskem resonatorju imamo več nihajnih načinov, katerih frekvence se razlikujejo za:

\Delta \nu =\frac{c}{2L},

kjer je c hitrost svetlobe, L pa dolžina laserskega resonatorja. To se zgodi, ker ojačevalni medij ne ojačuje le pri eni frekvenci. Koliko frekvenc se ojači, je odvisno od vrste ojačevalnega sredstva. Ti nihajni načini med sabo naključno interferirajo. V laserjih, v katerih se ojačuje zelo majhno število takih valovanj, lahko te interference privedejo da naključnega spreminjanja moči izhodnega žarka, pri laserjih z ojačanimi več tisoč nihajnimi načini pa se ta učinek izniči.

Pri uklepanju faz lastnih nihanj poskrbimo, da nihajo ojačani nihajni načini s konstantnim faznim zamikom. Namesto konstantnega žarka dobimo zelo močne kratke sunke svetlobe. Sunki se pojavljajo v časovnih presledkih t =\frac{2L}{c}.

 Širina sunka je odvisna od števila nihajnih načinov, ki jih fazno uklenemo.
Enlarge
Širina sunka je odvisna od števila nihajnih načinov, ki jih fazno uklenemo.

Širina sunkov je odvisna od števila nihajnih načinov, ki med seboj interferirajo. Za časovni potek intenzitete fazno sklopljenega sunka velja: I(t) \propto \frac{sin^2(N\omega t/2)}{sin^2(\omega t/2)},

kjer je ω frekvenca ponavljanja sunkov, N število nihajnih načinov in t čas.

Uklepanja faz lahko dosežemo na dva načina:

Pri aktivnem uklepanju faz periodično spreminjamo izgube v laserju s frekvenco ν = c / 2L, ki je enaka frekvenčni razliki med posameznimi nihajnimi načini. V ta namen se uporablja elektro- ali akusto-optične modulatorje.

Pri pasivnem uklepanju faz potrebujemo saturacijski absorber. Za ta optični element je značilno, da se svetloba z nizko intenziteto v njem absorbira veliko močneje kot svetloba z visoko intenziteto. Tak element spusti skozi le fazno sklopljene nihajne načine, ki so interferirali v en svetel sunek.

Lastnosti

Za razliko od laserjev, ki svetijo s konstantno močjo in imajo zelo ozek spekter svetlobe, to pri sunkovnih laserjih ni mogoče. V skladu s Fourierjevo transformacijo sta čas trajanja sunka in širina njegovega spektra med seboj sklopljena. Produkt časovne in spektralne širine pulza (Δt in Δν) mora vedno biti večji od neke konstante:

\Delta t \cdot \Delta \nu \ge konstanta

Ta velikost te konstante je odvisna od oblike sunka. Za sunke Gausove oblike znaša približno 0.44.

Uporaba

Sunkovni laserji se zaradi velikih vršnih moči uporabljajo pri predvsem pri obdelavi materialov, npr. za rezanje kovin, v očesni kirurgiji in zobozdravstvu.

Zelo visoka moč sunkovnih laserjev omogoča preučevanje nekaterih nelinearnih optičnih pojavov ter procesov, katerih čas trajanja je primerljiv z dolžino sunka izsevane svetlobe.

Viri

  • Taylor, Nick (2000). LASER: The inventor, the Nobel laureate, and the thirty-year patent war. New York: Simon & Schuster. ISBN 0-684-83515-0. p. 93.
  • McClung, F.J. and Hellwarth, R.W.: "Giant optical pulsations from ruby". Journal of Applied Physics 33 3, 828-829 (1962).
  • Encyclopedia of Laser Physics and Technology[1]
Osebna orodja