Randamentul Laserilor

Randamentul Laserilor

Forma liniei fluorescente a laserului,Limitele fluorescentei,Randamentul laserului sub forma unei curbe,Extinderea liniei de fluorescenta,Randamentul in bucla,Diagrama nivelelor energetice intr-un laser cu patru nivele,Randamentul semnalului mic, 'Gaura de ardere' in curba de randament a laserului, Diferite tipuri de laser si caracteristicile lor
Cateva observatii

Puterea unui laser la un anumit moment este determinata in principal de doi factori de conflict: randamentul mediului activ si pierderile din laser. Randamentul mediului activ depinde de inversarea populatiei,forma liniei de fluorescenta si de emisia spontana. Pierderile includ si reflectii datorate oglinzilor, absorbtia radiatiilor in interiorul mediului activ din cauza absorbtiei si dispersiei plus pierderile cauzate de difractie datorate marimii finite a componentelor laser.
O conditie necesara pentru lasing este ca traseul parcurs de fascicul intre oglinzi sa obtina un randament care trebuie sa depaseasca sau, cel putin, sa fie egal cu pierderile.

Forma liniei de fluorescenta a laserului

Declansarea fenomenului laser in interiorul materiei este posibila numai pentru acele lungimi de unda pentru care materialul are emisie fluorescenta. Linia de fluorescenta este descrisa prin reprezentarea grafica a emisiei spontane de radiatie in functie de frecventa (sau lungimea de unda), pentru anumite tranzitii laser. Figura 5.1 descrie schema nivelelor energetice a laserului cu heliu neon.
Principalele tranzitii in spectrul vizibil sunt in domeniul lungimii de unda a rosului:635nm

Forma liniei de fluorescenta

Linia de fluorescenta este descrisa de reprezentarea grafica a emisiei spontane de radiatii in functie de frecventa (sau de lungimea de unda) pentru o anumita tranzitie laser. In figura 5.1 pentru laserul cu He-Ne a fost o tranzitie intre E₅ si E₂. Cand tranzitia este intre nivelurile inguste, linia de fluorescenta este ingusta. Cu cat linia de fluorescenta este mai ingusta cu atat mai usor (mai putina energie necesara) sa se obtina o inversare a populatiei. Forma ideala a liniei de fluorescenta este un maxim al pulsului cu latime apropiata de zero, asa cum este descris in figura 5.2.

Figura 5.1: Diagrama nivelurilor energetice a laserului cu Heliu-Neon.

In realitate, fiecare nivel de energie are o latime finita, asa cum este descris in figura 5.3. Astfel, multe tranzitii pot aparea intre diferite regiuni, in partea superioara nivelului laser pana in regiuni laser de nivel inferior. Toate aceste tranzitii,descrise grafic in functie de frecventa, determina forma liniei de fluorescenta ca in figura 5.3.

Domeniul Fluorescentei

Toate liniile care reprezinta emisiile spontane, reprezentate grafic in functie de frecventa, alcatuiesc linia continua de fluorescenta descrisa in figura 5.4.

Figure 5.4: Linia de fluorescenta.

Latimea liniei de fluorescenta este masura adancimii liniei de fluorescenta la jumatate din inaltime:Adancimea Maxima la Jumatate din Maxim.

Expresia Matematica a Domeniului Fluorescentei

Domeniul fluorescentei este exprimat de lungimi de unda, sau frecvente, din doua puncte de pe graficul emisiei spontane la jumatate din inaltimea maxima.

Latimea de banda (Dl) este mult mai mica decat celelalte lungime de unda in parte (Dl << l₁, l₂).Astfel se poate folosi aproximarea: l₁ · l₂ =λ²

l₀ = lungimea de unda la centrul spectrului de emisie al laserului.Rezultatul este:

Similar:

Aceste relatii sunt utile pentru determinarea coerentei laserului.

Curba de Randament

Exista multe asemanari intre forma curbei de randament si linia de fluorescenta.Acestea se datoreaza datorita faptului ca mediul activ are o curba de randament care este direct proportionala cu latimea de banda a liniei de fluorescenta a emisiei spontane. Cand discutam despre latimea de banda, este important sa se faca distinctie intre latimea de banda a laserului, si latimea de banda a modului longitudinal, care poate sa contina mai multe moduri longitudinale. Figura 5.5 descrie atat curba de randament a laserului cat si modurile longitudinale din cavitate.
  Fiecare dintre modurile longitudinale are propria latime de banda, si emite la o anumita intensitate.

Extinderea Liniei de Fluorescenta

Anumite mecanisme sunt responsabile pentru extinderea latimii de banda a unui laser:
  1. Extinderea naturala.
  2. Extinderea Doppler.
  3. Extinderea prin presiune.
Pentru multe aplicatii, in special atunci cand coerenta temporala este necesara, o mica latime de banda a lungimii de unda a fasciculului laser este necesara.

1. Extinderea naturala.

Acest extindere este intotdeauna prezenta, si vine de la timpul de tranzitie finit de la nivelele superioare laser la nivelul inferioare. Latimea de banda naturala este ingusta: 10⁴ 10⁸ Hz, in comparatie cu frecventa radiatiei luminii vizibile: 10¹⁴ Hz. Fiecare nivel de energie are latime(DE) precum si o durata de viata specifica (Dt).
Extinderea naturala rezulta din principiul incertitudinii lui Heisenberg:

Exemple numerice:

Dt = 10^-8 s = = > Dn = 10⁸ Hz

Dt = 10^-4 s = = > Dn = 10⁴ Hz

Cu cat este mai mare timpul de tranzitie a nivelului de energie,cu atat este mai ingusta latimea de banda

2. Extinderea Doppler.

Schimbarea Doppler este un fenomen bine cunoscut in miscarea undelor. Aceasta se produce atunci cand sursa este intr-o miscare relativa fata de receptor. Frecventa detectata este mutata cu o valoare stabilita de viteza relativa intre sursa si receptor. Deoarece moleculele de gaz sunt in permanenta miscare, in mod aleatoriu si in directii aleatoare, fiecare molecula emite lumina in timp ce se deplaseaza relative in raport cu axa laser intr-o directie diferita. Aceste distributii de schimburi de frecventa determina extinderea latimii de banda. Extinderea Doppler apare in special in cazul laserelor cu gaz, ca urmare a miscarii moleculelor de gaz. Apare cel mai des in cazul laserilor cu mediu activ gazos la presiune mica.


3. Extinderea datorata presiunii(coliziunilor).

Presiunea care determina extinderea apare in special la laserii cu gaz. Aceasta este cauzata de coliziuni intre moleculele de gaz.Extinderea cauzata de presiune este cea mai mare extinderea in cazul laserilor cu gaz cu presiune mai mare de 10 mm Hg.Pe masura ce presiunea creste,si extinderea creste.
La presiune constanta (P), in timp ce temperatura (T) creste V creste in conformitate cu legea gazelor perfecte:

Avand in vedere ca volumul (V), creste, scade numarul de coliziuni. Astfel, extinderea datorata presiunii (coliziunilor) scade.
Exemple numerice:
    1.La temperatura camerei, latimea de banda a laserului cu CO₂ cu presiunea gazului de 10 Torr este de 55 MHz.
    2.La temperatura camerei, latimea de banda a laserului cu CO₂ cu presiunea gazului de 100 Torr este de 500 MHz.
    3.Peste 100 Torr, cresterea ratei de extinderea este de aproximativ 6.5 MHz pentru fiecare crestere de presiune de 1 Torr.

Extinderea latimii de banda

Figura 5.6 arata efectele extinderii latimii de banda a fluorescentei

Figure 5.6: Extinderea liniei de fluorescenta

Un exemplu tipic de laser cu heliu neon are urmatoarele caracteristici:
Centrul de frecventa a radiatiei emise: 4.74 . 10¹⁴ Hz.
Latimea de banda a modului longitudinal: 1 KHz = 103 Hz.
Latimea de banda a cavitatii optice: 1 MHz = 10⁶ Hz.
Latimea de banda naturala: 100 MHz = 10⁸ Hz.
Doppler linewidth: 1500 MHz = 1,5 . 10⁹ Hz.

Masuratori pentru determinarea duratei de viata a Fluorescentei

Durata de viata a unui nivel superior de energie poate fi masurata prin observarea emisiei fluorescente de la nivel superior Em la orice alt nivel mai mic En imediat dupa un scurt puls de lumina de pompare aplicat pe un mediu active solid a unui laser, sau un scurt puls de curent trimis printr-un sistem gazos, ridica un numar de atomi din starea initiala pana la nivelul superior.
Sursa de pompare poate fi un laser. Figura 5.7 ilustreaza acest tip de masurare a duratei de viata a fluorescentei pe un esantion cu ajutorul unui scurt puls laser. Un filtru optic blocheaza cea mai mare parte a luminii de excitatie, pentru ca numai fluorescenta care se descompune exponential sa ajunga la detector.Intensitatea masurata a emisiei fluorescente in anumite tranzitii m → n o sa fie proportionala cu rata descompunerii radiatiilor γ_mn in acea tranzitie si pentru o populatie de pe un nivel superior ca o functie de timp

Randamentul in bucla

De fiecare data cand radiatia laser trece prin mediul activ, este amplificata. Contrar amplificarii radiatiilor, exista o serie de pierderi:
    1. Pierderile datorate absorbtiei si difuziei in cadrul oglinzilor.
    2. Radiatiile emise prin cuplajul de iesire.
    3. Difuzia si absorbtia din mediul activ, precum si in peretii laterali ai laserului.
    4. Pierderi datorate difractiei, din cauza dimensiunilor finite ale componentelor laser.
Aceste pierderi cauzeza neparticiparea unor radiatii in cadrul procesului laser. O conditie necesara pentru procesul laser este ca amplificarea sa fie un pic mai mare decat toate pierderile.
Randamentul in bucla este definit ca fiind un "castigul" net (amplificarea - pierderi)pe care radiatia il obtine intr-un traseu dus-intors prin mediul activ. Acesta este masurat ca fiind raportul dintre intensitatea radiatiei intr-un anumit plan (perpendicular pe axa laser), si intensitatea radiatiilor in acelasi plan dupa o trecere dus-intors prin mediul activ.

Randamentul in bucla (G_L)

Figura 5.7 arata traseul dus-intors al radiatiei prin mediul activ.Traseul este impartit in sectiuni numerotate de la pct. 1-5, in timp ce punctul '5' este acelasi punct ca '1'.

Figure 5.7: Traseul dus-intors al fasciculului in cavitatea optica

Prin definitie,Randamentul in bucla este definit ca:

G_L -Randamentul in bucla.
E₁ - Intensitate radiatiilor la inceputul buclei.
E₅ - Intensitate radiatiilor la sfarsitul buclei.


Calcularea Randamentului in Bucla (G_L) Fara Pierderi

Pe traseul de la punctul '1' la punctul '2', radiatia trece prin mediul activ si este amplificata.
Vom defini:
G_A - randamentul mediului activ

Astfel:

Pentru simplificare, presupunem ca lungimea mediului activ este egala cu lungimea cavitatii, astfel incat mediul activ "ajuta" lungimea cavitatii laser. Pe traseul de la punctul '2' la punctul '3',radiatia este reflectata de oglinda cu un grad mare de refelctivitate R₁ (aproape de 100%). Ca urmare:

Pe traseul dintre punctul 3 si punctul 4,radiatia trece din nou prin mediul activ si este amplificata.Astfel:

Pe traseul dintre punctul 4 si punctul 5 radiatia este reflectata de cuplajul de iesire cu reflectivitatea R₂.Astfel:

Astfel,se inchide bucla.

Calcularea Randamentului in Bucla (G_L) cu pierderi

Presupunem ca pierderile au loc in mod uniform de-a lungul lungimii cavitatii (L). In analogie la formula lui Lambert pentru pierderi, vom defini coeficientul de pierderi (a) si folosindu-l putem defini factorul de absorbtie M:

M - factorul de pierderi, descrie partea relativa a radiatiilor care raman in cavitate dupa toate pierderile urmate dintr-un traseu dus-intors intr-o bucla in interiorul cavitatii. Toate pierderile intr-o bucla dus-intors in interiorul cavitatii sunt (1 - M).
-a coeficientul de pierderi (in unitati de lungime de peste 1).
2l - lungimea traseului, care este de doua ori lungimea de cavitate.
Adaugarea factorului de pierderi (M) in ecuatia (5.11) :

Din aceasta relatie putem calcula randamentul in bucla:

Asa cum am presupus distributia uniforma a coeficientului de pierderi (a), definim acuma coeficientul de marire b si presupunem ca randamentul mediului activ G_A este uniform distribuit de-alungul lungimii cavitatii optice.

Substituind ultima ecuatie din randamentul in bucla obtinem:

Calcularea Pragului de Randament

In cazul in care bucla de randament G_L> 1, intensitatea fasciculului va creste dupa ce trece printr-un traseu dus-intors prin laser.
In cazul in care bucla de randament GL <1, intensitatea fasciculului va scadea dupa ce va trece printr-un traseu dus-intors oscilant de degradare, si nu va fi emis niciun fascicul.
Exista un prag conditional pentru amplificare, in scopul de a crea oscilatii in interiorul
laserului. Acest prag este, de obicei, marcat cu "th".Pentru laserul cu functionare continua conditia este:

Din (5.18):

Diagrama nivelelor energetice intr-un laser cu patru nivele

In figura 5.7, o diagrama a nivelelor energetice intr-un laser cu patru nivele este prezentata:

Atunci cand oglinzile cavitatii sunt indepartate, deoarece nu exista niciun fenomen laser,inversiunea populatiei va ramane aproape constanta. Numai emisia spontana din nivelul energetic E3 spre E2 continua. Astfel, randamentul mediului activ(G_A) este aproape constant. Acest randament se numeste 'randamentul semnalului mic' (atunci cand nu exista nici un proces laser), si acesta este randamentul maxim al mediului activ.

Randamentul semnalului mic

De obicei,numim randamentul mediului activ pentru o singura trecerea de-a lungul mediului activ ca randamentul semnalului mic. Putem sa il masuram intr-un mod simplu printr-o trecere prin mediul activ a unui fascicul laserde la aceeasi lungime de unda, sau un fascicul laser reglabil.
Urmatoarea figura prezinta cum poti masura randamentul semnalului mic a unui laser cu mediu activ gazos CO₂ si regim de lucru pulsatoriu. Consideram un laser cu CO₂ ETA (laser cu CO2 excitat transversal la presiune atmosferica).

Fig.5.9 Schema masurarii randamentului semnalului mic

Dintr-un laser cu CO2, fasciculul este transmis prin descarcare unui laser ETA.Inversiunea populatiei apare in laserul ETA ca intr-o functionare normala, dar cavitatea rezonanta a fost eliminata. Deci, in timpul excitatiei in puls a mediului activ o amplificare ar putea fi masurata, fara influenta pozitiva data de oglinzi. Raportul dintre semnalul, care este obtinut in timpul excitatiei in puls si nivelul constant a fasciculului de intrare ne ofera informatia de care avem nevoie in legatura cu randamentul semnalului mic.

"Gaura de ardere" in curba de randament a laserului

Randamentul mediului activ depinde de inversarea populatiei si de forma liniei de fluorescenta. Procesul laser in sine influenteaza acest randament, deoarece schimba conditiile inversiunii populatiei. Emisia stimulata cauzeaza depletia nivelului superior si reduce inversiunea populatiei. Astfel, randamentul este redus pana cand pomparea creste nivelul populatiei din nivelul superior de energie din nou.
In cazul in care oglinzile sunt puse inapoi in interiorul cavitatii, fenomenul laser apare, si inversiune populatiei scade, reducand astfel randamentul. In acest caz, se obtine 'randamentul de saturatie', si este intotdeauna mai mic decat randamentul semnalului mic.

Curba randamentului mediului activ cu si fara aparitia fenomenului laser -Gaura de ardere

In figura 5.10, randamentul semnalului mic si randamentul de saturatie sunt reprezentate grafic in functie de frecventa.

Figure 5.11: Curba de randament a mediului activ cu si fara "Gaura de ardere"

Curba randamentului semnalului mic apare identica cu fluorescenta 0)(figura 5.4), cu un maxim de la frecventa a modului de baza (n₀). Valoarea randamenului de saturatie scade pentru fiecare mod laser de la randamentul semnalului mic pana la pragul de randament (G_A) _th. Acest proces este numit 'gaura de ardere', in curba randamentului.
In fiecare moment, cea mai mare parte a energiei stocate in interiorul mediului activ nu este utilizata pentru a crea radiatii laser.

Laserul cu functionare continua

Intr-un laser cu functionare continua, aflat intr-un echilibru al procesului laser, randamentul in bucla (G_L) este intotdeauna '1'. In aceasta stare, valoarea randamentului pentru fiecare mod longitudinal laser scade de la valoarea semnalului mic pana la pragul de randament, (GA)_th, care este egal cu pragul de saturatie. Cresterea pompajului provoaca o crestere a puterii laserului. Sistemul se va stabiliza la o putere mai mare in cazul in care randamentul in bucla va fi egal cu pragul de randament.
Concluzii pentru laserul cu functionare continua:
    1.Randamentul de saturatie a mediului activ este egal cu pragul de randament (G_A)_th
    2.Randamentul in bucla in starea de echilibru este intotdeauna egal cu '1'.

Laserul cu functionare pulsatorie

Laserul cu functionare pulsatorie este pompat cu o mare intensitate pentru o perioada scurta de timp. Ca rezultat, randamentul mediului activ, si randamentul in bucla sunt mult mai mari decat pentru laserul cu functionare continua, astfel incat puterea de iesire este mai mare. Vom explica principiul de functionare a unui laser in regim pulsatoriu si mediu activ solid:rubinul.

Forma pulsului unui laser cu rubin

Figura 5.12 descrie forma unui singur puls, dintr-un laser cu rubin, in comparatie cu pulsul de pompare de la lampa flash.

Figure 5.12: Un singur puls dintr-un laser cu rubin, comparat cu plusul de pompaj al lampii flash

Pulsul laser este de aproximativ 1 millisecunda, si este alcatuit din sute sau mii de mici impulsuri. Fiecare din cele mici impulsuri este numit un varf ascutit, si dureaza o microsecunda.Aceste varfuri apar in mod aleatoriu in timp, si sunt diferite unele de altele, in lungime si putere. De obicei, numai intregul pulsul este masurat, fara a lua in considerare fiecare varf.Cronometrand intregul puls, si masurand energia sa vom calcula puterea medie pe puls.
In figura 5.12 se poate observa ca pulsul laser incepe dupa o perioada scurta de timp de la pulsul pompare a lampii flash. Aceasta este perioada de timp necesara mediului activ pentru a ajunge la pragul randament pentru a incepe procesul laser.


Analiza unui singur puls dintr-un laser cu mediu activ solid

Latimea de banda a unui fascicul dintr-un laser cu mediu activ solid este mai mare de 30 GHz. Fiecare linie are sute de moduri longitudinale in ea. Pentru fiecare din aceste moduri, procesul descris in figura 5.12 se aplica.

Figure 5.13: Randamentul si puterea de iesire dintr-un laser cu mediu activ solid si functionare in puls

1. Incepand din t1,randamentul mediului activ si randamentul in bucla cresc rapid, ca urmare a pomparii continue puternice.
    2. La momentul t2, randamentul mediului activ atinge valoarea de prag, precum si randamentul in bucla atinge valoarea '1' - procesul laser incepe.Randamentul mediului activ si randamentul in bucla continua sa creasca deoarece puterea de iesire nu a ajuns la valoarea de saturatie care cauzeaza 'gaura de ardere', in curba randamentului.
    3. Pana la momentul t3, valoarea ridicata a randamentului in bucla cauzeaza pulsuri intense de radiatie laser.
  Astfel, randamentul mediului activ scade sub valoarea de prag. Atunci cand valoarea randamentului in bucla este mai mica de '1', procesul laser se opreste, si intregul proces incepe din nou, atat timp cat pomparea continua .
Fiecare mod longitudinal laser incepe in momente diferite, cu un alt foton. Exista o concurenta intre modurile longitudinale pe energia din interiorul mediului activ. Astfel, caracterul aleatoriu al varfurilor:Fiecare varf are propria putere si de durata de viata.

Diferite tipuri de laser si caracteristicile acestora

Laserii pot fi impartiti in grupuri in functie de diferite criterii:
1. Tipul mediului activ: solid, lichid, gazos, sau plasma.
2. Gama spectrala: spectrul vizibil, infrarosu (IR), etc
3. Metoda de pompare a mediului activ: pompare optica, pompare electrica, etc
4. Caracteristicile radiatiilor emise de laser.
5. Numarul de niveluri de energie, care participa la procesul laser.

Mediul Activ

Materialul folosit ca mediu activ determina:
    1. Lungimea de unda a laserului.
    2. Metoda preferata de pompare.
    3. Puterea de iesire a laserului.
    4. Eficienta sistemului laser.
Doua cerinte de baza pentru procesul laser:
    1. Inversare populatiei intre nivelele superioare si inferioare de energie.
    2. Mediul activ trebuie sa fie "transparent" fata de lungime de unda a fasciculului de iesire.
Mediul activ determina cea mai mare parte a proprietatilor laser, si acesta este motivul pentru care numele laserului este derivat din numele mediului activ.

Laserii cu mediul activ gazos

Cele mai multe elemente pot fi facute sa participe la procesul laser atunci cand sunt in stare gazoasa. De asemenea, multe molecule (compuse din cativa atomi fiecare) au fost demonstrate ca pot participa la procesul laser. Intr-un laser cu gaz, mediul activ este un gaz la presiune scazuta (cativa milli-Torri). Principalele motive pentru utilizarea presiune scazute sunt:
Pentru a permite o descarcare electrica intr-un tub lung, in timp ce electrozii sunt la ambele capetele tubului.
Pentru a obtine latimi spectrale inguste si sa nu fie extinse de coliziuni intre atomi. (Cateva tipuri speciale de lasere utilizeaza gaze la presiuni inalte).
T.H. Maiman a pus in functiune primul laser cu gaz in 1961, la un an de la primul laser cu mediu activ solid(rubin) . Primul laser cu gaz a fost un laser cu heliu-neon, care functiona la o lungime de unda de 1152.27 nm (aproape de infrarosu).

Excitatia unui laser cu mediu activ gazos

Doua tehnici principalele de excitatie sunt utilizate pentru laserii cu gaz:
Descarcarea electrica
Pomparea optica

Grupuri de laseri cu gaz

Pentru comoditate, laserii cu gaz se impart in 3 grupe:
a) Laserii atomici - mediul activ este format din atomi de gaz neutru, cum ar fi heliu-neon si vapori de cupru.
b) Laserii ionici - mediul activ este compus din gaze ionizate, cum ar fi de ionii de argon sau de Heliu-Cadmiu.
c) Laserii moleculari - mediul activ este format din molecule de gaz, cum ar fi dioxidul de carbon (CO₂), azot (N₂), laser excimer, lasere chimice (HF, DF), departe infrarosu (FIR) lasere din domeniul departat al infrarosului (DDI).


Excitatia prin Descarcare Electrica a Laserului cu Mediu Activ Gazos

Aplicarea unei tensiuni inalte la ambii electrozi ai tubului care contine gaze cauzeaza descarcarea electrica in gaze. Electronii sunt eliberati de la catod, accelerati spre anod, si intra in coliziune cu moleculele de gaz pe drum. In timpul coliziunii,energia cinetica a electronilor este transferata in molecule de gaz, si le excita. (aceeasi metoda de transfer de energie este utilizata la luminile fluorescente).

Excitatia laserilor cu mediu activ gazos prin pompare optica

Excitarea unui mediu activ prin pompare optica impune similitudinea dintre spectrul de absorbtie a mediului si spectrul de emisie a sursei de pompare, astfel incat o mare cantitate de radiatii va fi absorbita. Surse conventionale de lumina folosite pentru pomparea optica au un spectru larg de emisie, asa ca doar o mica parte din lumina este utilizata in procesul de excitatie. Pentru ca atomii gazelor absorb doar o mica parte a spectrului, pomparea optica nu este in general o metoda eficienta pentru laserii cu gaz.
Spectrul de absorbtie a solidelor este mai larg decat spectrul de absorbtie a gazelor, deci pomparea optica in stare solida cu metode conventionale de lumina sunt mai eficiente decat pentru laserii cu gaz. Astfel, laserii cu gaze sunt, de obicei, excitate prin descarcare electrica (vezi sectiunea anterioara).
Cand dorim sa excitam un mediu activ gazos, avem nevoie sa gasim o sursa de lumina cu latimea de banda foarte ingusta, care se incadreaza in liniile spectrale inguste de absorbtie a gazului. O buna sursa de pompare optica a unui laser cu gaz este un alt laser.
Aceasta metoda este folosita pentru pomparea laserilor cu emisie in domeniul departat al infrarosului de catre un laser cu CO₂

Laserul cu Heliu-Neon (He-Ne) si Aplicatiile Sale
Laserul cu He-Ne, Lungimea de unda a laserului cu He-Ne, Rolul Heliului in laserul He-Ne, Absorbtia si Amplificarea in Laserul cu He-Ne , Sursa de Curent a Laserului cu He-Ne,Laseri Comerciali cu He-Ne, Aplicatii Bazate pe Laserul cu He-Ne

Laserul cu He-Ne a fost cel mai raspandit laser, pana la aparitia diodelor laser in ultimii ani. Ali Javan l-a construit pentru prima data in 1961.Mediul activ este un gaz nobil de neon (Ne), si este un laser cu 4 nivele. Diagrama nivelurilor energetice a unui laser cu heliu-neon este descrisa in figura 6.1. Doua nivele de energie metastabile actioneaza ca nivelurile superioare de energie. Laserul cu He-Ne are doua nivele mai mici, astfel cateva lungimi de unda pot iesi din tranzitiile dintre aceste niveluri. Lungimile de unda importante sunt:l₁= 632.8 nm, l₂ = 1,152 nm, l₃=3,3913 nm.
Recent, mai multe lungimi sunt disponibile pentru laserul cu He-Ne comercial.Prin utilizarea unor ferestre bune si inguste,a fost obtinut un fascicul laser verde (543.5.1 nm), galben (594.1nm), portocaliu (611,9 nm) si din acelasi gaz. Aceste dispozitive sunt, totusi, mult mai scumpe decat laserul cu He-Ne cu emisie rosie.

Figure 6.1 Nivelurile energetice intr-un laser cu He-Ne

Lungimea de Unda a Laserului cu He-Ne

Cele mai multe dintre aplicatiile laserului cu He-Ne folosesc lungimea de unda rosie, pentru ca este cea mai puternica linie si este in regiunea vizibila a spectrului. Dupa cum se arata in figura 6.1, aceasta lumina rosie este emisa atunci cand atomii de neon merg de la nivelul de energie etichetat 3S la nivelul de energie etichetat 2p.
O problema in creerea acestei lumini rosii este ca un atom de neon in starea 3s poate sa emita radiatii la 3.3913 mm. Aceasta emisie scade populatia din nivelul 3s fara a produce radiatii vizibile. Solutia la aceasta problema este utilizarea un strat special pe oglinzi, care reflecta selectiv numai lumina rosie. Acest strat de reflectie cauzeaza intoarcerea in cavitatea optica numai a lungimii de unda dorita, in timp ce toate celelalte lungimi de unda sunt transmise afara, si nu sunt obligate sa traverseze mediul activ. In mod similar, alte invelisuri reflectante pot fi folosite pentru a selecta alte tranzitii. Aceasta procedura permite productia comerciala a laserilor cu He-Ne la alte lungimi de unda decat in spectrul vizibil. De exemplu fascicule laser oranj, galben si verde pot fi produse, dar eficienta laserului este mult mai mica decat in rosu.

Rolul Heliului in Laserul cu He-Ne

Rolul de Heliului in cadrul laserului cu He-Ne este de a spori eficienta procesului laser. Doua efecte fac Heliul deosebit de valoros:
1.Excitatie directa a neonului este ineficienta, dar excitatia directa a atomilor de Heliu este foarte eficienta.
2. O stare excitata a atomului de Heliu are un nivel de energie care este foarte asemanator cu nivelul de energie a atomului excitat de neon.
Procesul de excitatie a atomilor de neon este un proces in doua etape:
  Tensiunea inalta provoaca accelerarea electronilor de la catod spre anod. Acesti electroni intra in coliziune cu atomii de Heliu si vor transfera energiei cinetica a acestora. Atomii excitati de Heliu intra in coliziune cu atomii de neon, si transfera acestora energia necesara pentru excitatie.
Astfel, heliul nu participa la procesul laser, dar creste eficienta excitatie astfel incat eficienta procesului laser va creste cu un factor de aproximativ 200.


Absorbtia si amplificarea Laserul cu He-Ne

In timp ce lumina trece prin mediul activ, doua procese diferite actioneaza aspura radiatiei: absorbtia si amplificare. Intr-un laser cu He-Ne standard, amplificarea mediului activ este de aproximativ 2%. In timpul unei singure treceri prin mediul activ (de la o oglinda la cealalta), cantitatea de radiatii din interior creste cu 1.02. Astfel, pentru a obtine amplificare luminii, toate pierderile, inclusiv coliziunile atomilor excitati cu peretii de tubului de gaz, absorbtia generata de alte molecule, etc ar trebui sa fie mai mica de 2%.
Laserul cu He-Ne este un laser cu 4 nivele, astfel incat durata de viata a nivelelor energetice inferioare trebuie sa fie foarte scurta. In gazul de Neon, care este activ in procesul laser, descompunerea de la nivelurile inferiore nu este suficient de rapida, dar este accelerata de coliziunilr cu peretii tubului. Deoarece numarul de coliziuni cu peretii tubului creste pe masura ce tubul devine mai ingust, randamentul laserului este invers proportional cu raza tubului. Deci, diametrul tubului unui laser cu He-Ne laser trebuie sa fie cat mai mic posibil.
Randamentul scazut al mediului activ intr-un laser cu He-Ne limiteaza puterea de iesire. In cazul prototipurilor din laborator, puterea de iesire este de ordinul a 100 mW , dar laserii comerciali sunt disponibili numai cu puteri de iesire de 0,5 - 50 mW.
Cuplajul de iesire al laserului cu He-Ne este o oglinda cu un invelis de protectie care transmite aproximativ 1% din radiatie catre exterior. Inseamna ca, puterea din interiorul cavitatii optice este de 100 de ori mai mare decat puterea emisa.

Laseri cu He-Ne Comerciali:

Unele caracteristici ale laserilor cu He-Ne disponibili comercial sunt enumerate mai jos:
           Lungimea de unda: 632.8 nm
           Puterea de iesire: 0.5-50 mW
           Diametru fasciculului: 0.5-2.0 mm
           Divergenta fascicului: 0.5-3 mrad
Lungimea de coerenta: 0.1-2 m
           Stabilitatea puterii: 5% / ora
           Durata de viata:> 20000 ora

O prezentare schematica a unui laser cu He-Ne este realizata in figura 6.2 si o fotografie cu un tub laser real este prezentata in figura 6.

Constructia Tubului cu Plasma

Vom exemplifica folosind firma Melles Griot (o firma americana in laseri, optica laser si accesorii laser) caracteristicile tubului laser.
- etansare puternice si rezervoare interne mentin performanta pe tot parcursul vietii tubului;
- precizia diametrala capilara maximizeaza puterea de iesire, controleaza modurile transversale, si minimizeaza pierderile datorita difractiei;
- sticla borosilicata de inalta calitate este utilizata pentru o cavitate rigida si stabila;
- modul de aplicare a calibrelor capilare la sticla determina o stabilitate rotationala optima;
- aliniere superioara a oglinzilor si o tehnica de montaj care mentin o buna stabilitate a focalizarii fasciculului;

Domeniul lungimii de unda rosie (632,8 nm)

- capete laser de mare putere de pana la 40 MW, pentru spectroscopie Raman, holografie, scanare rapida, testarea si masurarea aplicatiilor;
- Clasa II <0.95 mW lasere cu He-Ne pentru a indica,a alinia, sau pentru aplicatiile de invatare care necesita precautii suplimentare in cazul protectiei ochilor;

Domeniul lungimii de unda verde (543,5 nm)

Laserii verzi au la dispozitie pana la 5 ori mai multa vizibilitate decat laserul rosu cu aceeasi puterea de iesire, si sunt ideale pentru indicarea si tintirea in cazul in care este nevoie de un contrast puternic.

Domeniul lungimii de unda galben (594.1 nm)

Domeniul galben la 594.1 nm, este o alternativa pentru lampile cu arc de sodiu, deoarece lungimea de unda este foarte aproape de industru spectral de referinta, liniile D si ofera un profil energetic previzibil.Laserii cu He-Ne galbene ofera o singura lungime de unda de iesire care nu are nevoie de diafragme aditionale pentru a izola un fascicul bine colimat,si faciliteaza emisia lor.Polarizarea liniara optionala optimizeaza eficienta si diferentierea semnalului pentru multe aplicatii.
- o alegere buna pentru a fi utilizate in monocromatoare, refractometre, si a altor instrumente in cazul in care o eficienta, fiabilitatea, economia unei surse este de dorit;
- emisia in galben este aproape de pragul de absorbtie pentru lungimile de unda a mai multor reactivi fluorescenti organici frecvent intalniti in biotehnologii si aplicatii si cercetare genetica;
- laserii cu He-Ne sunt o alegere des intalnita pentru aliniere din cauza contrastului cu medii inchise, cum ar fi sangele din interventiile chirurgicale cu laser CO₂;
- laserii cu He-Ne sunt semnificativ mai mici si mai economici decat sursele alternative, cum ar fi laserii cu coloranti organici reglanili, si sunt mai usor de a integra, opera, si intretine in proiectarea finala a produselor;

Domeniul lungimii de unda oranj (611.9 nm)

Laserii cu emisie in oranj, ofera cu aproximativ 35% mai mult luminozitatea decat rosu la acelasi nivel de putere.
- laserul oranj este deosebit de util in medii industriale si de productie care utilizeaza laserul ca instrument de aliniere;
- Lungime de unda de oranj poate fi folosit ca o referinta cu o separatie ridicata intre emisia lungimilor de unda mai mari fara a sacrifica sensibilitatea detectorului;

Domeniul lungimii de unda infrarosu (1523 nm)

Fasciculul bine colimat si polarizarea liniara fac acest laser ideal pentru testarea fibrei optice. Lungime de unda se potriveste cat mai mult de cele folosite in industria comunicatiilor, si este o referinta stabila cu o latime de banda ingusta, ceea ce face o sursa ideala de calibrare.
- Lungime de unda in infrarosu este, de asemenea, potrivita pentru testare materialelor si detectarea defectelor, atunci cand nu sunt posibile utilizarea surselor vizibile cauza nivelului inalt de absorbtie sau interferenta excesiva cu lumina ambientala.


Sursa de alimentare a laserului cu He-Ne:

Laserii cu He-Ne, care ofera puteri pana la 1 mW (tipul standard folosit pentru experimentele de laborator a studentilor), de obicei, foloseste o sursa de curent continuu de inalta tensiune de alimentare de 2000 de volti.Laserul are nevoie de un curent constant, deci este utilizata o sursa stabila.
Pentru a initializa procesul laser, de gazul din tub trebuie sa fie ionizat. Aceasta actiune se face cu un puls a tensiunii maxime pe care o poate oferi sursa. Aceasta tensiune se numeste tensiunea de declansare a laserului. In momentul descarcarii,rezistenta electrica a tubului scade brusc. Aceasta inseamna ca tensiunea scade brusc, in timp ce intensitatea creste. Astfel, din legea lui Ohm rezulta o rezistenta electrica negativa (scaderea tensiunii cu cresterea intensitatii).
Pentru a depasi aceasta problema,o rezistenta balast este conectata foarte aproape de anod, in serie cu sursa de alimentare. Rolul rezistentei este de a limita curentul prin tub atunci cand rezistenta tubului scade.
Pentru un laser cu un curent de operare de 5 mA, , rezistenta de balast este de 60-90 kW si caderea de tensiune pe el de 300 - 450 de volti. Dupa inceperea procesului laser, tensiunea de alimentare redusa la circa 1100 de volti, necesara pentru functionarea continua a laserului. Una din problemele laserului este caldura, care este dezvoltata in laser, precum si in rezistenta de balast.
Pentru un laser cu un curent de operare de 5 mA, iar tensiunea de 1100 de volti,puterea electrica pe laser este: P = V . I = 1100V . 5mA = 5.5 W, iar pe rezistenta de balast: 1.5-2.25 W.

Fig.6.4 Sursa de alimentare pentru un laser He-Ne de 1 mW

Aplicatiile bazate pe laserul cu Heliu-Neon

Laserii cu He-Ne ofera mai multe caracteristici de performanta intr-un dispozitiv ieftin si fiabil. Acestea includ lungimi de coerenta mari, fascicul de inalta calitate (TEM₀₀), o gama de lungimi de unda vizibile de la verde pana la rosu, cateva apropiate de infrarosu si infrarosu, care ofera o excelenta stabilitate,zgomot scazut, posibilitatea polarizarii fasciculului,cerinte electrice relativ simple. Datorita acestor proprietati,laserii cu He-Ne sunt utilizati intr-o gama larga de aplicatii,laserul este incorporat intr-un instrument sau ca interfata pentru utilizator de catre o multime de OEM-uri (Original Equipment Manufacturers)-Producatorii de Echipamente Originale.
Aplicatiile laserului cu He-Ne variaza de la alinierea masinilor industriale pana la sortarea si numararea celulelor sangvine si pana la imprimarea laser de mare calitate. Desi laserul cu He-Ne comercial a fost disponibil pentru aproape 30 de ani, lista acestor aplicatii continua sa creasca. Acest lucru se datoreaza in parte dezvoltarii recente, cum ar laserul rosu cu He-Ne de mare putere (pana la 40 mW), precum si o gama mai larga de lungimi de unda.

Alinierea si masurarea industriala

Sistemele industriale care folosesc laseri de mica putere pentru aliniere, control sau inspectare sunt in general, alcatuite din patru unitati de baza. Aceste unitati sunt o sursa de lumina laser, un sistem optic pentru a directiona si structura lumina, un sistem optic pentru a colecta lumina sau pentru a reda imaginea, dupa ce aceasta a interactionat cu obiectul sau cu mediul care este controlat, precum si un sistem de detectare. Sistem de detectie poate fi un om sau de un observator optoelectronic conectat cu un dispozitiv electronic de afisare sau un computer.
Aliniere si masurarea industriala se bazeaza pe simplul fapt ca lumina calatoreste in linie dreapta. Acestea includ aliniere la un spot proiectat,o linie sau un plan, precum si masuratorile trigonometrice folosind oglinzi si senzori fotodetectori de pozitie.
Una din cele mai timpurii si mai simple aplicatii pentru laserul cu He-Ne este in continuare foarte mult utilizata in industria de cherestea. Aici, elemente optice cilindrice sunt utilizate pentru a proieca o linie de lumina pe un bustean care este in curs de aliniere pentru taierea in scanduri. In cel mai simplu caz, laserul este utilizat numai pentru a alinia busteanul. In sistemele sofisticate, un computer analizeaza forma busteanului pentru a stabili modul de a obtine cea mai mare cantitate de cherestea.
In unele aplicatii de aliniere, o oglinda rotativa este folosita la proiectarea unui plan de lumina peste 360⁰. Doua utilizari ale acestei metode includ construirea de plafoane in cladiri si executia de precizie a suprafetelor, precum pista aeroportului. In alinierea plafoanelor, proiectorul laser este configurat pentru a produce un plan orizontal, iar componentele plafonului sunt aliniate de catre ochi. Pentru precizie, o serie de fotocelule sunt montate pe masina pentru a ridica sau cobori in mod automat lama sau piatra de polizat , printr-un semnal in bucla.
O aplicatie importanta care utilizeaza alinierea trigonometrica este teodolitul laser pentru o masurare la scara larga si topografie. Fascicul laser este returnat de o oglinda atasata la suprafata sau obiectul studiat. Un senzor de pozitie masoara deplasarea fasciculului in raport cu laserul. Trigonometria simpa permite sistemului sa converteasca deplasare in unghi si distante a suprafetei masurate.
Exista alte aplicatii industriale, cum ar fi vederea masinii. Aceasta combina laserul cu fotodetectoare si / sau camere video pentru a monitoriza pozitia, orientarea, sau calitatea produselor pentru a oferi un control automat intr-o linie de productie. Aceasta instalatie ofera laserului cu He-Ne o gama variata de aplicatii de la determinarea concentratiei firelor in domeniul textilelor si a pneurilor de la masina pana la numarare sticlelor.
Masurarea diametrului unui cilindru prin utilizarea unei oglinzi rotative si un fotodetector este prezentata in figura 6.5.Fasciculul laser este deviat de oglinda rotativa si este colimat folosind o lentila corespunzatoare intr-un fascicul paralel. Obiect care urmeaza a fi masurat intrerupe raspandirea fasciculului laser catre fotodetector pentru un interval de timp, care depinde de marimea obiectului.

Figure 6.5   Sistem cu oglinda rotativa pentru masurat

Metrologie interferometrica si vitezometrica

In alinierea industriala, un alt grup important de aplicatii utilizeaza coerenta fasciculului de Heliu-Neon. Aceste tehnici sunt bazate pe interferente si utilizarea periodicitatii fasciculului laser ca o rigla foarte fina. Pozitia unui obiect in calea de fasciculului este calculata de la faza de reflectie. Interferenta intre fasciculul obiectului si fasciculul de referinta prevede variatii ale intensitatii masurabile care ofera informatii despre faza. Aceasta tehnica permite determinarea atat a pozitiei cat si a vitezei unui obiect sau a unei suprafete cu precizie extraordinara.
Desigur, in orice laser, toate lumina iese in faza. Dar aceasta coerenta este mentinuta numai pe o distanta finita, numita lungimea de coerenta. Aceasta poate fi de ordinul a cativa milimetri pentru anumite tipuri de laser. Cu toate acestea, un laser heliu neon tipic are o lungime de coerenta de cel putin cativa metri, si modele stabilizate sunt disponibile cu lungimi de coerenta de ordinul kilometrilor. Din acest motiv, laserii heliu neon domina astfel de cereri. Acestea includ alinierea uneltei unei masini, verificarea excentricitatii unor arbori si turbine, de masurarea vitezei debitului de fluide, si in pozitionarea micrometrica in fabricatia semiconductoarelor. Proprietati spectrale precise (latimea de banda si coerenta) de multe ori trebuie sa fie adaptate la cerintele impuse de aplicatie.

Figure 6.6 Masurarea interferometrica a vitezei; Intensitatea campului in modelul interferentei stationare se coreleaza direct cu constanta vitezei de suprafata in directia interferometrului

Figure 6.7 Masurarea vitezei cu ajutorul efectului Doppler; schimbul de frecventa a radiatiei imprastiate este masurata prin metode heterodyne

Figure 6.8 Masurarea vitezei tangentiale

Masurarea si monitorizarea fara contact

Fasciulul unu laser cu He-Ne este intens si monocromatic. Ca o consecinta, reflectii minore a acestei lumini poate fi detectata de un photodetector sensibil echipat cu un filtru spectral de banda ingusta, in cazul in care este si un nivel ridicat de lumina ambianta. Aceasta este baza pentru o serie de teste industriale folosind un laser He-Ne ca sursa de lumina. Aceste aplicatii implica masurarea si / sau de cartografierea dispersiei care apare atunci cand un fascicul laser intalneste particule sau suprafete.Intensitatea si distributia unghiulara a acestei lumini se transforma in informatii cu privire la marimea si numarul de centre de dispersie. Instrumentele bazate pe acest principiu implica contoare de particule folosite pentru a masura nivelul de praf din aer, pentru a masura viteza tangentiala masuratori si masurarea unei pelicule subtiri.
Un tip de metode mai sofisticate cum ar fi polimetria se bazeaza pe faza stabila si starea polarizata a fasciculului de He-Ne pentru a face masuratori importane asupra unor defecte de suprafata altfel invizibile. In plus, polimetria este utilizata pentru a detecta defecte microscopice si fisuri in sticla si alte materiale care pur si simplu nu pot fi observate cu ochiul liber.
Exista cateva aplicatii care se bazeaza pe absorbtia diferentiala pentru a masura opacitatea unui mediu. De fapt, este tot mai mare utilizarea acestei metode pentru masurarea nivelului de poluare in medii industriale. Zgomotul redus al laserului heliu neon este un mare beneficiu.
Refractia fasciculului laser este, de asemenea, baza pentru un numar de aplicatii in care indicele de refractie al lichidului sau solidului este masurat. Spre deosebire de lampa cu sodiu, laserul heliu neon galben poate fi conceput ca o singura sursa de frecventa care sa nu fie alterata cu timpul. Aceste teste sunt utilizate pentru a determina concentratia si uniformitate zaharului si a altor materiale, precum si pentru a calcula vascozitate de de si produselor petroliere.

Figure 6.9 Masurarea grosimii unei suprafete

Imprimarea la viteza mare

Laserii cu Heliu Neon au fost de mult folositi pentru imprimare si scanare. Ca in cazul oricarui scanner laser, principiul este simplu: fasciculul laser este miscat de-alungul unei singure axe in timp ce o imagine,un film, sau sau tamburul imprimantei se misca in celelalte axe pentru a determina o scanare in coordonate X-Y. Utilizarea unui mic spot permite o inalta rezolutie spatiala.
Acum laserii rosii de mare putere(de la 10 la 40 mW) isi gasesc locul in cadrul aplicatiilor medicale pentru a permite digitizarea, stocarea, si de retiparirea x-ray de radiografiilor. Aceasta aplicatie emite un zgomot redus (± 0,5% amplitudine de la varf la varf) pentru a se asigura ca toate subtilitǎtile sunt inregistrate corect si liniar.Puterea mare este necesara, pentru a minimiza timpul de scanare. Imaginile stocate retiparite, dupa cum este necesar, folosind un laser He-Ne cu o putere mica si cu zgomot redus.

Aplicatii medicale

Utilizarea laserilor He-Ne pentru a alinia alte lasere, cum ar fi CO₂ si Nd: YAG, este extrem de utila pentru proceduri chirurgicale.Fasciculul vizibil al laserului cu He-Ne poate fi emis cu ajutorul elementelor opticie de emisie astfel incat chirurgul poate sa ghideze cu precizie fasciculul infrarosu de mare putere,inainte ca acesta sa fie pornit.

Laserii verzi si rosii sunt folositi pentru alinierea pacientului pentru diferite tipuri de scanari si radiografii.Alinierea este importanta din doua motive:scanerul MRI are un spot foarte ingust unde imaginea are cea mai buna calitate.In plus, scanarile MRI si CAT dureaza cateva minute,astfel alinierea pacientului este foarte importanta.

Biotehnologii

Biotehnologia este un domeniu foarte important pentru foarte multe tehnologii opto-electronice.Laserul cu heliu neon este foarte raspandit in laboratoarele de cercetare cat si in cadrul instrumentelor analitice pentru teste clinice importante.Majoritatea acestor aplicatii implica Fluorescenta Indusa prin Laser (FIL) a structurilor organice cuprinzand celule intregi pana la bazele DNA.In aceste tehnici,proba biologica este tratata cu un colorant organic puternic fluorescent sau chimic care are o afinitate pentru o structura chimica specifica,mediu,o celula sau un ansamblu de celule.Proba este apo iradiata cu lumina laser, si tintele organice fluorescente indica locatia fizica.

Lungimi de unda multiple si puteri mari au fost criteriile de baza in folosirea raspandita a laserului cu He-Ne in aceasta ramura.Multiplele lungimi de unda permit sistemelor cu mai multi pori fosforescenti sa fie analizati simultan ca in secventierea automata a genelor.Puterea ridicata permite analizarea probelor mici si achizitia rapida a datelor.

Clinic vorbind,cea mai importanta din aceste tehnologii este citometria-analiza celulelor de sange.Noua generatie de analizoare automate a celulelor sangvine permite fizicienilor obtinerea unor rezultate precise asupra numarului de celule,pentru toate celulele sangvine.In acest tip de instalatie,cantitatea redusa de sange este tratata cu un colorant organic.Celulele sunt apoi fortate printr-o regiune de detectie a sistemului care incorporeaza mai multi laseri cu He-Ne si una sau mai multe fotodetectoare,fiecare cu un filtru spectral diferit.In cadrul celui mai simplu test,numaratul celulelor,o simpla numarare a celulelor sangelui pe milimetru este realizata.La testele mai complexe,gen sortarea celulelor,ratii precise din fiecare tip de celula sunt folosite pentru diagnosticarea diferitelor boli.

Figure 6.10 Masurarea celulelor,sortarea

Alte aplicatii biotehnologice care utilizeaza puteri mari,pana la 40mW, a laserilor cu He-Ne include masurarea celulelor prin detectarea miscarii Browniane unde viteza este guvernata direct de marimea celulei.Alta aplicatie in curs de dezvoltare este folosirea laserilor He-Ne de mare putere ca "brate" pentru micromanipularea unor celule izolate sub microscop.

Figure 6.11 Microscopia confocala cu scanare laser

Lungimea si Frecventa Etalonului Optic Primar

Alta aplicatie a laserului He-Ne este ca lungime si etalon de frecventa primar.Un laser He-Ne stabilizat si o celula de iod sunt folosite ca un controller electronic complet.Puterea de iesire a laserului cu He-Ne in functie de frecventa,cu o celula de iod in cavitatea rezonanta sunt foarte influentate de absorbtia saturata la frecventele corespunzatoare structurii hiper-fine a moleculei de iod.Datorita parametrilor de lucru, caracteristica iodului este lipsita de extinderea Doppler care cauzeaza linii spectrale inguste.Celula de iod este tinuta la temperatura constanta folosind elemente Peltier bazate pe controlul temperaturii in bucla.Astfel,o stabilitate la frecvente mari si o reproductivitate ridicata pot fi obtinute daca se acorda o mare atentie asupra parametrilor de lucru.Cavitatea este alcatuita pe o structura de trei tije din invar.Un design mecanic special reduce perturbatia mecanica.Acest dispozitic este folosit ca o noua definitie a metrului,cum spunea Comitetul Greutatilor si Unitatilor de Masura.Puterea de iesire a laserului cu He-Ne este de 0.3 mW si stabilitatea relativa este de ±3.65·10^-12 .Este posibila obtinerea operarea cu frecventa stabila asupra componentelor hiper-fine a moleculei de iod ¹²⁷I₂ .In figura 6.12 un astfel de dispozitiv este prezentat:

Fig.6.12 Etalonul optic primar al frecventei si lungimii(He-Ne/ ¹²⁷I₂)

Mai multe despre Aliniere si Fotodetectie

Cea mai frecvent intaalita aplicatie a laserului de putere mica este alinierea.In aceasta aplicatie laserul este folosit ca un simplu indicator-pointer pentru a alinia lucruri ca tigla pentru drenaj,rigolele,fundatiile cladirilor sau echipamente industriale.In unele aplicatii este foarte important sa se alinieze un obiect astfel incat sa aiba pozitia corespunzatoare si aliniere unghiulara.Un exemplu este alinierea arborilor.Presupunem ca intr-o operatie executata de o masina,un burghiu este montat pe un ax pentru a executa o gaura intr-o linie de transfer.Alinierea cu laser este frecvent folosita pentru a aduce in pozitia si unghiul corespunzator unei gauri in piesa principala.Majoritatea sistemelor de aliniere sunt alcatuite dintr-un emitator,receptor si un ecran sau un computer care comunica cu operatorul.

Fig.6.13 Sistem de aliniere

Cateva exemple de planimetrare sunt prezentate mai jos

Emitatorul

Emitatorul este alcatuit dintr-un laser cu He-Ne cu un fascicul bun din punct de vedere optic,care lucreaza in modul TEM₀₀ .Daca alinierea este pe o distanta mai mare,fasciculul laser este extins in departare pentru a redce divergenta sa.Extinderea expune cateva proprietati folositoare.Printre cele mai folositoare proprietati este divergenta redusa.Raportul dintre fasciculul emergent si cel imergent este invers proprtional cu raportul de extindere.Aceasta proprietate este foarte folositoare in comunicatiile cu ajutorul laserului si iluminarea tintelor aflate la departare.Deoarece un fascicul laser extins poate fi concentrat mai mult decat unul neextins,dispozitivele pentru extins sunt folosite in special pentru aplicatiile unde este necesara o concentrare a luminii.Aceasta proprietate este o consecinta directa a efectelor difractiei.

Dispozitivele pentru extins Galileane sunt alcatuite dintr-o lentila de intrare negativa urmata de un element pozitiv colmator sau un grup de lentile.Acest design are 3 avantaje fata de dispozitivul Keplerian care va fi prezentat imediat.Primul avantaj daca este executata corect, al doilea grup de lentile poate anula aberatia sferica indusa de prima lentila.Al doilea:lumina laser nu se concentreaza in interiorul dispozitivului.Al treilea avantaj:configurarea Galileana permite executia unui dispozitiv mai compact,deci reprezinta un avantak pentru aplicatiile OEM unde constrangerile referitoare la dimensiuni si greutate se aplica.

Fig.6.15 Extindera Galileana

Dispozitivele pentru extins Kepleriane sau colimatoarele folosesc doua seturi de lentile pozitive.Prin constructie,lumina este adusa intr-un punct de concentrare inauntrul dispozitivului.Pentru ca filtrarea spatiala se poate obtine in acest punct focal,aceste dispozitive sunt folosite in special in situatii in care este nevoie de un fascicul exceptional de "curat"-holografie,interferometria unui fascicul mare.

Fig.6.16 Extinderea Kepleriana

Receptorul

Detectoarele principale ale luminii sunt fotodiodele.Fotodiodele au caracateristici electrice complexe si pot fi intelese folosind conceptul circuitului echivalent.Acesta este o suma a componentelor individuale(rezistoare,condensatori etc) a caror comportament este asemanator cu a unei fotodiode.Fotodioda ideala poate fi considerata ca o sursa de curent,in paralel cu o dioda semiconductoare.Sursa de curent raspunde la fluxul de tensiune cauzat de curentul purtator al luminii, in timp ce dioda reprezinta comportamentul jonctiunii in absenta luminii incidente.

O fotodioda este prezentata in schema circuitului din fig.6.17.In plus fata de o sursa de curent in paralel cu o dioda semiconductoare un strat non conductiv deflector de purtatori de sarcina este plasat intre 2 straturi conductoare.Acesta este condensatorul plan.Capacitanta efectiva este denumita capacitanta jonctiunii (C_j) si este reprezentata de circuitul echivalent a unui condensator in paralel cu celelalte componente.Jonctiunea fotodiodei are de asemenea si un sunt cu o rezistenta finita R_sh .Aceasta rezistenta actioneaza intre jonctiunea diodei si circuitul detector de semnal si este denumita rezistenta de serie R_s .Aceasta rezistenta poate fi considerata zero pentru modelari si simulari pe calculator.

Actionarea Fotodiodei

Cea mai simpla schema a unei fotodiode lucrand in regim fotovoltaic este prezentata in figura 6.17.

Figure 6.17 Modul de lucru fotovoltaic

O fotodioda se comporta ca o sursa de curent fotosensibila in paralel cu o dioda semiconductoare,si este guvernata de ecuatia standard a diodei:

unde I_photo este fotocurentul;

I_dk este curentul la intuneric;

V₀ voltajul din jonctiunea diodei;

e este sarcina unui electron;

k este constanta lui Boltzmann;

T este temperatura in grade Kelvin;

Curentul fotogenerat I_photo se adauga la curentul diodei si curentul la intuneric este curentul reversibil al diodei.Rezistenta suntului este panta curbei Tensiune-Intensitate (dV/dI) evaluata la V=0.

Fig.6.18 Circuitul echivalent al unei fotodiode

Figure 6.19 Dependenta tensiune-intensitate al unei diode

Sensibiliatea

Sensibilitatea,R,cuantificata ca fiind randamentul foto electric a unui fotodetector.Sensibilitatea fotodiodei este raportul dintre fotocurent generat pentru fiecare watt de lumina incidenta,exprimat ca amperi-watti.Sensibilitatea maxima care se poate obtine (teoretic) corespunde cu detectarea fiecarui foton.Energia purtata de fiecare foton depinde de propria lungime de unda, E = hn, unde n este freventa fotonului,invers proportionala cu l,lungimea sa de unda) si h este constanta lui Planck.Astfel,exprimand sensibilitatea in amperi/watti da parametrului o dependenta de lungimea de unda:

unde c este viteza luminii,e este sarcina unui electron si l este lungimea de unda in metrii a fotonului detectat.Sensibiltatea are o dependenta aditionala fata de lungimea de unda,rezultand din variatia eficientei totale cu lungimea de unda.La lungimi de unda unde siliconul nu absoarbe puternic,fotonii pot patrunde mai adanc in dispozitiv sau pot trece prin el,ducand la o eficienta scazuta.

Fig.6.20 Raspunsul tipic al unei fotodiode siliconice

In multe aplicatii care vizeaza alinierea,o raza laser vizibila este emisa de emitator si incidenta pe obiectul care trebuie aliniat.Detectorul este ochiul uman.Operatorul observa si muta obiectul pana cand spotul laser este in locatia potrivita.

O crestere a eficientei este obtinuta daca se foloseste un detector cvadrant.Semnalul de iesire din fiecare cvadrant este identic atunci cand fasciculul este centrat pe detector.Daca fasciculul laser sau obiectul este mutat astfel incat mai multa putere este incidenta pe una sau doua diode, va fi mai putina putere pe celelalte diode.Semnalele de iesire ale cvadrantelor pot fi folosite pentru a determina pozitia fasciculului fata de centrul detectorului cvadrant.Trebuie mentionat faptul ca fasciculul laser trebuie sa aiba un diametru suficient de mare astfel incat lumina incidenta sa atinga toate cvadrantele in timpul procesului de aliniere,dar sa fie mai mic decat o jumatate din diametrul detectorului.

Figure 6.21 Diagrama simplificata al unui sistem de aliniere laser folosind un cvadrant

Cum se poate vedea in figura 6.21 fotodetectorul cvadrant are patru sectiuni.Doua semnale de iesire sunt colectate:unul care reprezinta diferenta dintre A si A (eroare verticala) si al doilea reprezinta diferenta dintre B si B (eroarea orizontala).Aceste rezultate sunt afisate pe doua ecrane diferite,unul pentru fiecare axa.

Scheme uzuale pentru amplificatoare folosite la detectarea luminii

Prima data vom prezenta scheme de amplificatoare comune care folosesc amplificatoare operationale.Ele contin multe tranzistoare si au o schema complicata.In principiu,doua intrari (-) si (-) si o iesire V_out trebuie luate in considerare.Semnalul de intrare V_in este amplificat de un factor care este aproximativ egal cu raportul dintre rezistenta de feedback R_f si rezsitenta de intrare R₁.

Fig.6.22 Amplificatorul inversat Fig.6.23 Amplificatorul neinversat

Atunci cand semnalul de intrare este aplicat la iesirea negativa a amplificatorului,la semnalul de iesire este amplificat voltajul si inversat.Prin inversare

se intelege ca amplificarea semnalului de intrare corespunde unei descresteri a semnalului de iesire.Cand semnalul de intrare este aplicat intrarii pozitive,semnalul de iesire continua sa aibe aceeasi panta ca semnalul de intrare.Amplificarea corespunzatoare acestor doua cazuri sunt definite in formule:

Un amplificator familiar este amplificatorul mA741.Acest amplificator este caracterizat de o impedanta la intrare de 1..2 MW si o impedanta de iesire de 75 W.Bucla deschisa a curentului continuu are un castig in tensiune de 2*10⁵ .Acesta este amplificarea fara un rezistor de feedback.Ne amintim ca rezistorul de feedback este conectat la intrarea negativa pentru a obtine un amplificator cu o anume amplificare.Puten compara din nou dispozitivul laser cu un amplificator electronic cu feedback-ul pus pe intrarea pozitiva.

O alta schema simpla si foarte folositoare este alcatuita dintr-un amplificator al fototranzistorului.Si un circiuit de amplificare folosind tranzistori pentru fotodiode:

unde v_i este voltajul generat de fotodioda

Iesirea circuitului prezentat in figura 6.23 este foarte liniara.Dependenta sa de fotonii incidenti este:

V_out = i_p R₁

Liniaritatea este asigurata de polarizarea fotodiodei folosind o sursa de curent suplimentara,E.

In figura 6.27 un circuit integrat simplu pentru masuratori energetice este prezentat.Semnalul de iesire este o integrare a semnalului de intrare datorita grupului RC.Iesirea este:

Un exemplu de fotodetector folosit pentru topografie este prezentat in figura 6.27.

Figure 6.28 Un dispozitiv fotodetector pentru topografie

Scanarea codurilor de bare

Figure 6.29 Scanerul codurilor de bare

Sistem de inspectie scanare laser

Figure 6.30 Sistem de inspectie cu scaner laser