Lazeriai
5 (100%) 1 vote

Lazeriai

Lazeriai ir netiesinė optika tampa inžinerijos dalimi

Valdas Pašiškevičius

Ne taip seniai viskas buvo paprasčiau. Turėjai telefoną patikimai dviem laidais prijungtą prie tinklo, susukdavai numerį, atsiliepdavo draugiška operatorė (kažkodėl ten dirbo daugiausia moterys) ir pasiūlydavo palaukti tol, kol sujungs. Kuo toliau skambini tuo ilgiau lauki. Viskas – logiška ir aišku. Dabar atrodo, kad tada ir visas gyvenimas slinko tuo pačiu anemišku greičiu. Viską pakeitė personalinis kompiuteris, kuris, kainai tolygiai krintant, tapo masinio vartojimo atributu. Labai greitai buvo suvokta, kad, sujungus kompiuterius į tinklus, atsiranda kokybiškai naujos galimybės keistis informacija. Po to atsirado Internetas, kuris vis dar plečiasi spartėjančiais tempais. Dar pridėkime mobiliuosius komunikacijų įtaisus, kurie tolydžio virsta kažkokiu telefono ir kompiuterio hibridu, ir staiga ima atrodyti, kad telefonų stočių operatorės gyveno kažkokioj nelabai realioj praeityje. Visos šitos evoliucijos, ar greičiau revoliucijos, pasekmė yra spartėjančiai augantis telekomunikacijų naudojamų dažnių juostos plotis. Tai – neišvengiama. Šiam reiškiniui netgi buvo sukurtas pavadinimas – dažnių juostos sprogimas (bandwidth explosion) – tiksliai apibūdinantis jo ekspansyvią galią. Elektroniniai įrenginiai ir perdavimo linijos aiškiai nebegalės patenkinti sparčiai augančių poreikių. Tradicines elektronikos technologijas tolydžio turės pakeisti fotonikos technologijos, kurios potencialiai yra pranašesnės tiek realiai pasiekiama perduodamų signalų sparta, tiek, pagaliau, ir kaina. Tai aiškiai suvokia ir telekomunikacijų kompanijos, ir mokslininkai, kurie dirba optikos ir lazerių fizikos srityse. Naujų fotonikos technologijų kūrimas jau senokai nebėra vien tik akademinio susidomėjimo objektas. Bendradarbiavimas tarp universitetų fotonikos laboratorijų ir komercinių kompanijų šiais laikais yra kaip niekad glaudus – pastarosios dažnai finansuoja net ištisų universitetinių tyrimo centrų veiklą. Mokslininkai, dirbantys fotonikos srityje, savaime suprantama, nelieka tik pasyvūs šio guvaus komercializmo idėjų stebėtojai. Kaip grybai po lietaus visame pasaulyje dygsta naujos fotonikos kompanijos, steigiamos tiek ką tik disertacijas apgynusių daktarų, tiek ir jau pražilusių profesorių. Šiame kontekste norėčiau plačiau papasakoti apie darbus lazerių ir netiesinės optikos srityje, kurie atliekami Karališkajame technologijos institute Stokholme. Čia reikėtų papildomai informuoti, kad tiriamųjų darbų finansavimas šioje aukštojoje mokykloje yra pačių mokslininkų rūpestis, nes Švedijos vyriausybė šiems tikslams neskiria jokių papildomų resursų. Kadangi visi finansai, įskaitant tyrinėtojų atlyginimus, gaunami tik konkurso tvarka iš įvairių privačių ir valstybinių fondų, tyrimo kryptis privalu orientuoti į naujausių technologijų plėtojimą ir kartu turėti omenyje praktinius taikymus.

Miniatiūriniai funkcionalūs lazeriai

Miniatiūrizacija, funkcionalumas, efektyvumas ir maža kaina – tai tie magiški šūkiai, kurie skatino mikroelektronikos revoliuciją ir atvedė iš vakuuminių lempų gadynės į šiuolaikinį mikroprocesorių amžių. Tie patys šūkiai puikiai tinka ir naujoms tendencijoms kieto kūno lazerių technologijoje apibūdinti. Kol lazeriai buvo naudojami tik moksliniams tikslams, niekas labai nesirūpino jų gabaritais, efektyvumu ar kaina. Tiesą sakant, tada nebuvo pasirinkimo, nes kieto kūno lazeriai buvo kaupinami Xe ar Kr lempomis, kurių emisijos spektras yra žymiai platesnis nei lazerinio kristalo sugerties linijos, o be to, spinduliuotė yra nekryptinga. Dėl šių priežasčių bendras lempomis kaupinamų kieto kūno lazerių efektyvumas buvo tik apie 2 proc. Dėl mažo lempų spinduliuotės skaisčio (brightness) tekdavo naudoti ilgus, 5-10 cm ilgio ir mažo legiravimo laipsnio lazerinių kristalų strypus, kad būtų išplėšti keli vatai lazerio galios.

Padėtis iš esmės pasikeitė atsiradus patikimiems ir didelės galios lazeriniams diodams, kurie imti naudoti kieto kūno lazerių kaupinimui. Nors elektrinis išlydžio lempų efektyvumas (70 proc.) yra kiek didesnis nei lazerinių diodų (50 proc.), pastarųjų siauro spektro ir didelio krytingumo spinduliuotė leido daugiau nei viena eile padidinti bendrą elektrinės galios vertimo į optinę efektyvumą kieto kūno lazeriuose (iki 20-30 proc.). Padidinus lazerių efektyvumą, gerokai sumažėjo išsiskiriančios šilumos kiekis tiek lazeriniame elemente, tiek ir elektronikoje ir buvo galima stipriai supaprastinti šaldymo sistemą, o mažesnės galios lazeriuose jos iš viso atsisakyti. Iš kaupinimo diodų gaunamas didelis spinduliuotės skaistis taip pat leido naudoti trumpus (tik apie 1 mm ilgio) ir didelio legiravimo lazerinius kristalus bei sutrumpinti lazerio rezonatorių iki kelių milimetrų. Tokiame kaupinamame lazeriniais diodais kompaktiškame rezonatoriuje nesunkiai generuojama beveik ideali, vienos skersinės modos spinduliuotė netgi prie didelių kaupinimo galių. Toliau – dar paprasčiau. Lazerinių diodų kaupinamo lazerio rezonatorių galima padaryti monolitinį, užgarinant dielektrinius veidrodžius tiesiai ant lazerinio kristalo paviršiaus. Tuo būdu atsikratoma papildomų mechaninių elementų rezonatoriaus viduje, dėl ko padidėja lazerio stabilumas, supaprastėja jo konstrukcija
ir iš esmės sumažėja jo kaina. 1 pav. Lazerinių diodų (LD) kaupinamo miniatiūrinio kieto kūno lazerio schema. Lazerio aktyvi terpė Nd jonais legiruotas YAG kristalas, o Cr legiruotas YAG dirba kaip pasyvus absorberis.

Miniatiūriniai monolitiniai lazeriai gali generuoti tiek nuolatinę, tiek ir impulsinę spinduliuotę. Paprasčiausia tokio impulsinio lazerio schema pavaizduota 1 pav. Monolitinio kieto kūno lazerio rezonatorių čia sudaro 0,3 mm storio Nd3+:YAG sluoksnis, ant kurio terminės difuzijos būdu pritvirtintas 0,7 mm storio Cr4+:YAG įsisotinantis absorberis ir iš abiejų pusių užgarinti dielektriniai veidrodžiai. Toks monolitinis rezonatorius tiesiogiai kaupinamas lazeriniu diodu, kuris sumontuotas tiesiai ant termoelektrinio elemento, kad būtų galima optimizuoti diodo spinduliuotės bangos ilgį ties stipriausia Nd3+:YAG sugerties linija (808 nm). Šis kieto kūno lazeris generuoja 1064 nm bangos ilgio spinduliuotę su idealia TEM00 skersine moda. Kadangi lazerio rezonatorius yra toks trumpas, viso labo 1 mm, tai generuojamų impulsų trukmė yra mažesnė nei 10-9s, o spinduliuotės galia impulse siekia net 10 kW. Tokio tipo lazeriai gali būti realizuojami ne tik naudojant Nd3+ jonais legiruotą YAG kristalą, bet daugelį kitų legiruotų kristalų bei stiklų, ir tuo pačiu metu gaunamos spinduliuotės su skirtingais bangos ilgiais (pvz., diodu kaupinamas Er ir Yb legiruoto fosfatinio stiklo lazeris generuoja 1535 nm bangos ilgio kilovatinius impulsus). Monolitinio lazerio rezonatoriaus idėja yra patraukli dar ir dėl to, kad sumažėja parazitiniai nuostoliai, kurie susiję su atspindžiais nuo optinių elementų paviršių rezonatoriaus viduje. To dėka nesunku realizuoti monolitinius žiedinius bėgančiosios bangos rezonatorius, generuojančius labai stabilią vienadažnę spinduliuotę, kurios bangos ilgis gali būti perderinamas kHz tikslumu. Vienas tokio monolitinio lazerio pavyzdys parodytas 2 pav. Šie lazeriai buvo sukurti mūsų kolegų iš Hannoverio lazerinio centro, kurie vėliau įkūrė sėkmingai dirbančią kompaniją šiems lazeriams komercializuoti. Dėl unikalaus bangos ilgio ir spinduliuotės galios stabilumo šie lazeriai bus naudojami net gravitacinių bangų detektoriuose. 2 pav. Superstabilus monolitinis diodų kaupinamas lazeris, sukurtas InnoLight GmbH firmoje.

Šiuo metu Jūs matote 36% šio straipsnio.
Matomi 1086 žodžiai iš 3018 žodžių.
Peržiūrėkite iki 100 straipsnių per 24 val. Pasirinkite apmokėjimo būdą:
El. bankininkyste - 1,45 Eur.
Įveskite savo el. paštą (juo išsiųsime atrakinimo kodą) ir spauskite Tęsti.
SMS žinute - 2,90 Eur.
Siųskite sms numeriu 1337 su tekstu INFO MEDIA ir įveskite gautą atrakinimo kodą.
Turite atrakinimo kodą?
Po mokėjimo iškart gausite atrakinimo kodą, kurį įveskite į laukelį žemiau:
Kodas suteikia galimybę atrakinti iki 100 straispnių svetainėje ir galioja 24 val.