Lézersugaras technológiák I. Buza, Gábor Lézersugaras technológiák I

2.2. Szilárdtestlézerek

Villanólámpás gerjesztésű Nd:YAG

Az ipari alkalmazásra épített, klasszikus szilárdtestlézerben a rezonátor egy ellipszisalapú, tükröző falú, hosszanti üreg. Az ellipszisalapú üreg egyik fókuszvonalában egy Nd:YAG kristályrúd (1.2.2.1. ábra), a másikban pedig egy villanólámpa csöve van. A geometria törvényei szerint az egyik fókuszból induló sugarak a falon tükröződve a másikba jutnak, függetlenül attól, hogy milyen irányban indultak el (1.2.2.2. ábra). Az Nd:YAG rúd gerjesztési intenzitását növelni lehet azzal, ha az üreg kettős ellipszis alapú. A két ellipszisnek az egyik fókusza közös, így három fókuszvonal alakul ki, melyek praktikusan egy síkban vannak. Ebben az esetben az Nd:YAG rúd a közös fókuszban van, a két szélsőben pedig egy-egy villanólámpa. Természetesen más geometriai elrendezésű és még több fókuszú rezonátor is elképzelhető, megvalósítható (1.2.2.3. ábra).

1.2.2.1. ábra Forrás: http://www.scientificmaterials.com

1.2.2.2. ábra Forrás: http://www.phy.davidson.edu

1.2.2.3. ábra Forrás: http://www.scribd.com

Itt érdemes megjegyezni, hogy a YAG-kristályt nem csak neodímiummal érdemes ötvözni. A kívánt hullámhosszúság és a gerjesztés módja, intenzitása alapján lehet mással is. Az ötvözőanyagtól függően megváltozik a kristály színe is, ahogyan a rubin is csak azért vörös, mert króm-, a zafír pedig azért kék, mert titánionok ötvözik (szennyezik) az egyébként színtelen, átlátszó alumínium-oxid-kristályokat. Néhány lézermédiumként szolgáló YAG-kristályról készült fotó látható az 1.2.2.4. ábrán.

1.2.2.4. ábra Forrás: http://www.scientificmaterials.com

A villanólámpás gerjesztés nagy hátránya, hogy a lámpákból kilépő fény spektruma nagyon széles, amiből a rezonátormédium csak keveset tud hasznosítani a lézerátmenet felső szintjének gerjesztésére. A többi hővé alakul, amit úgy próbálnak kivezetni a rezonátortérből, hogy áramoltatott vízzel árasztják el. Ennek ellenére torzul a rudak vége, mert a palástjuk és a magjuk között hőmérséklet-különbség alakul ki.

Jelentősen csökkenthető a rezonátor hőterhelése, ha a gerjesztő sugárzás hullámhosszúsága a villanólámpa spektrumánál jobban illeszkedik a lézermédium fölső energiaszintjéhez. A diódalézer éppen ilyen lehetőséget kínál. Amikor megjelentek az elérhető árú, nagy teljesítményű diódalézerek, a villanólámpákat „lecserélték” diódalézertömbökre. Ezzel jelentősen tudták növelni a rezonátor hatásfokát (a kilépő lézerfény teljesítménye/pumpáló teljesítmény) és csökkenteni hőterhelését. A hőterhelést megszüntetni nem lehet, hiszen a megfelelő lézerműködéshez az Nd:YAG médium alsó energiaszintjét is ki kell üríteni, mert ez négy energiaszintes rendszer (pumpálási szint, fölső lézerszint, alsó lézerszint, alapállapot szintje). Ez a kiürítés a rezonátormédiumban maradó energia, ami hőmennyiséget jelent. Ettől a kristály melegszik. A hőmennyiséget csak a palástján keresztül lehet kivezetni, ami hosszú időt vesz igénybe, ezért a kialakuló hőmérséklet-különbség, illetve a hőtágulási együttható miatt még mindig torzul a rúd.

Ezen a nehézségen csak úgy lehet túljutni, ha gyökeresen más geometriai elrendezést, ennek következtében termikus viszonyokat valósítanak meg úgy, hogy a lézerfizikai elveket nem változtatják, hiszen azok kedvezőek. Így születtek meg a korong- és a szállézerek.

A koronglézerek (disk laser)

Kezdetben a koronglézerek anyaga, a médium továbbra is Nd:YAG volt. Az idő múlásával persze ebben is történtek apró változások, melyeknek oka többnyire a lézer hatásfoknövelése volt. A korong formájú lézermédiumok anyaga tehát az elmúlt évek során csak szaporodott, a lehetőségek száma ma már nagyon nagy. A neodímiumot lehet például ittrium-vanadát-kristályba is ötvözni: Nd:YVO₄. Sok esetben a neodímiumot felváltotta az itterbium (Yb, a periodikus rendszerben a lantanidák csoportjába tartozik, mint a neodímium), stb.

Példák a diszk anyagára: Yb:KGW, Yb:KYW, Yb:KLuW, Yb:LaSc₃ (BO3)4, (Yb:LSB), Yb:CaGdAlO₄, Yb:CALGO, Yb:YVO₄, Yb:Sc₂O₃, Yb:Lu₂O₃, Yb:Y₂O₃, Yb:Lu₂O₃. A rezonátorból kilépő lézersugár hullámhosszúsága ezek hatására alig változik. Az eredeti 1.064 nm-es hullámhosszúság az 1.000 és 1.100nm közötti tartományba került, természetesen a médium anyagától függően.

Alapjában megváltozott azonban a geometriai elrendezés. A hosszú rúdból vékony korong lett. A gerjesztő sugárzás nem a henger palástján, hanem a homloksíkján lép be a kristályba (igaz, hogy már ez sem olyan biztos, mert az újabb fejlesztések egy része arra irányul, hogy a vékony korong palástján keresztül pumpálják a médiumot). Ennek az elrendezésnek az volt a célja, hogy a kristály hűtését az össztérfogatához képest lényegesen nagyobb fajlagos felületen valósíthassák meg. Ezt úgy érték el, hogy a korong egyik lapjára tükröző réteget gőzöltek (vastagsága az 1 mikrométer környezetében van), majd rögzítették egy vízzel intenzíven hűtött tömbre. A rezonátor zárótükre tehát egy intenzív hőelvonó felület.

A pumpáló sugárzás (ami továbbra is diódalézer) egy áthaladáskor csak rövid utat tesz meg a korongban, ezért energiájának csak egy része tud benne elnyelődni. Azért, hogy az első áthaladás után a nyalábban megmarad energiát is hasznosítsák, a pumpáló sugarat újra visszavezetik a médiumba. Végül is kialakítottak egy olyan tükörrendszert, amely a pumpáló sugarat többször (általában 16-szor, esetleg 32-szer) vezeti át a korongon. Ennyi áthaladás után szinte maradéktalanul elnyelődik a pumpáló sugárzás energiája (1.2.2.5. és 1.2.2.6. ábra).

Amikor szemrevételezünk egy koronglézer-rezonátort, jó, ha figyelemmel vagyunk arra, hogy abban két, egymástól független sugármenet van. Az egyik a pumpáló sugáré, amely ferdén, szög alatt lép be és ki a korong homlokfelületén, a másik a médiumban keletkezett lézersugár. Ez utóbbi minden esetben a korong sík lapjára merőlegesen lép ki és vissza úgy, hogy a zárótükör a hűtött lapnál van, a nyitótükör pedig viszonylag távol a korongtól. (A hagyományos, rudas elrendezésnél is a rúdtól távol voltak ezek az ablakok, de nem ennyire.) Figyeljünk tehát arra, hogy a pumpáló sugárnak is van végtükre (nem zárótükör!), de annak csak annyi a szerepe, hogy a korongon többszöri áthaladás után maradt energiáját elnyeletendő, a sugarat visszaküldi még egy elnyeletési sorozatra.

Egy rezonátorból (angolul: cavity, németül: Kavität) kb. 1kW cw teljesítményű lézersugár lép ki. Nagyobb teljesítményű lézersugár nyerése érdekében több rezonátorból kilépő sugarat egyesítenek (1.2.2.7. ábra). Megjegyzendő, hogy fizikai okok miatt ennek hatására némileg romlik a sugárminőség. Összességében azonban egyértelműen kijelenthető, hogy a koronglézerből kilépő sugárzás minősége jobb, mint a hagyományos rúdlézereké.

1.2.2.5. ábra Forrás: http://www.iiviinfrared.com

1.2.2.6. ábra Forrás: Trumpf

1.2.2.7. ábra Forrás: Trumpf

A szállézerek (fiber laser)

A hagyományos rúdlézerek kedvezőtlen tulajdonságainak orvoslására egy másik lehetséges út, amikor a lézermédium fajlagos felületét (felület/térfogat) úgy növelik, hogy vékony szálat húznak belőle. A médium pumpálása és hűtése a kis átmérőjű, hosszú szál palástján keresztül történik. Ennek az elrendezésnek számos előnye van, de technikai megvalósítása nagy műszaki felkészültséget igényel (1.2.2.8. ábra).

1.2.2.8. ábra Forrás: http://www.directindustry.com és http://images.yourdictionary.com

A pumpálás ebben az esetben is diódalézerrel történik a 100mm körüli átmérőjű szál teljes hosszában, ami nagyon sok méter lehet. Ezt úgy oldják meg, hogy a szál több, egymástól eltérő törésmutatójú anyagból készül (1.2.2.9. ábra). A legbelső – a mag – a legnagyobb törésmutatójú, egyben ez a lézermédium. Ezt egy nála kisebb törésmutatójú köpeny veszi körül, amelyben a pumpáló lézersugár halad. Ebből a fény könnyedén behatol a magba, de csak nehezen tud belőle kilépni a törésmutató-különbség, vagyis a totálreflexiós szög miatt. A magban, vagyis a médiumban keletkezett lézersugárnak pedig szinte esélye sincs. Azért, hogy a pumpáló lézersugár teljesítménye se menjen veszendőbe, az egészet körülveszi még egy réteg, amelynek a törésmutatója természetesen az összes közül a legkisebb. A mechanikai védelem érdekében további burkolórétegekre van szükség (1.2.2.10. ábra).

1.2.2.9. ábra Forrás: http://www.directindustry.com

1.2.2.10. ábra Forrás: http://spie.org és http://images.yourdictionary.com

A lézerműködés fenntartása érdekében szükség van nyitó- és zárótükrökre, különben a kellő lézersugár-teljesítmény elérése érdekében nagyon hosszú szálra lenne szükség. Valójában ez sem vezetne megoldásra, mert akkor a hosszú úton a szálon belüli veszteség nőne meg (a rezonátoron belüli veszteség a szál hosszúságával exponenciálisan nő). Az optikai szál hosszúságának növekedésével persze nő az erősítés mértéke, tehát látszik, hogy a szál hosszúságának optimuma van. Az optimum sok paramétertől függ (pl. a médium aktív elemének rendszámától, koncentrációjától, a mag és a pumpáló köpeny átmérőviszonyától, a pumpálás teljesítményétől, a mag és a köpeny törésmutatójától stb.). Ha a lézersugár kilép az alig 100mm átmérőjű szálból, már nagyon nehéz abba visszajuttatni, mert a kilépéskor széttartóvá válik. Ebből következik, hogy külső rezonátortükröket a szállézer esetén nem célszerű használni úgy, ahogyan arra a hagyományos rúdlézereknél, de még a koronglézereknél is lehetőségünk volt. Ezeket a tükröket tehát a szálban célszerű létrehozni.

A hagyományos értelemben vett tükrök létrehozása persze már tényleg technikai abszurdum. Más elvre van szükség. A megvalósítás elvi alapja a Nobel-díjas Bragg nevéhez fűződik, az optikai elemet pedig Bragg-rácsnak nevezik. A száloptikai Bragg-rács (FBG = Fiber Bragg Gratings) a szál magjában, az optikai tengelyre merőlegesen álló, a mag törésmutatójától különböző keskeny sávok sorozata. A periodikusan változó sávok vastagsága 1 mm körüli, számuk azonban ezernyi (1.2.2.11. ábra). A rács teljes hosszúsága mm nagyságrendű.

1.2.2.11. ábra Forrás: http://code.ua.pt

A száloptikai Bragg-rács működési elvét a Bragg-feltétel írja le.

1.1. egyenlet - (1-1)

ahol a Bragg-rácson reflektálódó sugár hullámhosszúsága, n2 és n3 a száloptikai Bragg-rács két különböző törésmutatójú, periodikusan ismétlődő részének törésmutatói, Λ pedig a rács optikai tengely irányában mért rácssík távolsága.

Az 1.2.2.12. ábra mutatja, hogy a száloptikai Bragg-rácsnak a hagyományos tükrökhöz képest van egy további tulajdonsága, amely a rezonátorok működése szempontjából kifejezett előny. A száloptikai Bragg-rács hullámhosszúság-szelektív. Az 1.2.2.12. ábra szerint a magba belépő P_I, különböző hullámhosszúságú komponenseket tartalmazó sugárból azt a hullámhosszúságút veri vissza (tükrözi), amelyik az (1-1) egyenlet feltételeit kielégíti, esetünkben a lB hullámhosszúságot. A többi továbbhalad (P_T), amiből persze hiányzik a hullámhosszúság. A rezonátortéren belüli erősítés érdekében visszafordított fénynyaláb tehát egy meghatározott, hullámhosszúsággal rendelkezik, ennek intenzitása fog nőni. A _B hullámhosszúság a rács periodicitásától és az n törésmutatóktól függ. A Bragg-rácsnak ezt a tulajdonságát frekvenciaszűrésre más területeken is kihasználják.

1.2.2.12. ábra Forrás: http://en.wikipedia.org

A Bragg-rácsnak van még egy kedvező tulajdonsága. A mag anyagától eltérő törésmutatójú sávok számától függ, hogy a rácsra érkező sugárzás a konkrét hullámhosszúságú nyalábnak hányad részét tükrözi vissza. A Bragg-rács tehát az eltérő törésmutatójú sávok periódustávolsága által kiválasztott sugárzást teljes mértékben, de a sávok alkalmasan választott számának függvényében előre meghatározott mértékben is reflektálhatja. Ez azt jelenti, hogy a Bragg-rács lehet zárótükör és nyitótükör is. Azt, hogy mit csináljon, az általunk megválasztott rácsjellemzők határozzák meg.

1.2.2.13. ábra Forrás: http://encyclopedia2.thefreedictionary.com

Már csak az a kérdés, hogyan lehet létrehozni a Bragg-rács maganyagától különböző törésmutatójú sávjait. Talán nem meglepő, hogy lézersugár segítségével. A technikai megvalósításnak az az alapelve, hogy a mag anyagának törésmutatója kellő hőmérsékletre hevítés hatására megváltoztatható. A sávok kis távolsága a fény hullámhosszúságának tartományában van. Periodikus fotonintenzitás-növekedés pedig az interferencia-jelenség esetén tapasztalható. Kell tehát egy rövid hullámhosszúságú lézersugár (UV), amely legyen koherens. Osszuk ketté a sugárnyalábot (így a két részben egymáshoz képest is megmarad a koherencia), majd a két részt megfelelő szög alatt irányítsuk a szál magjára. A két sugár interferenciája következtében intenzitásbeli „hullámhegyek” és „hullámvölgyek” alakulnak ki, melyek közötti távolság állandó. A „hullámhegyek” helyén olyan nagy az intenzitás, hogy a mag anyagában elnyelődve helyi túlmelegedést eredményez. Arra persze ügyelni kell, hogy a hővezetés következtében nehogy más részek is felmelegedjenek. Ehhez ezért nagyon rövid, nanoszekundumos, UV hullámhosszú excimer lézert, illetve újabban még rövidebb impulzusú femtoszekundumos (2-300 fs) lézert (1 fs = 10^-15 másodperc) használnak, vagyis nem tudjuk a szemünket olyan gyorsan becsukni, hogy néhány milliárd Bragg-rácsot ne lehetne megcsinálni. Ez persze viccesen hangzik, de az idő nagy része a precíz beállítással és nem az expozícióval megy el.

1.2.2.14. ábra Forrás: http://www.fiberoptics4sale.com

Áttekintve a szilárdtestlézerek történetét és működését, arra kell ráébrednünk, hogy a korszerű lézerek megépítése lézertechnika alkalmazása nélkül nem lehetséges. A helyzet egy kicsit hasonlít a mesebeli Münchausen báró egyik történetére, amely szerint a hajánál fogva húzta ki magát (egyes vélemények szerint lovastól) a mocsárból.

1.2.2.15. ábra Forrás: http://kangadesign.hu

2.3. Diódalézerek

A diódalézerek alapját egy jól ismert elektronikai elem jelenti, a félvezető dióda. Ebben az átfolyó áram közvetlenül fénnyé (LED), sőt lézersugárrá alakul. Az átalakítás hatásfoka akár 50% is lehet. Egy diódából viszonylag kis fényteljesítmény lép ki, ezért az anyagmegmunkálás céljából tömbösítve készítik, több százat építenek egymás mellé. Így akár 100W fényteljesítmény is elérhető. A több kW fényteljesítményű sugárnyaláb eléréséhez további tömbösítésekre vagy sugárcsatolásokra van szükség.

Az első félvezetőlézert nyitóirányban előfeszített p-n átmenetű GaAs-ből készítették. Az n típusú réteg elektrontöbblete a vezetési sáv alján helyezkedik el, a p típusú elektronhiánnyal (lyuktöbblettel) rendelkező rétegben pedig a vegyértéksáv teteje marad betöltetlen. A két réteg atomi szintű érintkezése egyenirányító hatást eredményez. Ha az egymásra helyezett p és n vezetési típust mutató tartományokra V nagyságú potenciálkülönbséget (feszültséget) kapcsolunk, az egyik polaritásnál a legfelső betöltött szintek (p rétegnél vegyértéksávban, n rétegnél vezetési sávban) távolsága az előfeszítés nélküli, közel azonos szinthez képest eltávolodnak egymástól a = e*V -nek megfelelően. Ez a dióda záróiránya, nem folyik áram. A másik polaritásnál a határrétegben (ami néhányszor 10 mikron) elektronok injektálódnak az n típusú rétegből a vezetési rétegbe, és lyukak – elektronhiány – a vegyértéksávba. Az elektronok beugranak a lyukakba (rekombináció), és eközben az energiakülönbségnek megfelelő = h.υ = h.c/λ hullámhosszú fotonok lépnek ki. Ez a fényt emittáló dióda (LED = Light Emitting Diode) működési elve. Ha elegendően nagy sűrűségben vannak rekombinálódó elektronlyukpárok, azaz fennáll a populációinverzió, és megvalósítjuk a keletkező fény visszacsatolását (rezonátor), lézerműködés lép fel. Az átmeneti aktív tartomány szélessége 100 μm, a vastagsága 10 μm nagyságrendű. A kilépő lézerfény ezért – mint egy keskeny résen – elhajlik, nagy lesz a divergenciája, ráadásul a két irányban erősen különböző.

A diódalézer és a LED (fényt emittáló dióda) működési elvét tekintve tehát nagyban hasonló (1.2.3.1. ábra). Mind a kettőben szükség van p- és n-típusú félvezetőre, melyeken egyenáram folyik keresztül. A diódából kilépő fény

• 
  hullámhosszúsága a dióda anyagától,
  
• 
  intenzitása az átfolyó áram erősségétől,
  
• 
  divergenciája (széttartása) az áram folyásának irányától függ.
  

1.2.3.1. ábra

Az áram folyásának irányában mindig nagyobb a divergencia, mint arra merőlegesen (1.2.3.2. ábra). Ez a diódalézernek tőle elválaszthatatlan tulajdonsága, a vékony, de széles világító határrétegből való kilépéskor bekövetkező hullám diffrakciója okozza. Ipari alkalmazhatóságának korlátossága ebben a tulajdonságában gyökerezik. Az összerakott diódatömbökből kilépő lézersugarat lencserendszerrel fókuszálják (1.2.3.3. ábra). A fókuszfolt mérete azonban nem fókuszálható olyan kis átmérőjűre, ami egy technikai szempontból már érdekes átmérőjű optikai szálba való bevezetéshez szükséges lenne.

1.2.3.2. ábra

1.2.3.3. ábra

Az egyedi diódákból és a diódatömbökből kilépő sugár formálására mikrooptikai elemeket használnak, melyeket gyakran összeépítenek a dióda szerkezeti elemeivel. Mivel az optikai elemmel összeépített dióda is apró, a felszínes szemrevétel alapján észre sem lehet venni. A diódából már közel párhuzamos nyaláb lép ki (lásd lézerceruza). A lézerceruzáknál nagyobb fényteljesítmények esetén az optika mérete is nő. Ipari felhasználás esetén már egy kézbe vehető tárgy méretét ölti (1.2.3.4. ábra).

1.2.3.4. ábra Forrás: http://www.dilas.com

A diódalézer-építőknek és a potenciális ipari felhasználóknak régi vágyuk, hogy a diódákból kilépő lézersugarat kis átmérőjű optikai szálba lehessen vezetni. Az optikai szálas sugárvezetés nagyban könnyítené a lézersugaras megmunkálásokat. Ez kis fényteljesítmények esetén megoldható. Nagyobb fényteljesítmény esetén a sok egyedi diódából kilépő sugár integrálása jelenleg még technikai problémákat jelent. Mivel nagy teljesítményt egyszerre nem lehet szálba bevezetni, a nagy teljesítményű szállézerek pumpálásakor sok egyedi pumpáló szálat csatlakoztatnak a lézermédiummagot is tartalmazó szálszakaszhoz. A technika jelenlegi állása szerint (2012-ben) kb. 200W-nyi teljesítményű, diódákból kilépő lézersugarat 200mm átmérőjű szálba lehet becsatolni, amelynek a numerikus apertúrája 0,22.

A LED-eknek és a diódalézereknek van egy nagyon gyenge pontjuk. Ez a maradékhő elvezetése, a hűtés. Kiemelkedően nagy hatásfokuk (> 50%) ellenére a maradékhő kb. ugyanakkora, mint a keletkező fény teljesítménye, csakhogy az igen kis (cca. 10 x 200 x 500 ) térrészben keletkezik, igen gyorsan felmelegítve a kristályt. Ha nem vezetjük el a hőt, másodpercek alatt megolvad és tönkremegy. Ezért a diódalézerek hűtésére nagy figyelmet kell fordítani, és ez az akadálya annak, hogy egyetlen kristálylapkából 1-10 W-nál nagyobb fényteljesítményt lehessen kinyerni (ennél gyorsabb hűtést nem tudunk elérni, ezt a kristály hővezető képessége korlátozza). Újabban kriosztáttal, cseppfolyós nitrogénnel hűtik a kristályt a még nagyobb kinyerhető teljesítmény érdekében.