Презентация на тему "Лазеры"

Содержание

• 
  Слайд 1
  

  Гарнов Сергей Владимирович Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН ИОФРАН Лекция №1. 12 февраля 2015 г. Введение. Исторический экскурс - основоположники лазерной эры. Основные понятия физики лазеров. Принцип генерации лазерного излучения. Ультракороткие лазерные импульсы. ЛАЗЕРЫ УЛЬТРАКОРОТКИХ ИМПУЛЬСОВ Механизмы и способы генерации и усиления ультракоротких (пс и фс) лазерных импульсов; методы измерения их основных параметров;практические применения. ИОФ РАН КУРС ЛЕКЦИЙ МИФИ 2015

• 
  Слайд 2

  Цель лекций:

  Дать представление аудитории о принципах работы лазеров ультракоротких импульсов (УКИ) пикосекундного (~10-11-10-12с) и фемтосекундного (~10-13-10-14с) диапазонов, методах измерения их основных параметров - длительности, интенсивности, спектрального состава, контраста, а также о современных областях применения таких лазеров в физике, технике, биологии и медицине. ИОФ РАН

• 
  Слайд 3

  Предмет лекций:

  В рамках курса будут рассмотрены механизмы и способы генерации и усиления ультракоротких лазерных импульсов пикосекундного и фемтосекундного диапазона, а также методы измерения и инструментарий используемые для характеризации их основных параметров. Будут рассмотрены схемы наиболее широко используемых лазеров УКИ и примеры их применения в физике, технике, биологии и медицине. Лекционный курс будет включать демонстрацию действующих лазерных систем УКИ в лабораториях ИОФРАН. Вопросы по ходу лекции приветствуются. Посещение лекций: выбор слушателя. Проверка полученных знаний: выбор преподавателя. ИОФ РАН

• 
  Слайд 4

  Учебные пособия:

  Основные: 1. Херман И., Вильгельми Б. Лазеры сверхкоротких световых импульсов // М.: МИР, 1986, 368 с. 2. Ахманов С.А., Выслоух В.А., Чиркин А.С. Оптика фемтосекундных лазерных импульсов // М.: Наука, 1988, 312 с. 3. Крюков П.Г. Лазеры ультракоротких импульсов и их применения // М.: Интеллект, 2012, 248 с. Дополнительные: 1. Звелто O. Принципы лазеров // М.: МИР, 1990, 559 с. 2. Беспалов В. Г., Козлов С. А., Крылов В. Н., Путилин С. Э. Фемтосекундная оптика и фемтотехнологии // Санкт-Петербург: СПбГУ ИТМО, 2010, 234 с. http://window.edu.ru/resource/762/72762/files/itmo512.pdf, http://books.ifmo.ru/book/624/femtosekundnaya_optika_i_femtotehnologii.htm 3. Ким А.В, Рябикин М.Ю., Сергеев А.М. От фемтосекундных к аттосекундным импульсам. – Успехи физических наук, 1999, Т.169, №1, С.85-103. 4. Желтиков А.М. Сверхкороткие импульсы и методы нелинейной оптики. – М.: Физматлит, 2006, 296 с. ИОФ РАН

• 
  Слайд 5
  

  GOOGLE :«laser» – Результатов: примерно 547 000 000 (0,31 сек.) (11.02.2015)   Результатов: примерно 622 000 000 (05.12.2012) Результатов: примерно 354 000 000 (30.05.2011) Результатов: примерно 145 000 000 (05.05.2010) ИОФ РАН

• 
  Слайд 6
  

  ИОФ РАН Лазерный термоядерный синтез В 1962 году Н.Г. Басов и О.Н. Крохин высказывают смелую идею об осуществимости термоядерного синтеза при нагреве мишени излучением лазера, положив начало новому мощному научно-техническому направлению -- лазерному термоядерному синтезу (ЛТС). В России, в РФЯЦ-ВНИИЭФ (г.Саров) начато создание установки мегаджоульного уровня УФЛ-2М на длине волны второй гармоники неодима с длительностью импульса 3 нс. National Ignition Facility

• 
  Слайд 7
  

  ИОФ РАН Charles Hard Townes , MIT, USA, 1/2 1915 г.р. Николай Геннадиевич Басов , ФИАН, СССР, 1/4 1922- 2001гг. Александр Михайлович Прохоров , ФИАН, СССР,1/4 1916-2002 гг. Основатели лазерной эры.

• 
  Слайд 8
  

  Нобелевская премия по физике 1964 г. "for fundamental work in the field of quantum electronics, which has led to the construction of oscillators and amplifiers based on the maser-laser principle" «за фундаментальные работы в области квантовой электроники, которые привели ксозданию излучателей и усилителей на лазерно-мазерном принципе» ИОФ РАН construction of : 1) конструирование; проектирование 2) сооружение; постройка 3) строительство; 4) истолкование, объяснение создание: 1) creation, making developing,

• 
  Слайд 9
  

  ИОФ РАН

• 
  Слайд 10
  

  ИОФ РАН Первая публикация о рубиновом лазере: «StimulatedOpticalRadiationinRuby» T. H. MAIMAN Nature 187, 493 - 494 (6,August, 1960) Т. Мэйман - 16 мая, 1960 Hughes Research Laboratories,California, USA TheodoreHaroldMaiman, 1927-2007

• 
  Слайд 11
  

  Как излучается свет? E0 E1 Свет излучается в результате перехода «физической системы» - атома, иона, молекулы, и т.п., из возбужденного в невозбужденное энергетическое состояние E0 E1 Эти радиационные переходы могут быть как спонтанными, так и вынужденными –«стимулированными» самими световыми квантами. h =E1-E0 E0 E1 Фотон, «рожденный» в результате такого вынужденного перехода – является копиейфотона, стимулировавшего этот переход. Количество квантов увеличилось вдвое – произошло усиление света в результате вынужденного излучения. Этот процесс лежит в основе принципа действия лазеров. E1>E0 ИОФ РАН

• 
  Слайд 12
  

  ЛАЗЕР, от английского сокращения“LASER” –LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation:“Усиление Света за счет Вынужденного Испускания Излучения” Что нужно для эффективного вынужденного усиления света? 1. Выбрать подходящую физическую систему – «лазерную среду» (газы; растворы органических и неорганических соединений; кристаллы с внедренными «примесями» и т.п.); 2. Перевести систему в возбужденное состояние; 3. Обеспечить эффективное взаимодействие фотонов с возбужденной лазерной средой. E0 E1 E2 h =E1-E0 Источник «накачки»: свет; электрический разряд; химическая реакция и т.п. Такая «трехуровневая» схема была реализована в первом созданном лазере на кристалле рубина (1960г.). ИОФ РАН

• 
  Слайд 13
  

  Оптический резонатор – это устройство, осуществляющее «положительную обратную связь». Оптический (открытый) резонатор состоит из двух съюстированныхзеркал, одно из которых полупрозрачное. Отразившись от зеркала, фотоны возвращаются в активную среду и «стимулируют» рождение новых фотонов: между зеркалами движется быстро нарастающая «фотонная лавина» и формируется лазерный луч. Принципиальная схема лазера. Оптический резонатор. Активная лазерная среда Источник возбуждения активной среды R1=100% R2=50% ИОФ РАН

• 
  Слайд 14
  
• 
  Слайд 15
  

  Мгновенные изображения быстро протекающих процессов. СВЕРХКОРОТКАЯ ВСПЫШКА СВЕТА – ЛАЗЕРНЫЙ ИМПУЛЬС ИОФ РАН Лазер "0" фс150 фс250 фс500 фс10000 фс Лазер

• 
  Слайд 16
  

  10×2µm2 Динамика формирования фемтосекундной лазерной микроплазмы Микроплазма пробоя воздуха. Временная задержка зондирующего импульса 10 пс ИОФ РАН Laser

• 
  Слайд 17
  

  ИОФ РАН Как получить короткую вспышку света – короткий лазерный импульс? Длительность вспышки Т определяется: 1. Временем развития и затухания плазмы 2. Временем срабатывания ключа –замыкателя 3. Паразитными емкостями и индуктивностями электрической цепи Т  1 сек-10-6 сек Длительность вспышки Т определяется временем горения магния : Т10-3 сек

• 
  Слайд 18
  

  ИОФ РАН Электрооптический затвор. Эффект Керра или Поккельса U(t) U(t) t Минимальная длительность вырезанного импульса не меньше времени включения/выключения затвора : Т100 пс (определяется паразитными емкостями и индуктивностями электрической цепи)

• 
  Слайд 19
  

  ИОФ РАН Спектр импульса f(t) F() t УКИ - ультракороткий лазерный импульс. Что это такое? х

• 
  Слайд 20
  

  ИОФ РАН Ультракороткий лазерный импульс. Чем больше число периодов колебаний поля, тем уже спектр импульса. И, наоборот, - чем меньше периодов, тем спектр импульса шире. 2 1

• 
  Слайд 21
  

  ИОФ РАН Спектр импульса t t Это т.н. «чирпированые» импульсы Другие УКИ.

• 
  Слайд 22
  

  ИОФ РАН Как сгенерировать ультракороткий лазерный импульс?

• 
  Слайд 23
  

  ИОФ РАН Моды резонатора

• 
  Слайд 24
  

  ИОФ РАН Моды резонатора На длине резонатора, укладывается целое число полуволн «светового» поля.

• 
  Слайд 25
  

  ИОФ РАН Продольные моды резонатора. Гассовы пучки.

• 
  Слайд 26
  

  ИОФ РАН Поперечные моды резонатора. Мn,m моды.

• 
  Слайд 27
  

  ИОФ РАН cos(1*t)+cos(2*t)+cos(3*t)+cos(4*t)+cos(5*t)+cos(6*t) Y1(t)=cos(1*t) cos(1*t)+cos(2*t) cos(1*t)+cos(2*t)+cos(3*t) cos(1*t)+cos(2*t)+cos(3*t)+cos(4*t) cos(1*t)+cos(2*t)+ cos(3*t)+cos(4*t)+ cos(5*t) Y2(t)=cos(2*t) Синхронизация мод резонатора Y1(t) + Y2(t)=??? По мере увеличения числа слагаемых мод, фазы которых остаются неизменными, длительность «пичков» сокращается, а период «пичков» остается неизменным и равным «времениобхода резонатора» : 2L/c. ДОКАЗАТЬ самостоятельно.

• 
  Слайд 28
  

  ИОФ РАН cos(1*t+4)+cos(2*t+3)+cos(3*t+2)+cos(4*t+5)+cos(5*t+4)+cos(6*t+0) Синхронизация мод резонатора cos(1*t+0)+cos(2*t)+cos(3*t)+cos(4*t)+cos(5*t)+cos(6*t) Если фазыслагаемых мод НЕ остаются неизменными, столь регулярной картины не наблюдается! СЛЕДОВАТЕЛЬНО, нам надо иметь достаточно много СФАЗИРОВАННЫХ мод. cos(1*t+4)+cos(2*t+3)+cos(3*t+2)+cos(4*t+5)+cos(5*t+7)+cos(6*t+0)

• 
  Слайд 29
  

  Гарнов Сергей Владимирович Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН ИОФРАН Лекция №2. 12 февраля 2015 г. Принципы генерации УКИ. Активная и пассивная синхронизация мод. Акустооптические и электрооптические модуляторы Насыщающиеся оптические среды. Активные среды различных типов лазеров и источники накачки. ЛАЗЕРЫ УЛЬТРАКОРОТКИХ ИМПУЛЬСОВ Механизмы и способы генерации и усиления ультракоротких (пс и фс) лазерных импульсов; методы измерения их основных параметров;практические применения. ИОФ РАН КУРС ЛЕКЦИЙ МИФИ 2015

• 
  Слайд 30
  

  ИОФ РАН Синхронизация мод резонатора. Как синхронизовать моды? http://www.rp-photonics.com/mode_locking.html Период следования «пичков» т.е. УКИ неизменен и равен времени обхода резонатора  2L/c. Самостоятельно промоделировать сложение синусоид с одинаковыми фазами и разными АМПЛИТУДАМИ

• 
  Слайд 31
  

  ИОФ РАН Синхронизация мод резонатора. Синхронизованные моды. Принцип синхронизации мод состоит во внесении «потерь добротности» в резонатор с периодичностью равной времени обхода  2L/c. БОльшую часть времени потери (например, поглощение излучения) д.б. велики для того, чтобы подавить несфазированное лазерное поле внутри резонатора и «пропускать без потерь циркулирующий по резонатору одиночный лазерный импульс.

• 
  Слайд 32
  

  ИОФ РАН Синхронизация мод резонатора. Активная и пассивная синхронизация. активная синхронизация пассивная синхронизация

• 
  Слайд 33
  

  ИОФ РАН Синхронизация мод резонатора. Активная синхронизация. Принцип активной синхронизации мод состоит в преднамеренном т.е. активном внесении «потерь добротности» в резонатор с периодичностью равной времени обхода  2L/c. БОльшую часть времени потери (например, поглощение излучения) д.б. велики для того, чтобы подавить несфазированное лазерное поле внутри резонатора. t t 2L/c потери в резонаторе

• 
  Слайд 34
  

  ИОФ РАН Активная синхронизация мод. Акустооптический модулятор. Принцип работы: отклонение светового (лазерного) луча за счет его дифракции ( отклонения) на решетке показателя преломления (Бреговская дифракция) создаваемой в кристалле кварца, ниобата лития, стекле и т.д. звуковыми (механическими!) колебаниями пьезоэлектрического генератора, к которому прикладывается переменное напряжение в десятки вольт с частотойравной c/2L. L=1м, с=3х1010 см/сек,   150 МГц.

• 
  Слайд 35
  

  ИОФ РАН Активная синхронизация мод. Электрооптический модулятор. U(t) U(t) Принцип работы: вывод несфазированного светового потока из резонатора за счет периодического изменения поляризации в результате электрооптического эффекта в кристалле (ниобата лития, КДП, ДКДП и т.д), к которому прикладывается переменное напряжение в сотни вольт с частотой  равной c/2L. L=1м, с=3х1010 см/сек,   150 МГц.

• 
  Слайд 36
  

  ИОФ РАН Синхронизация мод резонатора. Пассивная синхронизация на основе насыщающегося поглотителя. Принцип работы основан на нелинейно-оптическим эффекте «просветления» среды в интенсивном световом (лазерном) поле за счет опустошения нижнего уровня и заполнения верхнего уровня. В шумовой структуре несфазированных мод в резонаторе могут появляться выбросы поля («пички») с большой интенсивностью достаточной для возникновения такого процесса . НЕОБХОДИМО не только быстрое насыщение поглотителя, но его быстрая релаксация в невозбужденное состояние для предотвращения пропускания сопутствующих низкоинтенсивных шумовых импульсов. Времена релаксации лежат в диапазоне 1 нс -10 пс. Поглотители изготавливаются на основе органических красителей и позволяют генерировать импульсы до нескольких пс. E0 E1 h =E1-E0 E0 E1 меньше число фотонов может поглотиться!

• 
  Слайд 37
  

  ИОФ РАН Синхронизация мод резонатора. Пассивная синхронизация. t t 2L/c просветление пассивного затвора

• 
  Слайд 38
  

  ИОФ РАН Синхронизация мод резонатора. Пассивная синхронизация на основе механизма «Керровской линзы» Принцип работы основан на нелинейно-оптическим эффекте Керра : увеличения показателя преломления среды под действием интенсивного лазерного импульса приводящего к самофокусировке лазерного пучка и уменьшению его расходимости. В шумовой структуре несфазированных мод в резонаторе могут появляться выбросы поля («пички») с большой интенсивностью достаточной для возникновения такого процесса. Времена возникновения и релаксации Керровской линзы лежат в диапазоне 1 пс - 10 фс. Это позволяет генерировать импульсы от десятков до нескольких фемтосекунд! При этом, Керровской средой, как правило, служит сама активная среда лазера, в частности кристалл наиболее широко распространенных фемтосекундныхTi-Sa лазеров.

• 
  Слайд 39
  

  ИОФ РАН Что еще необходимо для того чтобы сгенерировать ультракороткий лазерный импульс? АКТИВНАЯ ЛАЗЕРНАЯ СРЕДА С НЕОБХОДИМЫМИ СВОЙСВАМИ и ИСТОЧНИК НАКАЧКИ ЭТОЙ СРЕДЫ