Kierunki rozwoju laserów

6.3.1. Niebieska optoelektronika

Konstrukcja pierwszej niebieskiej diody elektroluminescencyjnej w 1992 roku za-początkowała „niebieską rewolucję” w optoelektronice. Osiągnięcie to pozwoliło na przełamanie ostatniej bariery na drodze do uzyskania kompletu barw światła emito-wanego przez przyrządy półprzewodnikowe. Budowa pierwszego niebieskiego lasera przez Shuji Nakamurę w 1996 roku oraz opracowanie miniaturowych komercyjnych laserów umożliwiło wielokrotne zwiększenie gęstości zapisu informacji, a także stwo-rzyło podstawy do opracowania energooszczędnych źródeł światła, projektorów i wy-świetlaczy opartych na technice półprzewodnikowej.

Termin „niebieska optoelektronika” obejmuje wszystkie przyrządy i urządzenia optoelektroniczne konstruowane na bazie nowego systemu półprzewodników InN-GaN-AIN [12]. Kluczowym materiałem w tym systemie jest azotek galu, GaN. Zbudowanie pierwszego na świecie lasera niebieskiego otwiera perspektywy rozwoju nowych przyrządów niebieskiej optoelektroniki, a wśród nich przyrządów półprze-wodnikowych emitujących koherentne światło w zakresie od 360 do 480 nm, jakimi są niebieskie diody laserowe. Zakres zastosowań niebieskich diod laserowych jest bardzo szeroki i obejmuje optyczny zapis informacji (możliwość zapisania do ok. 20 GB

in-formacji), pamięci holograficzne lub wielowarstwowe płyty DVD, techniki szybkiego druku, projekcyjną telewizję laserową, technologie spektroskopowe stosowane w me-dycynie, monitoringu zanieczyszczeń, systemach bezpieczeństwa chemicznego i bio-logicznego, termografię laserową.

„Światło niebieskie” (400–500 nm) jest wykorzystywane w diagnostyce i terapii nowotworów i stanów przednowotworowych metodą fotodynamiczną jako źródło światła do naświetlania tkanki powierzchniowej.

Niebieski laser półprzewodnikowy ma również zastosowanie w optoelektronicz-nym systemie detekcji śladowych obecności dwutlenku azotu, która określana była na podstawie czasu zaniku natężenia promieniowania magazynowanego we wnęce optycznej. Detektory AlGaN wykorzystano przy opracowaniu przepływowego mier-nika stężenia ozonu w wodzie. Jest to bardzo precyzyjne narzędzie wykrywania i oznaczania stężenia ozonu, które umożliwia pełną automatyzację pomiaru, jedno-znaczność wyników, możliwość dokonywania pomiarów bez konieczności pobierania próbki. Na rysunku 6.14 pokazano przepływowy miernik ozonu, w którym wykorzy-stano detektory AlGaN typu SOLAR BLIND umożliwiający pomiar w zakresie stężeń od 0 do 2 ppm z rozdzielczością 0,01.

Rys. 6.14. Przepływowy miernik ozonu z detektorem AlGaN typu Solar Blind

W oparciu o „niebieskie źródła światła” powstał pierwszy produkt dla stomato-logii umożliwiający wykrywanie próchnicy w jej bardzo wczesnym stadium na po-wierzchniach gładkich i w bruzdach. Pod wpływem światła emitowanego przez lam-pę diagnostyczną, miejsca występowania zmian próchnicowych świecą w kolorze różowym. W ten sposób można wykryć również mikroprzecieki bakteryjne wokół nieszczelnych wypełnień. Nadaje się również do monitorowania skuteczności lecze-nia próchnicy.

6.3.2. Mikrolasery

Wykorzystanie w układach pompowania wysokosprawnych, półprzewodnikowych diod laserowych stwarza możliwość znacznego zmniejszenia wymiarów ośrodka

czynnego i długości optycznej rezonatora. Pozwala to na praktyczną realizację, pro-stego w konstrukcji, lasera jednoczęstotliwościowego – mikrolasera.

Główne obszary zastosowań opracowanych mikrolaserów, to nowa generacja dal-mierzy laserowych z odbiorem bezpośrednim i podszumowym, systemy laserowe do układów wskazywania celów oraz urządzenia detekcji koherentnej stosowane m.in. w radarach laserowych. Opracowanie mikrolaserów generujących promieniowanie „bezpieczne dla oka” tworzy ponadto bazę podzespołów urządzeń i systemów stoso-wanych w metrologii, automatyce, medycynie i ochronie środowiska.

Pod koniec lat osiemdziesiątych pojawił się termin „eye-safe lasers”, czyli lasery „bezpieczne dla wzroku”. Wprowadzono nową generację dalmierzy laserowych z na-dajnikami emitującymi promieniowanie o długości fali około 1,5 μm [14, 15]. Dłu-gość fali 1,5 μm jest uważana, że jest bezpieczna przy bezpośrednim patrzeniu w wiąz-kę przy gęstościach energii 100 razy większych niż dla 10,6 μm (laser CO₂), oraz 2⋅105 razy większych niż przy długości fali 1,06 μm (laser YAG:Nd3+) [16, 17].

Na początku lat dziewięćdziesiątych po raz pierwszy zastosowano do generacji promieniowania laserowego o długości fali 1,5 μm szkło fosforanowe erbowo--iterbowe [18]. Układy laserowe z tym materiałem aktywnym znalazły różne prak-tyczne zastosowania [19, 20]. Wadą szkła fosforanowego jest niska odporność ter-miczna i mechaniczna, dlatego trwają poszukiwania nowych, bardziej odpornych matryc szklanych a także ośrodków krystalicznych. W przypadku kryształów stoso-wanych w układach generacji promieniowania bezpiecznego dla oka, najczęściej sto-sowanymi domieszkami aktywnymi są jony Er3+ oraz Cr4+ [21, 22].

Z przeprowadzonych badań wynika, że efektywnym ośrodkiem krystalicznym do bu-dowy laserów „bezpiecznych dla oka” może być monokryształ KGW:Er3+, Yb3+(1% Er3+, 5% Yb3+) generujący promieniowanie o długości fali λ = 1535 nm.

Zainteresowanie mikrolaserami „bezpiecznymi dla oka” wynika z korzystnych charakterystyk propagacyjnych promieniowania z zakresu powyżej 1,5 μm w róż-nych ośrodkach. Dla długości fali 1,55 μm występuje minimum absorpcji kwarco-wych włókien światłowodokwarco-wych, w zakresie 1,5–2 μm transmisja atmosfery jest najwyższa, natomiast pochłanianie ośrodków biologicznych i niektórych zanie-czyszczeń atmosfery bardzo silne. W związku z tym potencjalne zastosowania lase-rów generujących promieniowanie „bezpieczne dla oka” obejmują takie obszary, jak telekomunikacja, radary optyczne, pomiary odległości, zdalna detekcja zanieczysz-czeń i medycyna [23].

6.3.3. Lasery włóknowe

Lasery włóknowe są źródłami promieniowania o właściwościach znacznie odbie-gających od klasycznych laserów ciała stałego. Typowe długości światłowodu stoso-wanego do budowy lasera włóknowego zawierają się w przedziale od 50 cm

(foto-niczne włókna do źródeł promieniowania typu „supercontinuum”) do około 50 m (la-sery włóknowe średniej i dużej mocy w wersji jednostopniowej). Większość proce-sów technologicznych realizowana jest za pomocą laserów o mocy do ok. 1 kW. W przypadku ekstremalnych wymagań – jak. np. zgrzewanie stali i stopów alumi-nium, oraz zdalne zgrzewanie blach (np. na liniach produkcyjnych w motoryzacji) – wymagania co do jakości wiązki, ale na znacznie wyższym poziomie mocy, są no-minalnie niższe [24].

6.3.4. Lasery hybrydowe

Obszar średniej i bliskiej podczerwieni obejmujący zakres promieniowania optycznego w zakresie od 2 do 12 μm jest jednym z najaktywniejszych obszarów prac badawczych w technice laserowej początku XXI wieku. Zainteresowanie tym obsza-rem wynika między innymi z tego, że współczesne technologie bezpieczeństwa i mo-nitoringu środowiska korzystają z tego zakresu ze względu na występowanie w nim linii widmowych charakterystycznych dla wielu związków organicznych i biologicz-nych. Do sondowania atmosfery w celu wykrycia i rozpoznania skażeń, oceny składu atmosfery, pomiaru wilgotności, zawartości dwutlenku węgla, węglowodorów nie-zbędne jest stosowanie impulsowych wiązek laserowych o długościach fali dostrojo-nych do konkretdostrojo-nych linii absorpcyjdostrojo-nych. Zakres widmowy średniej podczerwieni wykorzystywany jest również w badaniach materiałowych i chemicznych. Ponadto, zakres widmowy w obszarze do 1,4 do 2,2 μm ma szczególne znaczenie i liczne zasto-sowania zarówno w życiu cywilnym, jak i technice wojskowej, ze względu na od-działywanie promieniowania o tych długościach fal na wzrok ludzki. Jest to tak zwany zakres bezpieczny dla wzroku (ang. eye-safe region). W obszarze średniej podczer-wieni nie są powszechnie dostępne wydajne półprzewodnikowe źródła promieniowa-nia. Warto zwrócić uwagę, że pasmo widma „bezpieczne dla wzroku” ma bardzo ważne właściwości propagacyjne w atmosferze. Dla długości fal powyżej 2 μm trans-misja atmosfery jest bardzo duża, natomiast pochłanianie przez parę wodną czy wy-brane ośrodki biologiczne i zanieczyszczenia atmosfery jest bardzo silne. Z tego względu, a także z uwagi na możliwość wykrycia chmur (dużego stężenia pary wod-nej) poszukiwano laserów generujących promieniowanie o długościach fal z zakresu od 2 do 2,2 μm, którym odpowiada dość znaczna absorpcja w atmosferze. Promienio-wanie takie nie jest szkodliwe dla oczu, a dość silna absorpcja uniemożliwiająca głę-boką penetrację, bardzo rozszerza gamę różnych (m.in. medycznych) zastosowań. Potencjalne zastosowania laserów generujących promieniowanie „bezpieczne dla wzroku” obejmują takie obszary techniki, jak: telekomunikacja, radary optyczne, po-miary odległości, zdalna detekcja zanieczyszczeń.

Radary laserowe (lidary) emitujące promieniowanie o długości fali 2 μm używane są do obserwacji rozpraszania na aerozolach zawieszonych w atmosferze oraz w

lot-nictwie do rejestracji wirów i prądów powietrznych w okolicach wież kontrolnych. Mogą również stanowić wyposażenie samolotów, aby informować pilota o zmianie kierunku wiatru [24].

6.3.5. Lasery światłowodowe

Światłowodowe źródła promieniowania koherentnego stają się atrakcyjną alterna-tywą dla dotychczas stosowanych, tradycyjnych laserów na ciele stałym. W ostatnich latach zaobserwować można wzrost oferowanych mocy wyjściowych i coraz po-wszechniejsze stosowanie światłowodowych laserów średniej i dużej mocy w wielu dziedzinach przemysłu. Głównym powodem intensywnych prac prowadzonych nad rozwojem tej dziedziny są bardzo dobre właściwości termo-optyczne ośrodka czynne-go, w znacznym stopniu przewyższające właściwości ośrodków czynnych stosowa-nych w klasyczstosowa-nych laserach na ciele stałym. Laser światłowodowy zbudowany na bazie jednomodowego włókna domieszkowanego jonami pierwiastków ziem rzadkich (neodym, iterb, erb itd.) charakteryzuje się ponadto doskonałymi parametrami geome-trycznymi wiązki laserowej, a szerokie pasmo wzmocnienia (rzędu kilku do kilkudzie-sięciu nm) pozwala uzyskiwać pracę impulsową z ultrakrótkimi impulsami (poniżej 100 fs).

Światłowodowe źródła średniej i dużej mocy mogą być realizowane na dwa głów-ne sposoby. Pierwszy z nich, klasyczny, polega na budowie lasera światłowodowego dużej mocy. Taka konstrukcja stanowi naturalne rozwinięcie idei budowy laserów na ciele stałym i doskonale sprawdza się w przypadku budowy źródeł pracy ciągłej. Lase-ry impulsowe wymagają najczęściej stosowania elementów optyki objętościowej, co utrudnia budowę układów całkowicie światłowodowych, duże gęstości energii we włóknie powodują występowanie niekorzystnych efektów nieliniowych trudnych do wyeliminowania, bardzo trudna jest także równoczesna kontrola kilku parametrów generowanego promieniowania. W takiej sytuacji na pomoc przychodzi kolejna cecha aktywnych światłowodów domieszkowanych jonami pierwiastków ziem rzadkich – wysokie wzmocnienie. W technice światłowodowej możliwe jest zbudowanie źródła dużej mocy z wykorzystaniem lasera sygnałowego małej mocy, którego promienio-wanie wzmacniane jest następnie w kaskadzie wzmacniaczy światłowodowych. Jest to tzw. konfiguracja MOPA (ang. Master Oscillator Power Amplifier). Kontrolę para-metrów promieniowania dużej mocy uzyskuje się, kontrolując laser sygnałowy co jest znacznie łatwiejsze niż bezpośrednia kontrola parametrów lasera dużej mocy. Taka kaskada wzmacniaczy z powodzeniem może być stosowana w tradycyjnych zastoso-waniach wzmacniaczy światłowodowych wszędzie tam, gdzie niezbędna jest odpo-wiednio duża moc wyjściowa (układy standardowe, pasywne sieci optyczne, optoko-munikacja w wolnej przestrzeni czy też jako wzmacniacze w układach telewizji kablowej) [24].

Literatura

[1] SHIMODA K., Wstęp do fizyki laserów, PWN, Warszawa 1993.

[2] WOLIŃSKI W., Laser i jego właściwości, X Krajowa Szkoła Optoelektroniki, Zegrze 1995. [3] NIECHODA Z., NOWICKI M., Podstawowe wiadomości o laserach i promieniowaniu laserowym,

[w:] Zarys klinicznych zastosowań laserów, D.W. ANKAR, Warszawa 1995. [4] TARASOV L.V., Laser Physics, Mir Publishers, Moscow 1983.

[5] KACZMAREK F., Podstawy działania laserów, WNT, Warszawa 1983.

[6] KACZMAREK S., MIERCZYK Z., KUZAKA B., Podstawy fizyczne medycznych zastosowań

lase-rów, Wiadomości Lekarskie, XLVII, 1994, 11–12.

[7] POKORA L., Lasery w stomatologii, Laser Instruments, Warszawa 1992.

[8] BRUNNER W., RADLOFF W., JUNGE K., Elektronika kwantowa. Wprowadzenie do fizyki

lase-rów, WNT, Warszawa 1980.

[9] KACZMAREK F., Wstęp do fizyki laserów, PWN, Warszawa 1986.

[10] AINSWORTH M.D., PIPER J.A., Laser systems for photodynamic therapy in phototherapy of

can-cer, ed. G. Morstyn, A.H. Kaye, Haerwood Ac. Publ., 1990.

[11] JÓŹWICKI R., Optyka laserów, WNT, Warszawa 1981.

[12] Praca zbiorowa pod red. LESZCZYŃSKIEGO M. i MIERCZYKA Z., Optoelektronika, lasery,

detektory, sensory, Ministerstwo Gospodarki, Warszawa 2007.

[13] JANKIEWICZ Z., Lasery w medycynie, X Krajowa Szkoła Optoelektroniki, Zegrze 1995.

[14] Laser Rangefinders, JANE’s Armour and Artillery Upgrades, Jane’s Information Group Ltd., Couldson, Surrey, UK, 2003.

[15] SLINEY D.H., Selected papers on laser safety, SPIE Milestone Series, Vol. MS-117, Bellingham, Washington 1995.

[16] IEC Standard EN 825-1: Safety of laser product. Equipment classification, requirements and user’s guide, 2000.

[17] American National Standard for the Safe Use of Lasers, ANSI Z-136.1-1993, 1993.

[18] JIANG S., MYERS J., RHONEHOUSE D., MYERS M., BELFORD R., HAMLIN S., Laser and

thermal performance of a new erbium doped phosphate glass, Ed. Kigre, Inc. Hilton Head Island,

1990.

[19] OBATON A-F., BERNARD J., PARENT C., LE FLEM G., FERNANDEZ-NAVARRO J.M., ADAM J-L., MYERS M.J., BOULON G., New laser materials for eye-safe sources: Yb3+-Er3+ -codo-ped phosphate glasses, OSA Proc. on Advanced Solid-State Lasers, 1999, Vol. 26, 655–657.

[20] FLUCK R., KELLER U., GINI E., MELCHIOR H., Eye-safe pulsed microchip laser, OSA TOPS Advanced Solid State Lasers, 1998, Vol. 19, 146–149.

[21] WANG P., DAWE J.M., BURNS P., PPIPER J.A., ZHANG H., ZHU L., MENG X., Diode-pumped

CW tunable Er3+:Yb3+:YCOB laser at 1.5–1.6 μm, Opt. Mat., 2002, Vol. 19, 383.

[22] MIERCZYK Z., KWAŚNY M., KOPCZYŃSKI K., GIETKA A., ŁUKASIEWICZ T., FRUKACZ Z., KISIELEWSKI J., STĘPIEŃ R., JĘDRZEJEWSKI K., Er3+ and Yb3+-doped active media for “eye safe” laser systems, Journal of Alloys and Compounds, 2000, Vol. 300–301, 398–406.

[23] MIERCZYK Z., “Eye-safe” laser systems, Proc. SPIE, 2000, Vol. 4237, 177–188. [24] Streszczenia referatów i komunikatów 9. Sympozjum Techniki Laserowej, Szczecin 2009.

Wzbudzanie Fluorescencji Cytometria Przepływowa Mikroskopia Konfokalna Spektroskopia Ramana Holografia Metrologia

Pozostałe produkty: