Types of Lasers Solid-state lasers Dye lasers Gas lasers Slide provided by Optics I student Kham Ho, 2004

Semi-transparent mirror The Ruby Laser 300 400 500 600 700 Absorption l (nm) blue Green ถูกสร้างในปี 1960 โดย Ted Maiman เป็นเลเซอร์ชนิดแรก ตัวกลางขยายแสงคือทับทิม เป็นผลึกของ Al2O3 ที่ ไอออนส่วนน้อยของ Al3+ ถูกแทนที่ด้วยไอออนของ Cr3+ แสงสีเขียว, น้ำเงินจากหลอดซีนอนเป็นตัวกระตุ้นอะตอมโครเมียม Ground state Metastable state blue green Energy levels of chromium ions in ruby Rapid non-radiative transitions 694.3 nm Ruby Rod Flashtube High reflector mirror Semi-transparent mirror Output Power supply

Nd3+:YAG Laser Nd3+- doped YAG Nd = Neodymium YAG = Y3Al5O12 = Yttrium Aluminium Garnet Flash lamp or diode laser pumping Ground state Energy levels of Nd3+:YAG non-radiative decay 1.064 mm pumping bands

Ti3+:sapphire Laser *Titanium-doped sapphire laser pumping Energy levels of Ti3+:Al2O3 tunable laser emission phonon emission pumping bands

Semiconductor Diode Lasers N-type P-type Current control

Gas Lasers

The Helium-Neon Laser He: Ne = 5:1

Carbon Dioxide Laser The CO2 laser operates analogously. N2 is pumped, transferring the energy to CO2. Vibrational energy level diagram depicting the 10.6 micron infrared transition in the carbon dioxide molecule. (The nitrogen vibrational levels shown on the right are used to enhance lasing in laboratory lasers) Image from http://home.achilles.net/~ypvsj/history/mars.html

The Helium Cadmium Laser The population inversion scheme in HeCd is similar to that in HeNe’s except that the active medium is Cd+ ions. The laser transitions occur in the blue and the ultraviolet at 442 nm, 354 nm and 325 nm. The UV lines are useful for applications that require short wavelength lasers, such as high precision printing on photosensitive materials. Examples include lithography of electronic circuitry and making master copies of compact disks. Text from http://www.shef.ac.uk/physics/teaching/phy332/laser_notes.pdf

The Argon Ion Laser Argon lines: Wavelength Relative Power Absolute Power 454.6 nm .03 .8 W 457.9 nm .06 1.5 W 465.8 nm .03 .8 W 472.7 nm .05 1.3 W 476.5 nm .12 3.0 W 488.0 nm .32 8.0 W 496.5 nm .12 3.0 W 501.7 nm .07 1.8 W 514.5 nm .40 10.0 W 528.7 nm .07 1.8 W Population inversion is achieved in a two step process. First of all, the electrons in the tube collide with argon atoms and ionize them according to the scheme: Ar (ground state) + lots of energetic electrons Þ Ar+ (ground state) + (lots + 1) less energetic electrons . The Ar+ ground state has a long lifetime and some of the Ar+ ions are able to collide with more electrons before recombining with slow electrons. This puts them into the excited states according to: Ar+ (ground state) + high energy electrons Þ Ar+ (excited state) + lower energy electrons . Since there are six 4p levels as compared to only two 4s levels, the statistics of the collisional process leaves three times as many electrons in the 4p level than in the 4s level. Hence we have population inversion. Moreover, cascade transitions from higher excited states also facilitates the population inversion mechanism. The lifetime of the 4p level is 10 ns, which compares to the 1 ns lifetime of the 4s level. Hence we satisfy tupper > tlower and lasing is possible. Table from http://www.eio.com/repairfaq/sam/laserarg.htm#argbcs Energy level diagram from http://www.shef.ac.uk/physics/teaching/phy332/laser_notes.pdf

The Krypton Ion Laser Krypton lines Wavelength Power 406.7 nm .9 W http://www.eio.com/repairfaq/sam/laserarg.htm#argbcs

Dye lasers Duarte and Piper, Appl. Opt. 23, 1391 1984 Dye lasers are an ideal four-level system, and a given dye will lase over a range of ~100 nm.

Dyes cover the visible, near-IR, and near-UV ranges.

Titanium: Sapphire (Ti:Sapphire) Absorption and emission spectra of Ti:Sapphire Upper level lifetime: 3.2 msec oxygen aluminum Al2O3 lattice Slide used with permission from Dan Mittleman Ti:Sapphire lases from ~700 nm to ~1000 nm.

Diode Lasers

Some everyday applications of diode lasers Slide provided by Optics I student Kham Ho, 2004 A CD burner Laser Printer

Laser Safety Classifications Class I - These lasers are not hazardous. Class IA - A special designation that applies only to lasers that are "not intended for viewing," such as a supermarket laser scanner. The upper power limit of Class IA is 4 mW. Class II - Low-power visible lasers that emit above Class I levels but at a radiant power not above 1 mW. The concept is that the human aversion reaction to bright light will protect a person. Class IIIA - Intermediate-power lasers (cw: 1-5 mW), which are hazardous only for intrabeam viewing. Most pen-like pointing lasers are in this class. Class IIIB - Moderate-power lasers (~ tens of mW). Class IV - High-power lasers (cw: 500 mW, pulsed: 10 J/cm2 or the diffuse reflection limit), which are hazardous to view under any condition (directly or diffusely scattered), and are a potential fire hazard and a skin hazard. Significant controls are required of Class IV laser facilities. Slide provided by Optics I student Kham Ho, 2004

He-Ne Laser ก๊าซ He 1.0 มมปรอท + Ne 0.1 มมปรอท e excite อะตอม He ไปยังหลาย ๆ สถานะ แต่มีสองสถานะที่เป็นอุปสเถียร lifetime = 5ms, 100 ms อะตอม He ชนกับอะตอม Ne ถ่ายเทพลังงานให้ Ne ถูก excite เกิด Laser หลาย ๆ ความถี่ The excited Ne*(2p4) atom rapidly deexcites to its ground state by emitting additional photons or by collisions with the plasma tube walls. Because of the extreme quickness of the deexcitation process, at any moment in the HeNe plasma, there are more Ne atoms in the 3s2 state than there are in the 2p4 state, and a population inversion is said to be established between these two levels. ใช้ resonator เลือกความถี่ ที่ต้องการ เป็นกระจกสะท้อน 95-99% และกระจกที่สะท้อน 100% เลเซอร์ที่ออกไปมีความเข้มเพียง 1% ของใน resonance cavity

Laser Diode F.B. ผ่าน pn junction เป็นการฉีด e และ hole ไป recombine เกิด แสง กระจก 2 อันห่างกัน L ทำหน้าที่สะท้อนแสงกลับไป-มา เป็น Fabry-Perot อีก 2 ด้านเป็นผิวหยาบเพื่อให้โฟตอนทะลุผ่านออกไป ดังนั้นโฟตอนเฉพาะ resonance modes ที่จะไปกระตุ้นให้กิดเลเซอร์ต่อไป F.B. ผ่าน pn junction เป็นการฉีด e และ hole ไป recombine เกิด แสง กระจก 2 อันห่างกัน L ทำหน้าที่สะท้อนแสงกลับไป-มา เป็น Fabry-Perot อีก 2 ด้านเป็นผิวหยาบเพื่อให้โฟตอนทะลุผ่านออกไป ดังนั้นโฟตอนเฉพาะ resonance modes ที่จะไปกระตุ้นให้เกิดเลเซอร์ต่อไป

Table 3. Semiconductor Laser Materials. Wavelength (ต m) ZnS ZnO Gan ZnSe CdS ZnTe GaSe CdSe CdTe 0.33 0.37 0.40 0.46 0.49 0.53 0.59 0.675 0.785 GaAs InP GaSb InAs Te PbS InSb PbTe PbSe 0.84-0.95 0.91 1.55 3.1 3.72 4.3 5.2 6.5 8.5