Laser Οπτικών Ινών

Laser Οπτικών Ινών Δημήτρης Ηλιόπουλος Σεμινάριο Φυσικής 2009 Επιβλέπουσα Καθηγήτρια : Μακροπούλου Μυρσίνη

Η φυσική των λέιζερ • Laser = Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation. Η΄ αλλιώς ενίσχυση φωτός με εξαναγκασμένη εκπομπή ακτινοβολίας. • Light Amplification = Ενίσχυση φωτός σημαίνει απλά «να γίνει περισσότερο από το ίδιο το φως», όπως ακριβώς ο ενισχυτής ήχου κάνει τον ίδιο ήχο δυνατότερο. • Stimulated Emission = Διεγειρόμενη εκπομπή.

Laser light - a special wave • Οι ακτίνες λέιζερ έχουν τις ακόλουθες ασυνήθιστες ιδιότητες: • Μονοχρωματικότητα • Κατευθυντικότητα • Σύμφωνη ακτινοβολία • Λαμπρότητα

Για να έχουμε Laser πρέπει να έχουμε… • … ενεργό μέσο που να εκπέμπει ακτινοβολία • …αντιστροφή πληθυσμών μέσα στο ενεργό υλικό • …ενεργό υλικό κατάλληλων ενεργειακών επιπέδων που συνδέονται με τη μετάβαση laser για άντληση • …οπτική ανατροφοδότηση στα άκρα του ενεργού υλικού

Laser Οπτικών Ινών • Ανήκει στην κατηγορία laser μονωτών με προσμείξεις • Το ενεργό μέσο αποτελείται από μια οπτική ίνα ενισχυμένη με ιόντα σπανίων γαιών όπως το έρβιο (Er 3 +), το νεοδύμιο (Nd 3 +), το υττέρβιο (YB 3 +), το θούλιο (Tm 3 +) ή το πρασεοδύμιο (Pr 3 +) • Η οπτική κοιλότητα δημιουργείται με την τοποθέτηση διηλεκτρικών κατόπτρων στις τερματικές επιφάνειες της ίνας

…Laser Οπτικών Ινών • Μία ή περισσότερες δίοδοι λέιζερ χρησιμοποιούνται για την άντληση φωτός • Χρησιμοποιείται εξωτερικός, χωρίς προσμείξεις, πολύ μεγαλύτερος πυρήνας για τη συλλογή του φωτός της αντλούσας πηγής • Ενέργεια από πηγή σταθερής κατάστασης συνδυάζεται μέσα στην επένδυση της ίνας, κατευθύνεται στον πυρήνα και αντλεί το υλικό ενίσχυσης

…Laser Οπτικών Ινών • Από τα πιο κοινά είδη είναι τα έρβιο-ενισχυμένα λέιζερ ινών. Σε μια κανονική οπτική ίνα από γυαλί πυριτίου, προσθέτουμε πολύ μικρά ποσά σπάνιων γαιών από το στοιχείο έρβιο. Τα μικρά σωματίδια από έρβιο αναμειγνύονται στον πυρήνα της ίνας. Αυτή η διαδικασία υλοποίησης των μικρών ποσών ονομάζεται ντόπινγκ. • Ο λόγος που χρησιμοποιούμε έρβιο είναι επειδή τα άτομά του έχουν πολύ χρήσιμα ενεργειακά επίπεδα. • Υπάρχει ένα ενεργειακό επίπεδο που μπορεί να απορροφήσει φωτόνια μήκους κύματος της τάξεως των 980nm και αυτά τότε εξασθενούν σε μια μετα- σταθερή κατάσταση που ισοδυναμεί με 1550nm.

ΔΙΑΤΑΞΗ FIBER LASER Σχήμα 1 Διάταξη laser ινών Το φως αντλείται από την αριστερή πλευρά μέσω ενός διχρωματικού κατόπτρου και κατευθύνεται στο επίκεντρο της ενισχυμένης ίνας. Το παραγόμενο φως κατευθύνεται στη δεξιά πλευρά.

FIBER LASER RESONATORS(κοιλότητες συντονισμού) • Γραμμικός resonator→ χρειάζεται διάφορα είδη κατόπτρων για το σχηματισμό του • Fiber ring laser (σχήμα δαχτυλιδιού)

Διηλεκτρικά Κάτοπτρα (σχ. 1) • Ανάκλαση Fresnel από γυμνό άκρο ίνας (σχ. 2) ( για μεγαλύτερη ανακλαστικότητα γίνεται διχρωματική επίστρωση του γυμνού άκρου ) Σχήμα 2 Σχήμα 2

Bragg φράγματα ινών (σχ. 3) • Σχετικά εύκολη κατασκευή • Μικρό μέγεθος(~cm) • Συμβατά με την οπτική τεχνολογία • Απομόνωση > 30dB • Απώλειες < 0.2dB • Αντοχή σε θερμοκρασία > 100 βαθμούς C • Κατασκευή σε οποιοδήποτε μήκος κύματος • Ρυθμισμένα με θερμοκρασιακό έλεγχο ή πιεζοηλεκτρικές διατάξεις Σχήμα 3

Ευθυγράμμιση φωτός που εξέρχεται της ίνας μέσω φακών (σχ. 4) • Κάτοπτρο από βρόγχο ίνας(σχ. 5) Σχήμα 4 Σχήμα 5

ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ LASER ΙΝΩΝ • High-power Fiber Lasers • Upconversion Fiber Lasers • Narrow-linewidth Fiber Lasers • Q-switched Fiber Lasers • Mode-locked Fiber Lasers • Raman Fiber Lasers • Fiber Lasers with Semiconductor Optical Amplifiers

High-power Fiber Lasers • Δημιουργούνται με σπανίων γαιών διπλό-ενισχυμένες ίνες οι οποίες αντλούνται με υψηλής ισχύος διοδικές ράβδους ή άλλα είδη διοδικών λέιζερ. • Το αντλούμενο φως ξεκινάει από την εσωτερική επένδυση και όχι στον (πολύ μικρότερο) πυρήνα της ίνας μέσα στον οποίο δημιουργείται. • Η φωτεινότητα της παραγωγής του λέιζερ ινών μπορεί να είναι τάξεις μεγέθους υψηλότερη από εκείνη της αντλίας φωτός, έστω και αν η ισχύς εξόδου είναι αρκετά μικρότερη (άνω του 50%-80% αποδόσεις ισχύος). • Για πυρήνες μέχρι της τάξης των μερικών χιλιάδων μm, είναι εφικτό να έχουμε έναν ενιαίο πυρήνα.

Upconversion Fiber Lasers • Δύο ή περισσότερες αντλίες φωτονίων χρησιμοποιούνται για τη μεταφορά ενός λέιζερ ιόντων σε εξαιρετικά ανώτερο επίπεδο, έτσι ώστε η ενέργεια λέιζερ φωτονίου μπορεί να είναι μεγαλύτερη από εκείνη της πηγής • Τα πρώτα upconversion λέιζερ δημιουργήθηκαν με ακατέργαστους κρυστάλλους οι οποίοι συχνά έπρεπε να ψύχονται σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, κάνοντας τα συστήματα μη πρακτικά. Ωστόσο, σημαντική πρόοδος έχει επιτευχθεί π.χ. με Er: YLiF 4 και Er: LiLuF 4 κρυστάλλους, δημιουργώντας σχετικά υψηλής ισχύος πράσινο φως σε θερμοκρασία δωματίου.

ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΙΝΩΝ • Καθώς οι ίνες μπορούν να συσπειρώνονται και το φως που διαδίδουν είναι καλά προστατευμένο από το περιβάλλον, τα fiber λέιζερ μπορούν να έχουν μια συμπαγή και στιβαρή εγκατάσταση, υπό την προϋπόθεση ότι το σύνολο του λέιζερ resonator είναι χτισμένο μόνο με ίνες (all-fibersetup), όπως τα φίλτρα περίθλασης οπτικών ινών (fiberBragggratings). • Οι ίνες ως gainmedia έχουν ένα μεγάλο εύρος ζώνης κέρδους που οφείλεται στις έντονα διευρυμένες μεταβάσεις του λέιζερ σε γυαλί. • Οι μονότροπες ίνες αποδίδουν εύκολα περιορισμένης περίθλασης ποιοτικές δέσμες. Αυτό επιτυγχάνεται μερικές φορές και με ελαφρώς πολύτροπες ίνες. • Λόγω του υψηλού κέρδους αποδοτικότητας των ενισχυμένων ινών, τα fiber λέιζερ έχουν τη δυνατότητα να λειτουργούν με πολύ μικρή ισχύ άντλησης. Ενώ, είναι δυνατό να αποκτήσουν πολύ μεγάλης ισχύος αποδόσεις. • Και πάλι λόγω της καθοδήγησης, που επιτρέπει την άντληση υψηλής έντασης να εφαρμόζεται σε μεγάλα μήκη, τα fiber λέιζερ μπορούν να λειτουργήσουν ακόμη και σε πολύ “δύσκολες μεταβάσεις”. (Π.χ. λέιζερ upconversion).

ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΙΝΩΝ • Όταν το φως της αντλίας πρέπει να ξεκινήσει από ελεύθερο χώρο σε έναν μονότροπο πυρήνα, η ευθυγράμμιση είναι κρίσιμη. Αυτό το πρόβλημα μπορεί να εξαλειφθεί με τη χρήση fiber-coupledpumpdiodes (διόδων συνδυασμένων με ίνες στην άντληση). • Οι περισσότερες ίνες εμφανίζουν μια πολύπλοκη θερμοκρασία που εξαρτάται από την εξέλιξη της πόλωσης, εκτός αν χρησιμοποιούνται ίνεςπου διατηρούν την πόλωση ή Faradayrotators. • Σε υψηλή ισχύ, υπάρχει κίνδυνος βλάβης της ίνας ακόμα και κάτω από τα πραγματικά όρια αντοχής του υλικού. • Οι ίνες έχουν περιορισμένο κέρδος και απορρόφηση του αντλούμενου φωτός ανά μονάδα μήκους, με αποτέλεσμα να είναι δύσκολο να πραγματοποιήσουμε πολύ κοντούς resonators.

Γιατί είναι χρήσιμα τα Laser Ινών • Σταθερά • Δημιουργία δέσμης στο εσωτερικό της ίνας. • Ασφαλής μεταφορά δέσμης μέσα σε ίνα. • Υψηλή ποιότητα Δέσμης • Περιορισμός δέσμης στον μικρό πυρήνα της ίνας. • Ευθύγραμμη δέσμη, συγκεντρωμένη σε μια μικρή κουκίδα. • Όσο πιο μικρή είναι η κουκίδα τόσο μεγαλύτερη είναι η αποτελεσματικότητα της δέσμης σε εφαρμογές κοπής. • Υψηλή Ισχύς • Συγκέντρωση από 1 Watt ισχύος π.χ. βλάβη στο δέρμα έως 1.000 Watts ικανό να κόψει μια ίντσα χάλυβα. • Αποτελεσματικά και ταχεία αποβολή θερμότητας • Μετατροπή μέχρι και 80% της ισχύος που εισάγεται από την πηγή άντλησης (καλύτερο για την κατανάλωση ρεύματος, αλλά λιγότερη ενέργεια μετατρέπεται σε θερμότητα). • Διάχυση θερμότητας σε όλο το μήκος της ίνας, προστασία της από το σπάσιμο.

ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ • Υλική επεξεργασία • Τηλεπικοινωνίες • Φασματοσκοπία • Ιατρική

ΟΠΤΙΚΕΣ ΙΝΕΣ ΣΤΙΣ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΕΣ • Τα τελευταία 20 χρόνια η οπτική ίνα θέτει νέα πρότυπα στις τηλεπικοινωνίες • Τεράστιοι όγκοι δεδομένων • Η βασική χημική αντίδραση από την οποία παράγεται το οπτικό γυαλί είναι: • SiCl4 (gas) + O2 ( SiO2 (solid)) + 2Cl2 (Υψηλή θερμοκρασία) • GeCl4 (gas) + O2 ( GeO2 (solid)) + 2Cl2 (Υψηλή θερμοκρασία)

…Στις τηλεπικοινωνίες • Στην άκρη της οπτικής ίνας τοποθετείται μία πηγή φωτός -μία δίοδος laser ή ένα LΕD (Light Εmitting Diode)- και ένα φωτοκύτταρο • Τα bits της πληροφορίας που πρόκειται να μεταφερθούν «μεταφράζονται» σε φωτεινούς παλμούς. • Είναι δυνατόν να τοποθετηθούν πολλαπλές πηγές laser, οι οποίες να παράγουν φωτεινά σήματα με διαφορετικό χρώμα και όλος αυτός ο όγκος πληροφοριών να περάσει μέσα από την ίδια ίνα • Όταν θπροσπτωσης > θκρίσιμη, το φως διαθλάται πίσω στο γυαλί και δεν διαφεύγει στον αέρα • Έτσι η ακτίνα διαδίδεται για πολλά χιλιόμετρα, με σχεδόν μηδενική απώλεια • Οι μονότροπες (single - mode) οπτικές ίνες έχουν διάμετρο πυρήνα ~ 10 μm, ενώ οι πολύτροπες 50 - 100 μm

Οπτική ίνα διακριτού δείκτη (stepindex) μήκη κύματος από 850 nm έως 1300 nm

Οπτική ίνα βαθμιαίου δείκτη (gradedindex) μήκη κύματος από 850 nm έως 1300 nm

Μονότροπες οπτικές ίνες (singlemodefiberoptics) μήκη κύματος μεταξύ 1310 και 1550 nm

…Laser ινών στις Τηλεπικοινωνίες • Τα laser ινών ενισχύουν την απόδοση, μειώνουν το κόστος και αντικαθιστούν τους πομπούς από παραδοσιακά διοδικά lasers στα wavelength division multiplexing (WDM) δίκτυα • Είναι υψηλής ισχύος συσκευές με μικρές απώλειες από παρεμβολές, με μονής συχνότητας πολωμένη απόδοση και με υψηλή αναλογία σήματος προς θόρυβο • Χρησιμοποιείται ένα Yb-laser ινών 977-nm του οποίου η παραγωγή παραδίδεται σε 8 επιμέρους Er-Yb laser ινών, που δημιουργούν έναν κόμβο 50 GHz διαχωρισμένου μήκους κύματος συχνοτήτων (Σχ.1)

Το 977nmlaser-αντλία έχει κι αυτό το ίδιο χρησιμοποιήσει για άντληση ένα φθηνό, ευρείας λωρίδας laser διόδου 915nm • Περίπου 1W ακτινοβολίας 977nm βγαίνει από το laser, αλλά οι απώλειες στους 3-dB ζεύκτες στις ίνες του δέντρου μειώνουν την ισχύ που παραδόθηκε στο κάθε ένα laser ινών σε 90mW • Υπό αυτές τις συνθήκες το καθένα από τα 8 lasers παράγει περίπου 21mW

LASER ΙΝΩΝ ΣΤΗΝ ΙΑΤΡΙΚΗ • Μικροχειρουργική-Χειρουργική μαλακών ιστών • Ταχεία τομή, εξαέρωση και πήξη των ιστών • Ιδανική πηγή υψηλής ισχύος με ακτινοβολία laser 2μm • Thulium-fiber laser 100W- 1.94 μm για την αντιμετώπιση της καλοήθους υπερπλασίας • Διόρθωση Δερματικών παθήσεων • Erbium-fiber laser 1.5 μm για χρήσεις στη δερματολογία • Pain stimulation (Διέγερση πόνου) • Αναπτύχθηκε Tm-silica-fiber laser από 1.8 με 2.05 µm για διέγερση των δερματικών νεύρων σε συνδυασμό με λειτουργική απεικόνιση (EEG, PET, and fMRI) για έρευνες σχετικές με τον ανθρώπινο πόνο

Στο «The Johns Hopkins School of Medicine (Baltimore, MD)»,αναφέρθηκαν τα πρώτα αποτελέσματα της χρήσης 110-W Tm-fiber laser που λειτουργεί στα 1.9 µm. Γρήγορη ατμοποίηση του ιστού του προστάτη με ρυθμό 0.83 ± 0.11 g/min Ζώνη θερμικής πήξης των 500 με 2000 µm με μεγάλες δυνατότητες στην αιμόσταση …Μικροχειρουργική

…OPTICAL COHERENCE TOMOGRAPHY (OCT) • Optical Coherence Tomography (OCT) • Παλμικά laser ινών κλίμακας από 1- έως 3-µm συμπεριλαμβανομένων των Yb-silica, Yb-Er-silica, Er,Pr-ZBLAN (praseodymium-ZBLAN), και των συνδυασμών των Yb,Er-silica και Tm-silica συστημάτων • OCT πηγές λειτουργούν με ytterbium laser ινών του 1.3 µm, και παράγουν μέχρι και 500‑mW ισχύς • Είναι πιο συμπαγή, εύρωστα και προσιτά , χωρίς ανάγκη οπτικής ευθυγράμμισης

Αυτό το πειραματικό υψηλής ευκρίνειας OCT σύστημα χρησιμοποιεί μια all-fiber Raman συνεχή φωτεινή πηγή (συνεχούς κύματος υττέρβιο λέιζερ ινών) και broadband ζεύκτες για να βελτιστοποιήσει την ισχύ του δείγματος

Βιβλιογραφία • http://www.rp-photonics.com/fiber_lasers.html Επιστημονική Εγκυκλοπαίδεια • http://www.orc.soton.ac.uk/61.html • http://www.wikipedia.com • http://www.fiber-optics.info • www.photonics.com • http://www.laserfocusworld.com/articles/article_display.html?id=236187 • Βιβλίο «Οπτοηλεκτρονικήμια εισαγωγή», John Wilson, John Hawkes

ΤΕΛΟΣ

Laser Οπτικών Ινών