Upload
ngohanh
View
277
Download
4
Embed Size (px)
Citation preview
Osnove laserske tehnike
Laserska optika
Okna
Zrcala
Dielektrični sloji
Leče
Fokusiranje laserskega žarka
Optična vlakna
Nelinearna optika
Snovanje optomehanskih sistemov
1
Osnove laserske tehnike
Okna
2
Običajno se jih uporablja za ločevanje medijev (plin-plin, plin-tekočina, tekočina-tekočina).
Služijo tudi kot zaščita (dražjih) optičnih komponent pred nečistočami in poškodbami.
Neželjene odboje na optičnih površinah se zmanjša z antirefleksni slojem (glej nadaljevanje)
Brewstrovo okno – vpadni kot je enak polarizacijskemu - zmanjšanje odboja na optičnih površinah. Velja le za ⊥-polarizacijo!
Primer uporabe Brewstrovih oken v CO2 laserju:
Brewstrovo okno
Osnove laserske tehnike
Primer uporabe okna Laser MicroJet (http://www.synova.ch)
3
Osnove laserske tehnike
Zrcala
4
Oblike zrcal: Ravna
Sferična
Parabolična
Posebne oblike
Uporaba: Vodenje žarka (ravna)
Fokusiranje (sferična in parabolična)
Vrste zrcal: Kovinska
Dielektrična (interferenca na tankih plasteh)
Prizmatična (totalni odboj)
Osnove laserske tehnike
Ravna zrcala
5
Osnove laserske tehnike
Primer uporabe ravnih zrcal – vodenje žarka
6
Osnove laserske tehnike
Sferična zrcala
7
Osnove laserske tehnike
Sferična zrcala
8
Osnove laserske tehnike
Parabolična zrcala
9
Po odboju na parabolični površini se vsi žarki (tudi močno oddaljeni) sekajo v isti točki – gorišču.
Velja le za žarke, ki so vzporedni z osjo parabole!
Uporaba: astronomija, svetila (žarometi), fokusiranje laserskih žarkov (predvsem v IR območju - CO2 laserji).
Osnove laserske tehnike
Posebne oblike zrcal
10
Osnove laserske tehnike
Materiali za zrcala
11
Kovine:
Aluminij, baker, srebro, zlato,…
Pogosto se uporablja zaščitne sloje, ki preprečujejo oksidacijo
Reflektivnost: med 90 in 95%
V laserski tehniki se jih pogosto uporablja v IR področju (CO2 laserji)
Dielektrični sloji na prozornem substratu
Reflektivnost: do 99.999%!
Višja obstojnost – prenesejo višje intenzitete (MW/cm2) oziroma fluence (J/cm2) v primerjavi s kovinskimi zrcali.
Prag poškodb
Bliskovno (J/cm2)
Kovinska zrcala
< 2
Dielektrični sloji
< 20
Osnove laserske tehnike
Dielektrični sloji
12
Pojav: interferenca na tankih plasteh
Uporaba:
Prevleke optičnih komponent za zmanjšanje odboja
Zrcala z visoko reflektivnostjo
Delno prepustna zrcala (laserski resonator, delilniki žarkov, …)
Filtriranje svetlobe glede na valovno dolžino (dikroični filtri)
Osnove laserske tehnike
Interferenca na tankih plasteh – 1. del
13
Kadar svetloba prehaja v snov z drugačnim lomnim količnikom, se del odbije, del pa se lomi in prehaja v drugo snov.
Pri prehodu žarka skozi plast z lomnim količnikom n1 nastaneta dva odbita žarka R1 in R2.
Intenziteti žarkov sta odvisni od lomnih količnikov ter vpadnega kota. Fresnelove formule popisujejo omenjeno odvisnost.
Pri pravokotnem vpadu je odbojnost (razmerje med intenziteto odbitega in vpadlega žarka):
𝑅1 =𝑛0− 𝑛1𝑛0+ 𝑛1
2
𝑅2 =𝑛1− 𝑛2𝑛1+ 𝑛2
2
n1
n0
n2
R1 R2
Osnove laserske tehnike
Interferenca na tankih plasteh – 2. del
14
Pri odboju z optično gostejše snovi (n0<n1) nastopi obrat faze.
Pri odboju z optično redkejše snovi (n0>n1) pa se faza ne spremeni.
Osnove laserske tehnike
Sprememba faze pri odboju valovanja povzetek:
15
n0>n1 n0<n1
Osnove laserske tehnike
Antirefleksne tanke plasti
16
Amplitudni pogoj: Intenziteti obeh žarkov morata biti enaki. Lomni količnik plasti (n1) je v idealnem primeru (sledi iz Fesnelovih enačb):
V primeru zrak-steklo (n0=1, n2=1.52), je idealni lomni količnik tanke plasti n1=1.23.
Fazni pogoj: Odbita žarka medsebojno destruktivno interferirata kadar sta v protifazi oziroma medsbojno zakasnjena za l/2:
Najpogosteje se za antirefleksno plast uporablja material MgF2 (magnezijev fluorid), ki ima lomni količnik n=1.38. Odboj se tako zmanjša s ~4% na ~1.5%. Predstavlja kompromis med dovolj nizkim lomnim količnikom ter zelo dobro obstojnostjo.
𝑡𝑛1 = 𝑁𝜆/4 N=1,3,5,…
𝑛1 = 𝑛0𝑛2
n0=1 n1=1.38 n2=1.52
zrak steklo MgF2
obrat faze pri obeh odbojih!!
po zunanjem odboju
po notrenjem odboju
rezultirajoča intenziteta (če sta intenziteti obeh žarkov enaki)
Osnove laserske tehnike
Antirefleksne tanke plasti
17
Destruktivna interferenca na tanki plasti je odvisena od valovne dolžine in od vpadnega kota svetlobe.
Pri nepravokotnem vpadu je reflektivnost odvisna tudi od polarizacije!
Osnove laserske tehnike
Visokorefleksne tanke plasti
18
zrak
substrat
l/4 plast z višjim lomnim količnikom n2
l/4 plast z nižjim lomnim količnikom n1
• obrat faze pri odboju na plasteh z n2
• ohranitev faze pri odboju na plasteh z n1
n2
n1
n2
n1 n2
n1
n0
n
Reflektivnost sklada l/4 plasti:
𝑅 =𝑛2
𝑘+1 − 𝑛0𝑛𝑛1𝑘−1
𝑛2𝑘+1 − 𝑛0𝑛𝑛1
𝑘+1
k … število parov n2 in n1
Osnove laserske tehnike
Visokorefleksne tanke plasti
19
S kombinacijo več tankih plasti dobimo zrcala, ki imajo za določeno območje valovnih dolžin mnogo višjo odbojnost, kot kovinska zrcala.
S številom tankih plasti ter ustrezno izbiro snovi (lomni količnik) je možno izdelati zrcalo z natančno določeno delno prepustnostjo.
Odbojnost He-Ne zrcal kot funkcija valovne dolžine.
Odbojnost kot funkcija števila plasti dielektričnega zrcala
zadnje zrcalo
izhodno zrcalo
Osnove laserske tehnike
Uporaba tankih plasti za filtriranje svetlobe glede na valovno dolžino
20
S kombinacijo različnih tankih plasti (zapleten izračun) je možno hkrati doseči odbojnost in prepustnost na različnih delih spektra.
Ozkopasovni (interferenčni) filtri:
Primer serije interferenčnih filtrov (www.thorlabs.com):
Osnove laserske tehnike
Uporaba tankih plasti za filtriranje svetlobe glede na valovno dolžino
21
dikroični filtri:
Primer porabe:
Delitev svetlobe različnih valovnih dolžin
Prepustnost Odbojnost
Valovna dolžina (nm)
Osnove laserske tehnike
Izdelava tankih plasti
22
Tanke plasti se najpogosteje izdeluje s postopkom vakumskega naparevanja.
Snov, iz katere je izdelana tanka plast, se uparja na dnu komore.
Para kondenzira na površini substrata.
Substrati se v vakuumski komori premikajo, da se zagotovi enakomerna debelina naparjene plasti.
Zagotavljanje čistoče je kritičnega pomena!
Debelino naparjene plasti se optično meri na vzorčnem substratu.
Osnove laserske tehnike
Leče
23
Pojav: lom svetlobe
Uporaba:
Preslikava
Fokusiranje
Homogenizacija intenzitetnega profila
Oblike
Tanke, debele
Zbiralne, razpršilne
Sferične, Cilindrične, Asferične
GRIN
Fresnelove leče
Osnove laserske tehnike
Leče
24
Osnove laserske tehnike
Prehod žarkov skozi ZBIRALNO lečo
25
Osnove laserske tehnike
Prehod žarkov skozi RAZPRŠILNO lečo
26
Osnove laserske tehnike
Preslikava s tanko ZBIRALNO lečo gemotrijska metoda:
27
Osnove laserske tehnike
Enačba tanke leče
28
Oddaljenosti predmeta o in slike i popisuje enačba:
Povečava je definirana kot razmerje med velikostjo slike hi in velikostjo predmeta ho:
1
𝑜+1
𝑖=1
𝑓
𝑚 =ℎ𝑖ℎ𝑜
= −𝑖
𝑜
Osnove laserske tehnike
Goriščna razdalja tanke sferične leče
29
Osnove laserske tehnike
Dogovor glede predznakov
30
Osnove laserske tehnike
Fokusiranje laserskega žarka
31
Izhajajoč iz geometrijske optike se vsi žarki, ki so pred lečo vzporedni z njeno optično osjo, sekajo v gorišču na drugi strani leče:
Kolimiran laserski žarek Kolikšen je premer žarka v gorišču?
Osnove laserske tehnike
Premer laserskega žarka v gorišču
32
Na premer žarka v gorišču vplivajo:
Aberacije – žarki se dejansko ne sekajo v skupni točki
Uklon – določa minimalni možen premer žarka
V primeru, da uklon določa premer žarka, govorimo o uklonsko pogojenem optičnem sistemu.
zaslonsko število (f/dzaslonke)
Pre
me
r v
gori
šču
(cm
)
Uklonsko pogojen premer
Aberacijsko pogojen premer
Osnove laserske tehnike
Aberacije
33
So odstopanja od rešitev paraksialne geometrijske optike. Za žarke, ki v optični sistem ne vstopajo blizu osi oziroma pod
majhnim kotom, ne velja aproksimacija 𝑠𝑖𝑛𝜑 ≈ 𝜑.
Aberacije so odvisne od: oblike optičnih površin, disperzije in smeri vstopnih žarkov.
optična os
Osnove laserske tehnike
Vrste aberacij
34
Sferna aberacija
Koma
Astigmatizem
Ukrivljenost polja
Distorzija
Kromatična aberacija
Določene aberacije zmanjšamo tako, da optični sistem vstavimo zaslonko, ki preprečuje neparaksialnim žarkom pot skozi optični sistem.
Vendar s tem povečamo uklonsko pogojeni premer žarka v gorišču!
Pri fokusiranju laserskega žarka je običajno sferna aberacija najpomembneša!
Osnove laserske tehnike
Sferna aberacija
35
Osnove laserske tehnike
Sferna aberacija vpliv oblike in orientacije
36
Osnove laserske tehnike
Sferna aberacija je odvisna od vrste leče
37
Planokonveksna leča sestavljena leča - akromat
asferična leča
Osnove laserske tehnike
Sferna aberacija pri fokusiranju močno divergentnega žarka
38
Osnove laserske tehnike
Koma
39
Pojavlja se kot popačenje slike za predmete, ki se ne nahajajo na optični osi.
Vsaka točka, ki ni na optični osi, se na sliki prikaže kot slika, ki ima obliko kroga.
Velikost tega kroga je večja, če je točka bolj oddaljena od optične osi.
Osnove laserske tehnike
Astigmatizem
40
Osnove laserske tehnike
Ukrivljenost polja
41
Osnove laserske tehnike
Distorzija
42
Osnove laserske tehnike
Barvna aberacija
43
Zaradi disperzije je gorišče odvisno od valovne dolžine svetlobe.
Korigira se s sestavom dveh leč enakih a nasprotnih barvnih aberacij.
Takšen sestav imenujemo AKROMAT.
kronsko steklo kremenčevo steklo
Osnove laserske tehnike
Fokusiranje Gaussovega žarka uklonsko pogojeno
44
Osnove laserske tehnike
Self-ova metoda analogija z geometrijsko optiko
45
1
𝑠+
1
𝑠"=1
𝑓
1
𝑠 +𝑧𝑅
2
𝑠 − 𝑓
+1
𝑠"=1
𝑓
dodaten člen
Osnove laserske tehnike
Pomen predznakov
46
Osnove laserske tehnike
Analiza Self-ove enačbe
47
Self-ova enačba določa oddaljenost novega pasu od leče.
Limitni primeri:
𝑠 = 𝑓 ⇒ 𝑠" = 𝑓
𝑧𝑅 → 0 ⇒ (divergenten vh. žarek) Enačba preide v klasično geometrijsko preslikavo.
𝑧𝑅 → ∞ ⇒ (kolimiran vh. žarek) Enačba preide v: 𝑠" = 𝑓
1
𝑠 +𝑧𝑅
2
𝑠 − 𝑓
+1
𝑠"=1
𝑓
Osnove laserske tehnike
Povečava v pasu žarka
48
Povečava je definirana kot razmerje med izhodnim in vhodnim polmerom pasov:
Limitni primeri:
𝑧𝑅 → 0 ⇒ 𝑤0" =𝑤
0
1−𝑠/𝑓 (divergenten vh. žarek)
𝑧𝑅 ≫ 𝑓 ⇒ 𝑤0" =𝑤
0𝑓
𝑧𝑅
=𝜆𝑓
𝜋𝑤0
= 𝑓𝜃 (kolimiran vh. žarek)
povečanje Rayleighove dolžine žarka:
𝑚 =𝑤0"
𝑤0
=1
1 −𝑠𝑓
2
+𝑧𝑅𝑓
2
𝑧𝑅" = 𝑧𝑅𝑚2
Osnove laserske tehnike
Fokusiranje laserskega žarka povzetek
49
Običajno je žarek pred fokusiranjem kolimiran. Takrat velja:
Z zmanjševanjem polmera gorišča se krajša tudi Rayleighova razdalja oziroma globinska ostrina.
Polmer gorišča se zmanjša:
s povečanjem vstopnega polmera žarka,
z zmanjšanjem goriščne razdalje in
s krajšo valovno dolžino svetlobe
𝑤0" =𝜆𝑓
𝜋𝑤0
𝑧𝑅" =𝜆𝑓2
𝜋𝑤02
𝑠" = 𝑓
Osnove laserske tehnike
Fokusiranje laserskega žarka povzetek
50
Minimalno smiselno razmerje f/w0 pogojujejo aberacije optičnega sistema.
V praksi je razmerje med f in vstopnim premerom žarka f/(2w0) običajno večje od 1.
zaslonsko število (f/dzaslonke)
Pre
me
r v
gori
šču
Uklonsko pogojen premer
Enojna plankonveksna leča
Lečje s korigirano aberacijo
Shematični prikaz učinka korekcij optičnih aberacij na minimalni premer žarka v gorišču:
V tem območju je premer v gorišču uklonsko pogojen – veljajo enačbe Gaussovega žarka
1
Osnove laserske tehnike
Razširjevalnik žarka
51
Če želimo doseči minimalni premer žarka v gorišču, je potrebno vstopni žarek razširiti tako, da razmerje f/(2w0) ustreza uklonsko načrtovanemu zaslonskemu številu.
To storimo z obrnjenim teleskopom, ki je lahko sestavljen iz ogledal ali lečja.
Osnovni parameter razširjevalnika je povečava - razmerje med premerom izhodnega in vstopnega žarka:
𝑑2𝑑1
=𝑓2𝑓1
d1
d1
d2
d2
f2 f1
Galilejev teleskop:
Keplerjev teleskop: f1 in f2 … goriščni razdalji 1. in 2. leče Tipične vrednosti povečave: od 2 do 20
Osnove laserske tehnike
Reflektorski razširjevalniki
52
Osnove laserske tehnike
Cilindrična leča lomi žarke le v eni osi
53
Osnove laserske tehnike
Uporaba cilindričnih leč za oblikovanje osnosimetričnega žarka
54
Laserska dioda običajno oddaja žarek eliptičnega preseka.
Z uporabo dveh cilindričnih zbiralnih leč lahko žarek kolimiramo tako, da ima osnosimetrični presek:
Osnove laserske tehnike
Uporaba cilindrične leče za tvorjenje svetlobne ravnine
55
Sferična zbiralna leča fokusira žarek v X osi
Cilindrična razpršilna leča „raztegne“ žarek v Y osi
Uporaba: • Laserska 3D profilometrija • Niveliranje • Obdelava materialov • Dinamika fluidov …
Osnove laserske tehnike
GRIN leča leča s spremenjlivim lomnim količnikom
56
Osnove laserske tehnike
Fresnelova leča
57
Z delitvijo na posamezne segmente je možno izdelati lečo z velikim premerom in kratko goriščno razdaljo.
Glede na konvencionalne leče ima Fresnelova leča veliko manjši volumen in posledično težo.
Uporaba: Predvsem v projekcijskih sistemih, žarometih, bliskavkah, svetilnikih,…
Osnove laserske tehnike
Optična vlakna
58
Svetlobni vodniki izdelani iz stekla ali polimera. Sestavlja jih:
jedro (večji lomni količnik) in
plašč (manjši lomni količnik).
Uporaba:
Telekomunikacije,
Fleksibilni laserski obdelovalni procesi,
Vlakenski laserji,
Senzorji na osnovi optičnih vlaken,
Medicina (endoskopija …)
Pomembna karakteristika vlaken so izgube svetlobne moči, ki so večinoma posledica sipanja in absorpcije. Izgube naraščajo z dolžino vlakna in se merijo kot:
𝐼𝑧𝑔𝑢𝑏𝑒 =10𝑙𝑜𝑔10(𝑃𝑖/𝑃𝑜)
𝐿 𝑑𝐵
𝑘𝑚 Pi … vhodna moč
Po … izhodna moč L … dolžina vlakna [km]
plašč jedro
Osnove laserske tehnike
Optična vlakna - izgube
59
Izgube v optičnih vlaknih so bile ob njihovi iznajdbi (l.1954) zelo visoke. Cca 1000dB/km.
Z razvojem (čistejši materiali, bolj gladke stene in ustrezna valovna dolžina) so se izgube zmanjšale na manj kot 1 dB/km!
Tipična karakteristika izgub v odvisnosti od valovne dolžine (kvarčno steklo – SiO2):
Valovna dolžina (mm)
Izgu
be
v vl
akn
u (
dB
/km
)
Absorpcijski vrhovi zaradi prisotnosti OH-
Rayleighovo sipanje svetlobe na osnovnih delcih – atomih, molekulah
Absorpcija v IR zaradi zgradbe snovi
Primer: Izgube = 1 dB/km L = 300 m Pi = 10 mW
𝑃𝑜 =𝑃𝑖
10(𝐿×𝐼𝑧𝑔𝑢𝑏𝑒/10)
𝑃𝑜 =10𝑚𝑊
10(0.3𝑘𝑚×1𝑑𝐵/𝑘𝑚/10)= 9.33 𝑚𝑊
Osnove laserske tehnike
Optična vlakna princip delovanja
60
Prenos svetlobe po optičnem vlaknu temelji na totalnem odboju na meji med jedrom in plaščem, pri čemer ima jedro višji lomni količnik od plašča (nj>np).
Največji vstopni kot am, pri katerem žarek še ostane v vlaknu, je odvisen od lomnih količnikov jedra nj, plašča np in okoliškega medija n0:
Zmnožek n0sinam se imenuje numerična odprtina – NA vlakna.
𝑛0𝑠𝑖𝑛𝛼𝑚 = 𝑛𝑗2 − 𝑛𝑝
2 = 𝑁𝐴
Osnove laserske tehnike
Optična vlakna princip delovanja
61
Primer:
okoliški medij je zrak: n0=1
jedro: nj=1.53
plašč: np=1.50
Na izstopni strani vlakna je kot širjenja žarkov (divergenčni kot) enak največjemu vstopnemu kotu am.
𝑁𝐴 = 1.532 − 1.52 = 0.301
𝛼𝑚 = sin−1(0.301) = 17.5°
am am
Osnove laserske tehnike
Širjenje svetlobe v optičnem vlaknu
62
Razmerje med premerom jedra in valovno dolžino ter lomini količniki jedra in plašča vplivajo na število rodov širjenja svetlobe v vlaknu.
Kadar je premer vlakna manjši od 𝑑 ≤2.405𝜆
𝜋𝑁𝐴, v njem potuje le en rod. Taka
vlakna imenujemo enorodovna.
Večrodovno vlakno:
Enorodovno vlakno:
Intenzitetna porazdelitev na izhodu:
Velja geometrijska optika!
Velja Gaussov model širjenja svetlobe!
d
d
Osnove laserske tehnike
Primer: Fokusiranje žarka – večrodovno vlakno
63
Kakšne morajo biti razdalje med konico vlakna, zbiralne lečo in obdelovancem, da bo premer žarka na obdelovancu znašal dF=500mm?
Kakšen mora biti premer leče DL?
Podatki vlakna: n0=1, nj=1.53, np=1.50 in premer jedra: d=400mm
Goriščna razdalja leče: f=40mm
f
o i
am d dF
vlakno
obdelovanec
DL
F
Osnove laserske tehnike
Primer: Fokusiranje žarka – večrodovno vlakno
64
Primer obravnavamo kot preslikavo po zakonih geometrijske optike.
1. Optična povečava:
2. Iz enačbe za preslikavo izračunamo razdalji i in o:
3. Minimalni premer leče izračunamo iz numerične odprtine vlakna:
POZOR: f/D=0.93 -> zelo težko je doseči tako majhno razmerje f/D!! Potrebna uporaba lečja s korekcijo aberacij oziroma optičnega vlakna z manjšo numerično odprtino!
1
0.8𝑖+
1
𝑖=
1
𝑓 ⇒ 𝑖 =
1.8
0.8𝑓 ⇒ 𝒊 = 𝟗𝟎𝒎𝒎 , 𝒐 = 𝟕𝟐𝒎𝒎
𝑚 =ℎ𝑖ℎ𝑜
= −𝑖
𝑜=−500
400= −1,25 ⇒ 𝑜 = 0,8𝑖
𝑁𝐴 = 1.532 − 1.52 = 0.301
𝐷𝐿 = 2𝑜 ∙ 𝑁𝐴 = 𝟒𝟑. 𝟑𝒎𝒎
Osnove laserske tehnike
Primer: Fokusiranje žarka – enorodovno vlakno
65
Preverite, da je optično vlakno premera d=2.7 mm enorodovno za svetlobo valovne dolžine l=1.07 mm. Podatki vlakna: n0=1, nj=1.53, np=1.50.
Fokusirna optika sestoji iz dveh leč: kolimacijske fK=20 mm in fokusirne fF=100 mm. Določite Rayleighovo razdaljo zR" in premer žarka v gorišču dF.
Določite zaslonski števili obeh leč in komentirajte vpliv optičnih aberacij!
s=fK s"=fF
q d = 2w0 dF=2w“0
Enorodovno vlakno
obdelovanec
DK=2wK
FF
FK
zR zR"
Osnove laserske tehnike
Primer: Fokusiranje žarka – enorodovno vlakno
66
1. Maksimalni premer enorodovnega vlakna:
2. Izhodni laserski žarek obravnavamo kot Gaussov žarek, pri čemer je premer pasu enak premeru jedra optičnega vlakna. Najprej izračunajmo zR na izhodu:
Ker je zR mnogo manjši od fK, preide Self-ova enačba v klasično geometrijsko preslikavo. Žarki za kolimacijsko lečo so vzporedni, ko gorišče sovpada s pasom:
Enako velja, da mora biti razdalja med fokusirno lečo in obdelovancem enaka fF.
𝑑𝑚𝑎𝑥 =2.405𝜆
𝜋𝑁𝐴=
2.405∙1.07
𝜋∙0.301= 𝟐. 𝟕𝟐𝝁𝒎 > 𝟐. 𝟕𝝁𝒎 …premer je ustrezen
1
𝑠 +𝑧𝑅
2
𝑠 − 𝑓𝐾
+1
𝑠𝐾"=
1
𝑓𝐾 𝑧𝑅→0
1
𝑠+
1
𝑠𝐾"=
1
𝑓𝐾 𝑠𝐾"→∞
𝒔 = 𝒇𝑲 = 𝟐𝟎𝒎𝒎
𝑧𝑅 =𝜋𝑤0
2
𝜆=𝜋1.352
1.07= 𝟓. 𝟒𝝁𝒎
𝒔" = 𝒇𝑭 = 𝟏𝟎𝟎𝒎𝒎
Osnove laserske tehnike
Primer: Fokusiranje žarka – enorodovno vlakno
67
3. Polmer žarka za kolimacijsko lečo izračunamo iz divergenčnega kota:
4. Polmer v gorišču fokusirne leče je tako:
5. Rayleighova razdalja v gorišču je:
Enak rezultat dobimo, če jo izračunamo iz novonastalega pasu:
𝑤"0 =𝜆𝑓𝐾𝜋𝑤𝐾
=1.07 ∙ 100𝐸3
𝜋5.05𝐸3= 𝟔. 𝟕𝟓𝝁𝒎 ⇒ 𝒅𝑭 = 𝟏𝟑. 𝟓𝝁𝒎
𝑧𝑅" =𝜆𝑓𝐹
2
𝜋𝑤𝐾2=1.07 ∙ (100𝐸3)2
𝜋(5.05𝐸3)2= 𝟏𝟑𝟒𝝁𝒎
𝑧𝑅" =𝜋𝑤"0
2
𝜆=𝜋6,752
1.07= 𝟏𝟑𝟒𝝁𝒎
𝜃 =𝜆
𝜋𝑤0
=1,07
𝜋1,35= 0.252
𝑤𝐾 = 𝜃𝑓𝐾 = 0.252 ∙ 20 = 𝟓. 𝟎𝟓𝒎𝒎 ⇒ 𝑫𝑲 = 𝟏𝟎. 𝟏𝒎𝒎
Osnove laserske tehnike
Primer: Fokusiranje žarka – enorodovno vlakno
68
6. Zaslonski števili obeh leč določta njuni goriščni razdalji in premer kolimiranega žarka DK, pri čemer je potrebno zagotoviti, da sta dejanska premera leč večja od DK.
Zaradi majhnega zaslonskega števila kolimacijske leče, je pri enojni sferični leči izrazita sferna aberacija. Izbrati je potrebno korigirano lečo: akromat, asferična leča, …
𝑓𝐾
𝐷𝐾
=20
10= 2 … zaslonsko število kolimacijske leče
𝑓𝐹
𝐷𝐾
=100
10= 10 … zaslonsko število fokusirne leče
Osnove laserske tehnike
Nelinearna optika
69
Nelinearni pojavi nastanejo pri obsevanju snovi s svetlobo visoke intenzitete.
Tipična primera nelinearnih optičnih pojavov sta:
odvisnost lomnega količnika od intenzitete vpadne svetlobe ter
sprememba frekvence svetlobe.
Primer uporabe:
Podvajanje frekvence EM valovanja
Nd:YAG osnovna valovna dolžina: 1064nm, valovna dolžina podvojene frekvence: 532 nm
Seštevanje in odštevanje frekvenc
Prvič so takšne pojave demonstrirali l. 1961 z bliskovnim rubinovim laserjem.
Osnove laserske tehnike
Nelinearna optika fizikalni pojav
70
Svetloba pri prehodu skozi snov inducira nastanek električnih dipolov, ki so usmerjeni skladno s smerjo električnega polja E. Pravimo, da je snov električno polarizirana.
V osnovnih delcih se skladno s spreminjanjem električnega polja E(t) razmikajo tudi težišča + in – naboja.
Enostaven model osnovnega delca – enoelektronskega atoma:
Osnove laserske tehnike
Nelinearna optika fizikalni pojav
71
Pri visoki svetlobni intenziteti (tipično nad 106 W/m2) polarizacija P ni več linearno odvisna od električne poljske jakosti. Mehanska analogija: nelinearna karakteristika vzmeti:
Primerjava časovnega poteka polarizacije 𝑃(𝑡) pri linearnem in nelinearnem odzivu na harmonično vzbujanje 𝐸(𝑡) = 𝐴 cos 𝜔𝑡 :
El. polj. j.: E
Meh. An.: F
Polarizacija: P
Odmik: Dx
Analogne mehanske veličine
Linearna karakt. Nelinearna karakt.
t
P(t)
Dx(t) Linearna k.->sinusoidni odziv Nelinearna k.
Osnove laserske tehnike
Podvojevanje frekvence laserske svetlobe
72
Nelinearno karakteristiko P(E) lahko aproksimiramo s polinomom, ki je v najenostavnejši obliki druge stopnje:
𝑃 𝐸 = 𝑘0𝐸 + 𝑘1𝐸2
Časovno spreminjanje polarizacije je tako:
𝑃 𝑡 = 𝑃 𝐸 𝑡 = 𝑘0𝐴 cos 𝜔𝑡 + 𝑘1𝐴2 cos 2 𝜔𝑡
Z upoštevanjem trigonometrične identitete: cos 2 𝛼 =1+cos (2𝛼)
2, lahko
zapišemo:
𝑃 𝑡 = 𝑘0𝐴 cos 𝜔𝑡 +𝑘1𝐴
2
21 + cos 2𝜔𝑡
Vidimo, da v P(t) nastopi harmonik, katerega frekvenca je 2x gleden na E.
Časovno spreminjanje P povzroči nastanek svetlobnega valovanja z 2x frekvenco glede na vpadlo svetlobo!
Osnove laserske tehnike
Podvojevanje frekvence laserske svetlobe značilnosti
73
Pogosto uporabljeni kristali:
Litijev niobat (LiNbO3)
Kalijev titanil fosfat (KTP = KTiOPO4)
Kalijev dihidrogen fosfat (KDP = KH2PO4)
Litijev triborat (LBO = LiB3O5)
Zahteve za dober izkoristek pretvorbe (od 30% do 50%): Fazno ujemanje valovanj – lomna količnika za obe valovni dolžini morata
biti izenačena – izkoriščanje dvolomnosti.
Vzbujevalni žarek mora imeti visoko intenziteto – najpogosteje se uporablja bliskovno delovanje (Q-preklop)
NL kristali so lahko vgrajeni v resonator ali izven njega.
Osnove laserske tehnike
Podvojevanje frekvence laserske svetlobe primer: zelen laserski kazalnik
74
Nelinearni kristal (KTP) je vgrajen znotraj resonatorja. V njem se laserska svetloba spremeni iz 1064nm (IR) v 532 nm (zelena).
Obe zrcali sta dikroični in naparjeni na vstopni ploskvi aktivne snovi in na izstopni ploskvi KTP kristala:
Vstopno zrcalo je prepustno za vzbujevalno svetlobo LD (808nm), odbojno pa za 1064 nm in 532 nm.
Izstopno je prepustno za 532 nm in odbojno za 1064 nm.
Osnove laserske tehnike
Snovanje optomehanskih sistemov
75
Proces razvoja optomehanskih sistemov
Vplivi okolice
Optomehanski materiali
Pritrditev optičnih komponent
Osnove laserske tehnike
Proces razvoja optomehanskih sistemov ITERATIVNI PROCES!!!
76
Konceptualizacija – specifikacija želja, funkcionalnosti, …
Konstrukcijske zahteve in omejitve Sprejemljivost glede na želje, fizikalne omejitve, oblika, teža, velikost
Vplivi okolice,
Izdelovalni proces…
Preliminarna zasnova Katere optične komponente, laserji, senzorji,
pot žarka,
povezovalna konstrukcija
Analiza, dimenzioniranje, računalniška simulacija Interakcija svetlobe z obdelovancem/merjencem
Optika: gemetrijska in uklonska analiza – zmanjšanje aberacij na sprejemljiv nivo
Mehanika, kinematika, trdnost, deformacije, prenost toplote, …
Eksperimentalna simulacija laboratorijski prototip,
JOB SHOP
Finalna zasnova – dokumentacija
Izdelava sistema
Evalvacija
Osnove laserske tehnike
Vplivi okolja - 1
77
Temperatura Toplotni viri so lahko notranji (laser) ali zunanji (temperatura okolice –
projektno nihanje je običajno med -32 in +52°C) Vpliva na delovanje laserjev (sprememba moči, valovne d., smer žarka,
…) Vpliva na deformacije in notranje napetosti Termično lečenje – zaradi temperaturnega gradienta se spremeni oblika
optičnega elementa -> sprememba smeri žarkov Materialni parametri: toplotna prevodnost, svetlobna absorpcija,
specifična toplota, koeficient temperaturnega raztezka
Tlak Podtlak v plinskih laserjih, nadtlak pri nekaterih odelovalnih procesih
(rezanje, vrtanje) Možne deformacije zaradi tlačnih razlik Tesnenje Odvisnost lomnega količnika od tlaka v plinih – optična pot žarkov se
spremeni (smer in dolžina)
Osnove laserske tehnike
Vplivi okolja - 2
78
Mehanske sile in napetosti
Statične: Lezenje materiala
Dinamične: Utrujanje in tvorjenje razpok
Vibracije
Vzroki: transport, okolica, notranji viri (aktuatorji, …)
Izogniti se je potrebno resonanci posameznih komponent in sistema kot celote!
Občutljivi sistemi se vgrajujejo na vibroizolativno podlago – optične mize.
Osnove laserske tehnike
Vplivi okolja - 3
79
Vlaga
Sprememba optičnih in mehanskih lastnosti nekaterih materialov.
Lahko vodi do poškodb optičnih površin.
Posebej nevaren je pojav kondenza.
Zagotoviti je potrebno tesnenje in/ali učinkovito sušenje notranjosti.
Korozija
Kemična ali elektrokemična
Potrebna izbira ustreznih materialov
Nečistoče
Sipanje svetlobe, povečana absorpcija -> posledično slabši izkoristek, večja možnost poškodb optike, manjša natančnost, …
Vir: delci v zraku, prstni odtisi, produkti, ki nastajajo med laserskimi obdelavmi, …
Osnove laserske tehnike
Čiščenje optičnih površin
80
Tehniki: izpiranje, odpihavanje (čist zrak ali N2)
Tehniko izbiramo glede na trdoto optičnih površin. Dielektrični sloji so običajno trši v primerjavi s kovinskimi površinami.
Osnove laserske tehnike
Laserske poškodbe optičnih površin
81
Generacija laserskih bliskov visokih moči lahko povzroči nenadno katastrofalno poškodbo optičnih elementov.
Nevarnost poškodb je še posebej velika pri bliskovnih laserjih s Q-preklopom in faznim oklepanjem.
Poškodba optičnega materiala nastane nad določenim pragom svetlobne intenzitete. Ko je prag presežen se skokovito poveča absorpcija, ki vodi do nastanka razpok, razlojevanja plasti, luknjičavosti, …
Osnove laserske tehnike
Laserske poškodbe optičnih površin
82
Primer poškodbe površine KCl kristala (vir: Ready, Industrial applications of Lasers):
Poškodba je nastala z uporabo CO2 laserja ob bliskovni osvetlitvi z vršno intenziteto 108 Wcm2.
Pri nižji intenziteti je kristal prozoren.
Osnove laserske tehnike
Laserske poškodbe optičnih površin
83
Primer poškodbe rubinove laserske palice:
Poškodba je nastala po 20 bliskih z vršno močjo 200 MW.
Razpoke so vidne zaradi sipanja svetlobe HeNe laserja.
1
5 m
m
Osnove laserske tehnike
Primer poškodb večslojne dielektrične zrcalne plasti:
Laserske poškodbe optičnih površin
84
Osnove laserske tehnike
Primer nastajanja poškodbe na površini aluminija a) po prvem blisku, b) po 1000 bliskih:
Laserske poškodbe optičnih površin
85
Osnove laserske tehnike
Pri bliskovnih laserjih je prag poškodbe naveden kot gostota energije oziroma fluenca (J/cm2).
Na prag poškodbe vplivajo:
Trajanje bliska: daljši -> višji prag
Valovna dolžina svetlobe: krajša -> nižji prag
Število bliskov: večje -> nižji prag
NEČISTOČE in HRAPAVOST: predstavljajo nukleacijska mesta, kjer se svetlobna absorbira in pratvarja v toploto, ki vodi v naraščanje temperature: taljenje -> odparevanje -> nastanek plazme.
MATERIAL: primer – sestav leč ne sme biti zlepljen, saj ima lepilo mnogo nižji prag poškodbe v primeri s steklom.
Notranje napetosti (predvsem pri dielektričnih plasteh) znižujejo prag. Debelina plasti naj bo čim tanjša.
Laserske poškodbe optičnih površin
86
Osnove laserske tehnike
Optomehanski materiali
87
Prozorni
Reflektivni
Materiali za mehanske komponente
Lepila
Tesnila
Prevleke
Osnove laserske tehnike
Optomehanski materiali - prozorni
88
Uporaba za leče, prizme, okna, …
Optična stekla
Umetne mase
Kristali
Karakteristike:
Absorptivnost (funkcija valovne dolžine!)
Lomni količnik (funkcija valovne dolžine!)
Barvna disperzija – posledica odvisnosti lomnega količnika od valovne dolžine.
Moč disperzije popišemo Abbejevim številom: vd=(nd-1)/(nf-nc)
kjer so nd, nf in nc lomni količniki pri treh izbranih valovnih dolžinah.
Mehanske lastnosti
Obdelovalne lastnosti
Osnove laserske tehnike
Optomehanski materiali Materiali za mehanske komponente
89
Al. Zlitine Dobro razmerje med trdnostjo in težo Dobre obdelovalne lastnosti Slaba korozivna obstojnost -> anodizacija Veliki temperaturni raztezki
Nerjavna jekla Dobra korozivna obstojnost Majhni temperaturni raztezki Težavna obdelava nekaterih vrst
Baker Odlične električne in termične lastnosti (izmenjevalniki toplote, toplotni
mostovi, …) Dobra korozivna obstojnost
Drugo: Magnezij, Titan, Berilij, kompoziti
Osnove laserske tehnike
Optomehanski materiali lepila
90
Optična (spajanje leč, prizem, …) karakteritike: absorptivnost, lomni količnik, strižna trdnost, termični
raztezek.
Strukturna (medsebojno spajanje optičnih in mehanskih komponent) Enakomernejši prenos sil v primerjavi z vijačenjem -> manjša teža.
Pri laserskih bliskih visokih moči, uporaba optičnih lepil ni priporočljiva!
Osnove laserske tehnike
Pritrditev optičnih komponent
91
Pomembna izhodišča:
Pravilna in stabilna lega v prostoru,
Cenovna sprejemljivost – glede na namembnost
Pri laserjih visokih povprečnih moči je potrebno zagotoviti ustrezno odvajanje toplote ter omogočiti termično raztezanje
Osnove laserske tehnike
Vzroki za nepravilno lego v prostoru
92
Levo: nenatančno izdelani optični elementi.
Desno: nenatančno izdelana nosilna konstrukcija
Osnove laserske tehnike
Primeri pritrditve sferične leče - 1
93
Osnove laserske tehnike
Primeri pritrditve sferične leče - 2
94
Osnove laserske tehnike
Primeri pritrditve sferične leče - 3
95
Osnove laserske tehnike
Primer pritrditve cilindrične leče
96
Osnove laserske tehnike
Pritrditev plastičnih leč
97
Izdelovalni proces plastičnih leč omogoča večjo svobodo oblik, s čimer je možno poenostaviti način pritrditve.
Primeri brizganih plastičnih leč: Primer kompaktne vgradnje plastične leče pred slikovni senzor (primer: kamera v mobilniku):
Osnove laserske tehnike
Sestav dveh leč
98
Osnove laserske tehnike
Pritrditev prizmatičnih optičnih elementov - 1
99
Lega prizmatičnega elementa je določena s šestimi točkami, kot prikazuje spodnja skica:
Osnove laserske tehnike
Pritrditev prizmatičnih optičnih elementov - 2
100
kinematična izvedba delno kinematična izvedba
Osnove laserske tehnike
Pritrditev prizmatičnih optičnih elementov - 3
101
kinematična izvedba delno kinematična izvedba