Много лазери позволяват на оператора да настройва или променя дължината на вълната на изхода в обхвата на дължината на вълната на UV до IR. Следвайки предишната ни дискусия за това как се прилагат регулируеми лазери, тази статия ще обсъди подробно типовете и приложенията на регулируемите лазери.
Приложенията, използващи регулируеми лазери, обикновено попадат в две широки категории: тези, в които лазер с фиксирана вълна с една или много линия не е в състояние да осигури желаната дискретна дължина на вълната или дължина на вълната и тези, при които лазерната дължина на вълната трябва да бъде непрекъснато настроена по време на експерименти или тестове, като например в спектроскопия и експерименти с помпена проба.
Много видове регулируеми лазери са способни да произвеждат регулируема непрекъсната вълна (CW), наносекунда, пикосекунда или фемтосекунда импулсни изходи. Техните изходни характеристики се определят от използваната среда за лазерно усилване.
Основно изискване за регулируеми лазери е, че те са способни да излъчват лазерна светлина в широк диапазон от дължини на вълните. Специалната оптика може да се използва за избор на специфична дължина на вълната или лента от дължини на вълната от емисионната лента на регулируемия лазер.
Има различни материали за усилване, способни да произвеждат регулируеми лазери, най -често срещаните са органични багрила и титанови сапфирски кристали (Ti: Sapphire). В случая на тези два материала за усилване се използват лазери от Argon Ion (AR+) или честотни неодимови йони (ND 3+) се използват като източник на помпа поради тяхната ефективна абсорбция на помпата при приблизително 490 nm.
Молекулите на багрилото могат да се използват за получаване на дължини на вълните в обхвата на ултравиолетовата до видимата (UV-vis). Необходимо е обаче превключване между много различни молекули за багрило, за да се постигне широк диапазон на настройка, което прави процеса доста тромав и сложен. За разлика от това, лазерите от твърдо състояние могат да постигнат широк диапазон на настройка, използвайки само един материал за лазерно усилване (напр. Диелектрични кристали), елиминирайки нуждата от чести промени в багрилото.
Понастоящем титановият сапфир се превърна в основен материал за настройване на лазерно усилване, с широк спектър от емисии от 680 до 1100 nm, който може да бъде непрекъснато настроен и изход, който може да бъде преобразуван в спектрален диапазон на UV-VIS или надолу към IR спектралната област. Тези свойства позволяват широк спектър от приложения в химията и биологията.
Настройка CW стоящи вълни лазери
Концептуално, Laser на стоящата вълна CW е най -простата лазерна архитектура. Състои се от силно отразяващо огледало, среда за усилване и изходно огледало (виж фигура 1), което осигурява CW изход, използвайки различни медии за лазерно усилване. За да се постигне настройка, трябва да бъде избрана среда за усилване, за да покрие обхвата на дължината на вълната на целта.
Фигура 1: Схема на лазер на стояща вълна на базата на титаниев сапфир. Показано е филтър за настройка на двурефрикалент.
Много флуоресцентни багрила могат да се използват за настройка на дължината на лазерната вълна към желания диапазон. Основното предимство на лазерите за багрила е възможността да се покрие широк диапазон от дължини на вълните в лентата на UV-Vis, но недостатъкът е, че използването на едно багрило/разтворител осигурява само тесна способност за настройка на дължината на вълната. За разлика от тях, твърдо състояние титанов сапфирски лазери имат предимството да осигурят широк диапазон на настройка на дължината на вълната, използвайки еднократна среда, но имат недостатъка да могат да работят само в близост до инфрачервената (NIR) лента от 690 до 1100 nm.
И за двете печалби настройките на дължината на вълната се постига чрез елементи на стабилизиране на пасивната дължина на вълната. Първият е филтърът за двупланиран двурефент или филтър LYOT. Този филтър модулира усилването, като осигурява висока трансмисия при определена дължина на вълната, като по този начин принуждава лазера да работи при тази дължина на вълната.
Настройката се осъществява чрез завъртане на този двуребрив филтър. Макар и прост, лазерът на стояща вълна CW позволява множество надлъжни лазерни режими. Това произвежда ширина на линията от около 40 GHz с пълна ширина половина височина (<1.5 cm-1), which can be a limiting factor for some applications such as Raman spectroscopy. To achieve narrower linewidths, a ring configuration is required.
Настроен CW Ring Lasers
От началото на 80 -те години на миналия век се използват лазери за постигане на регулируем CW изход чрез един надлъжен режим със спектрална честотна лента в диапазона на Килохърт. Подобно на стоящите вълнови лазери, регулируемите пръстеновидни лазери могат да използват багрила и титанов сапфир като печалба. Багрилата са способни да осигурят много тесна ширина на линията на<100 kHz, while titanium sapphire provides linewidths of <30 kHz. Dye lasers have a tuning range of 550 to 760 nm and titanium sapphire lasers have a tuning range of 680 to 1035 nm, and the outputs of both lasers can be frequency-doubled to the UV band.
Според принципа на несигурността на Хайзенберг, тъй като определението за енергия става по -прецизно, ширината на импулса, която може да бъде определена, става по -малко прецизна. За стоящи вълни CW лазери дължината на кухината определя количеството енергия, разрешено като дискретен надлъжен режим. Когато дължината на кухината е по -къса, броят на разрешените надлъжни режими се увеличава, което води до по -широка, по -малко дефинирана ширина на изходна линия.
В конфигурацията на пръстена лазерната кухина може да се счита за безкрайно дълга кухина и енергията може да бъде точно дефинирана. В кухината има само един надлъжен режим. За да се постигнат условия на работа с един режим, са особено необходими няколко оптични елемента (виж фиг. 2).
Фигура 2: Оптично оформление на титанов сапфирен лазер с форма на пръстен с външна референтна кухина.
Първо, изолаторът на Фарадей се вкарва в кухината, за да се гарантира, че вътрекавичните фотони винаги следват един и същ път. За по -нататъшно намаляване на изходната линия на изходна линия се използва интракавитно стандартизирано приспособление. За разлика от лазерните кухини на стояща вълна, в конфигурацията на пръстена няма крайни огледала. Фотоните циркулират непрекъснато в лазерната кухина. Второ, дължината на кухината трябва да бъде стабилизирана, за да се коригира за всички механични промени, причинени от колебанията в околната среда като топлина или вибрация.
За да се постигнат спектрални честотни ленти, кухината може да бъде стабилизирана с помощта на един от двата метода: един метод използва механични пиезоелектрични огледала за стабилизиране на дължината на кухината с време на реакция в диапазона на килохърт и другият метод използва електрооптични (EO) модулатори, за да постигне време на реакция в обхвата на Megahertz. Няколко специализирани лабораторни настройки показват, че спектралната честотна лента може да бъде измерена в Hertz. Ключовият фактор за определяне на спектралната разделителна способност на кухината на пръстена е референтната кухина на външната честота. Както е показано на фигура 2, референтна кухина се използва за генериране на сигнала, необходим за стабилизиране на дължината на лазерната кухина. Тази външна референтна кухина трябва да бъде изолирана от колебанията в околната среда, причинени от температура, механични вибрации и акустичен шум. Референтната кухина трябва да бъде добре отделена от самата лазерна кухина на пръстена, за да се избегне неволно свързване между двете. Референтният сигнал се обработва по метода на паунда-преобразувател.
Квази-континуумни лазери, включени в режим
За много приложения прецизно дефинираните времеви характеристики на лазерния изход са по -важни от прецизно дефинираната енергия. Всъщност постигането на къси оптични импулси изисква конфигурация на кухината, в която много надлъжни режими резонират едновременно. Когато тези циркулиращи надлъжни режими имат фиксирана фазова връзка в лазерната кухина, лазерът е заключен режим. Това ще реализира един импулс, който се колебае в кухината с период, определен от дължината на лазерната кухина.
Активно-заключването на режима може да бъде постигнато с помощта на акусто-оптичен модулатор (AOM) или пасивен режим, завъртящ се през Kerr обектив. Първият, който стана по -популярен през 80 -те години, използва вътрекавическата AOM като преходен затвор, който се отваря и затваря на половината от честотата на дължината на кухината. Импулсите на стотици пикосекунди могат да бъдат постигнати по този метод. През последните няколко десетилетия научните приложения изискват подобрена времева резолюция и следователно по -къси импулси.
Синхронно изпомпваните лазери за багрила осигуряват жизнеспособен метод за настройка на централната дължина на вълната и скъсяване на оптичния импулс с порядък (до десетки пикосекунди). За да се постигне това, лазерната кухина на багрилото трябва да има същата дължина на кухината като лазера на помпата, заключен с режим. Лазерните импулси на помпата и багрилото се срещат в средата на усилване, за да произвеждат възбудено излъчване от молекулите на багрилото. Лазерният изход се стабилизира чрез регулиране на дължината на лазерната кухина на багрилото. Синхронизираните помпени конфигурации могат да се използват и за задвижване на оптични параметрични осцилатори (OPO) (обсъдени по -долу).
Лазерът с режим Titanium Sapphire е пример за пасивен режим на режим Kerr Lens (виж фигура 3). При този подход импулсите се генерират от модулация на усилването, а коефициентът на пречупване на титанов сапфир зависи от интензивността.
По принцип, тъй като импулсът се разпространява през усилващата среда, интензивността на пика е по -висока в присъствието на импулса. Това създава пасивна леща, която фокусира по -плътно импулсния лъч и извлича усилването по -ефективно, докато няма печалба, която да поддържа едновременния резонанс на CW режимите в кухината. Механичните смущения в кухината се използват за предизвикване на интензивни шипове за иницииране на заключване на режим. Този подход позволи на титановия сапфир да произвежда импулси до 4 fs.
Фигура 3: В лазер с титаниев сапфир, включен в режим, дължината на централната вълна се настройва чрез преместване на настройката, разположена между двете дисперсивни призми.
Заслужава да се отбележи, че честотните ленти от повече от 300 nm могат да се комбинират в един импулс. Според принципа на несигурността на Хайзенберг, по -късите импулси изискват повече надлъжни режими. Следователно, лазерната кухина трябва да има достатъчно компенсация на дисперсията от оптиката на кухината, за да поддържа фазовата връзка, необходима за заключване на стабилно режим. Както е показано на фигура 3, към кухината се добавят компенсиране на призмите, за да се осигури постоянна фазова връзка. Използвайки този метод, могат да се получат импулси, колкото 20 fs. За да се получат по -къси импулси, също трябва да се компенсира дисперсията от по -висок ред. Тази компенсация се постига с помощта на оптичен обектив на Chirp, за да се поддържа фазовата връзка, необходима за стабилно заключване на режим.
Тъй като заключването на режим на режим на сбиване е най-ефективно с по-къси импулси (по-висока интензивност), този метод е предимно подходящ за генериране на фемтосекундни импулси. В диапазона от 100 fs ~ 100 ps може да се използва хибриден метод, наречен регенеративно заключване на режим. Този метод използва вътрекавитен AOM и Kerr ефект. Честотата на задвижването на AOM се извлича от измервания в реално време на честотата на повторение на кухината и амплитудата му зависи от продължителността на импулса. С увеличаването на желаната ширина на импулса и ефектът на KERR намалява, стабилизираната амплитуда на AOM се увеличава, за да поддържа заключването на режима. В резултат на това регенеративното заключване на режим може да осигури стабилен, регулируем изход в широк диапазон от 20 fs до 300 ps с помощта на една лазерна система.
В края на 90-те години, регенеративното заключване на режима даде възможност за първия регулируем, все по-контролиран титанов сапфирен лазер. Тази иновация направи технологията по -достъпна за по -широк спектър от изследователи и приложения. Напредъкът в многофотонните изображения се ръководи до голяма степен от технологичния напредък. Фемтосекундните лазерни импулси вече са достъпни за биолози, невролози и лекари. През годините са постигнати редица технологични постижения, които доведоха до общата употреба на титанови сапфирни лазери в биоизобразяването.
Ултрабързи иттербиеви лазери
Въпреки широката полезност на титанови сапфирни лазери, някои експерименти с биоизобразяване изискват по -дълги дължини на вълната. Типичните двуфотонни абсорбционни процеси се възбуждат от фотони при дължина на вълната 900 nm. Тъй като по -дългите дължини на вълната означават по -малко разсейване, по -дългите дължини на вълната на възбуждане могат по -ефективно да стимулират биологичните експерименти, които изискват дълбоки дълбочини на изображения.
Също така е изключително важно да се разгледа дължината на вълната на последващите флуоресцентни фотони на багрилото, прикрепено към биологичната проба. Дължината на вълната на такива флуоресцентни фотони обикновено е в лентата от 450 до 550 nm, която е по -податлива на разсейване. Следователно са разработени няколко флуоресцентни маркера, които прогресивно абсорбират инфрачервените дължини на вълната. За да отговори на това изискване, индустрията е разработила всичко в едно, компютърно контролирана, синхронно изпомпвана OPO, задвижвана от 1045 nm Ytterbium лазер с дължини на изходната вълна в диапазона от 680 до 1300 nm. За мултифотонни изображения тази архитектура предлага значително по -висока производителност алтернатива на титанови сапфирни лазери.
Ултрабързи усилватели
Горните примери произвеждат ултрабързи импулси в енергийния диапазон на нано-д -уле (NJ). Въпреки това, много приложения изискват по -високи енергийни настройки на светлинните източници. Тъй като преобразуването на дължината на вълната е нелинеен процес, ефективността зависи от наличната енергия. За тези приложения могат да се използват няколко техники за увеличаване на енергията и настройването на ултрабързите лазери.
Амплификацията на ултрабърните импулси може да бъде разделена на две основни категории: многостъпално усилване и регенеративно усилване. Първият има предимството, че много високи енергии (100 MJ) могат да бъдат постигнати с много нисък вход, но повторните преминавания през етапа на усилване влошават качеството на изходния лъч. Следователно, регенеративното усилване е предпочитаният метод за генериране на импулсни енергии в скалата на микроджуле (µJ) или Millijoule (MJ).
Като цяло, ултрабърната импулсна амплификация се постига чрез методи за амплификация на Chirped-Pulse (виж фиг. 4). Процесът започва с осцилатор, включен в режим, с продължителност на импулса на фемтосекунда, т.е. семенна лазер. От решаващо значение е семенният лазер да има достатъчна честотна лента, така че продължителността на пулса да може да бъде опъната или пробита във времето. Оптичното чукане се случва в резултат на различни цветове светлина, пътуващи през оптичния материал с различна скорост. По принцип червената светлина пътува по -бързо от синята светлина. Например, разширяващата се решетка въвежда положително изрязана червена светлина преди синята светлина, за да се разделят компонентите на дължината на вълната във времето и пространството. Разширяването на импулса е необходимо за намаляване на силната пикова мощност на мащабните импулси на Millijoule. След разширяване, импулсите от близо 300 к.с. са насочени към регенеративната лазерна кухина от втори етап. Последната стъпка е да използвате втора решетка за въвеждане на отрицателен чирп и реконструкция на усиления импулс. Целият процес е показан на фиг. 4.
Фигура 4: Изсмукана импулсна амплификация
Днес повечето регенеративни усилватели използват титанов сапфир, но други усилватели (напр. Ytterbium) стават все по -популярни. И при двете усилвания, усилвателите имат сравнително тясна настройка, като титанов сапфир има диапазон на настройка от около 780 до 820 nm, което ограничава тяхната полезност в спектроскопичните приложения. За да се преодолее това ограничение, са налични няколко метода за преобразуване на честотата.
Хармоничното преобразуване на честотата е най -простият начин да настроите дължината на вълната на ултрабърза осцилатор или ултрабърза усилвател. По принцип инцидентните фотони са надградени до цяло число, кратно на основната честота. За титановия сапфир (основен диапазон на настройка 700 ~ 1000 nm), диапазонът на настройка на втората хармоника е 350 ~ 500 nm, третата хармоника е 233 ~ 333 nm, а четвъртият хармоник е 175 ~ 250 nm. На практика, поради абсорбцията от хармоничните кристали, настройката на четвъртата хармоника е ограничена до 200 nm. За приложения, които изискват дължина на вълната извън този диапазон, параметърът за приложения, изискващи дължини на вълната извън този диапазон, се изискват опции за преобразуване на параметри.
Ултрабърза OPO и OPA
Въпреки че ултрабърният импулсен изход може да бъде умножен или дори утроен, диапазонът на настройка от 700 до 1000 nm на титанов сапфир оставя празнина на дължината на вълната в UV-vis и IR спектралните региони. За експерименти, които изискват ултрабързи импулси с дължини на вълната „в тези„ празни “региони“, е необходимо да се прехвърли параметрите на параметрите. Този метод преобразува един високоенергиен фотон в два нискоенергийни фотона: фототон на сигнала и фотон на празен ход (виж фигура 5).
Фигура 5: Схема на параметричната конверсия.
Разпределението на енергията между тези два фотона може да бъде конфигурирано от потребителя. В типична параметрична конфигурация, базирана на титанов сапфир, инцидентният фотон при дължина на вълната 800 nm, може да се настройва непрекъснато от около 1200 nm до 2600 nm., тъй като преобразуването на параметъра е нелинеен процес, ефективността на преобразуване може да стане проблем. За да се преодолее това ограничение, на нанофокалната енергия се използва оптичен параметричен осцилатор (OPO) и се използва оптичен параметричен усилвател (OPA) на нивото на милифокална енергия.
В кухината на OPO светлината се състои от къс пулс, който се разпространява напред и назад през кухината. Въпреки това, за разлика от описаната по -горе конфигурация на лазерната багрила, средата за активиране е нелинеен кристал и не съхранява усилване. OPO кристалът преобразува фотони само в присъствието на импулс на помпата. Успешната работа на ултрабърза OPO изисква импулсите от източника на помпа да пристигнат на кристала едновременно с прадейните и сигналните фотони, циркулиращи около кухината на OPO. С други думи, титанов сапфирен лазер с фиксирана вълна и ултрабърх OPO трябва да има точно същата дължина на кухината.
Оформлението на типичен ултрабърх OPO е показано на фигура 6. Фазовото съвпадение и дължината на кухината автоматично избира желаната дължина на вълната и гарантира, че времето за кръгло пътуване между вътрекавизацията за тази дължина на вълната се поддържа при 80 MHz, което е същото като за лазер на помпата от титан сапфир. В този пример OPO се задвижва от втората хармоника на лазера на помпата от титаниев сапфир. Полученият 400 nm лъч произвежда изходи сигнал и лори с общо покритие на дължината на вълната от 490 до 750 nm (изход на сигнала) и 930 nm до 2,5 µm (Loiter изход), с ширина на импулса под 200 fs. В комбинация с обхвата на настройка на Titanium Sapphire Fundamental от 690 до 1040 nm, системата покрива диапазон на дължината на вълната от 485 nm до 2,5 µm. обхват. Типичните приложения включват Soliton Studies, Vibrational Spectroscopy, разрешена във времето и експерименти с ултрабърза помпена сонда.
Фигура 6: В синхронно изпомпван оптичен параметричен осцилатор (OPO), централната дължина на вълната се променя чрез регулиране на фазовия ъгъл на съвпадение на нелинейния кристал.
OPA използва същия нелинеен оптичен процес, но тъй като импулсът на помпата има по -висока пикова мощност, не се изисква оптичен резонатор за ефективно преобразуване на дължината на вълната. Малка част от лъча от ултрабързовия усилвател е фокусирана върху сапфирна плоча, за да се получи спектър на континуум от бяла светлина. Спектърът на континуум на бялата светлина се засява в кристал OPA (обикновено кристал с барий борат) и се изпомпва с останалата част от ултрабърния усилвател. Единичен проход на лъча през OPA създава сигнал за усилен ред и бездомна светлина. Дължината на централната вълна на изходната светлина отново се контролира от условията на съвпадение на фазата на кристала, а спектралната честотна лента обикновено се определя от честотната лента на помпата и семенните греди или получената честотна лента на кристала.
Този OPA може да работи в обхвата на фемтосекунда или пикосекунда с енергии до няколко милиджула на импулс. При тези енергийни нива получената светлина на сигнала и празен ход могат да бъдат преобразувани в техните хармоници или чрез смесване на честота на сума и/или разлика.
OPAS, изпомпвани с енергии на импулс на милиоул, са способни да генерират фотони от 190 nm дълбоки ултравиолетови до далечния инфрачервен спектрален участък. Тези устройства улесняват много спектроскопични приложения като преходна абсорбционна спектроскопия, флуоресценция, 2D инфрачервена спектроскопия и високо хармонично генериране.
Заключение
Настройващите се лазери сега се използват в много важни приложения, вариращи от основни научни изследвания до лазерно производство и науки за живота и здравето. Обхватът на наличните в момента технологии е огромен. Започвайки с прости CW регулируеми системи, тесната им ширина на линията може да се използва за спектроскопия с висока разделителна способност, молекулярна и атомно улавяне и експерименти с квантова оптика, предоставяща критична информация на съвременните изследователи.
По-сложните ултрабързи усилвател системи използват високоенергийни, пикосекундни и фемтосекундни лазерни импулси, за да произвеждат лазерен изход в UV към далечно-червени ленти. Тези ултрабързи лазери са от решаващо значение за разбирането на високоенергийната физика, високите хармоници и преходната спектроскопия. Широкият диапазон на настройка означава, че същата лазерна система може да се използва за изследване на безкраен диапазон от експерименти в електронна и вибрационна спектроскопия. Днешните лазерни производители предлагат решения от тип едно гише, осигуряващи лазерни изходи, обхващащи повече от 300 nm в нанофокалния енергиен диапазон. По -сложните системи обхващат впечатляващо широк спектрален диапазон от 200 до 20, 000 nm в диапазоните на микрофокус и милифокус.
