Multe lasere permit operatorului să regleze sau să schimbe lungimea de undă de ieșire în intervalul de lungime de undă UV la IR, după cum este necesar. În urma discuțiilor noastre anterioare despre modul în care sunt implementate laserele reglabile, acest articol va discuta în detaliu tipurile și aplicațiile laserelor reglabile.
Aplicațiile care utilizează lasere reglabile se încadrează, în general, în două categorii largi: cele în care un laser cu lungime de undă fixă cu o singură linie fixă nu este în măsură să ofere lungimea de undă discretă dorită sau lungimile de undă, precum și cele în care lungimea de undă laser trebuie să fie reglate continuu în timpul experimentelor sau testelor, cum ar fi în spectroscopie și experimente de probă de pompe.
Multe tipuri de lasere reglabile sunt capabile să producă ieșiri de undă continuă reglabilă (CW), nanosecundă, picosecundă sau impulsuri femtosecunde. Caracteristicile lor de ieșire sunt determinate de mediul de câștig laser utilizat.
O cerință de bază pentru laserele reglabile este aceea că sunt capabile să emită lumină laser pe o gamă largă de lungimi de undă. Optica specială poate fi utilizată pentru a selecta o lungime de undă specifică sau o bandă de lungimi de undă din banda de emisie a laserului reglabil.
Există o varietate de materiale de câștig capabile să producă lasere reglabile, dintre care cele mai frecvente sunt coloranții organici și cristale de safir de titan (TI: Sapphire). În cazul acestor două materiale de câștig, laserele cu ion ion de neodim dublat de frecvență (nd 3+}) sunt utilizate ca sursă de pompă datorită absorbției lor eficiente a luminii pompei la aproximativ 490 nm.
Moleculele de colorant pot fi utilizate pentru a produce lungimi de undă în gama ultravioletă până la vizibil (UV-VIS). Cu toate acestea, comutarea între multe molecule de colorant diferite este necesară pentru a obține o gamă largă de reglare, ceea ce face ca procesul să fie destul de greoi și complex. În schimb, laserele în stare solidă pot obține o gamă largă de reglare folosind un singur material cu câștig laser (de exemplu, cristale dielectrice), eliminând necesitatea modificărilor frecvente de colorant.
În prezent, Titanium Sapphire a apărut ca material principal de câștig cu laser reglabil, cu un spectru de emisie largă de 680 până la 1100 nm, care poate fi reglat continuu și o ieșire care poate fi convertită în sus la intervalul spectral UV-VIS sau în concordanță cu regiunea spectrală IR. Aceste proprietăți permit o gamă largă de aplicații în chimie și biologie.
Lasere cu valuri în picioare reglabile
Conceptual, CW Standing Wase Laser este cea mai simplă arhitectură laser. Este format dintr -o oglindă extrem de reflectantă, un mediu de câștig și o oglindă de cuplaj de ieșire (a se vedea figura 1), care oferă o ieșire CW folosind o varietate de medii de câștig laser. Pentru a obține tunabilitate, mediul de câștig trebuie selectat pentru a acoperi intervalul de lungime de undă țintă.
Figura 1: Schema unui laser cu undă în picioare CW pe bază de safir. Este afișat un filtru de reglare birefringent.
Mulți coloranți fluorescenți pot fi folosiți pentru a regla lungimea de undă laser la intervalul dorit. Principalul avantaj al laserelor de vopsire este capacitatea de a acoperi o gamă largă de lungimi de undă în banda UV-vis, dar dezavantajul este că utilizarea unui singur colorant/solvent oferă doar o capacitate îngustă de reglare a lungimii de undă. În schimb, laserele de safir de titan în stare solidă au avantajul de a oferi o gamă largă de reglare a lungimii de undă folosind un singur mediu de câștig, dar au dezavantajul de a putea opera doar în banda de infraroșu aproape (NIR) de la 690 la 1100 nm.
Pentru ambele medii de câștig, reglarea lungimii de undă este obținută prin elemente de stabilizare a lungimii de undă pasive. Primul este filtrul cu mai multe plăci birefringent sau filtrul LYOT. Acest filtru modulează câștigul prin furnizarea de transmisie ridicată la o lungime de undă specifică, forțând astfel laserul să funcționeze la acea lungime de undă.
Reglarea se realizează prin rotirea acestui filtru birefringent. Deși simplu, laserul cu undă în picioare CW permite mai multe moduri laser longitudinale. Aceasta produce o lățime de linie de aproximativ 40 GHz cu o lățime completă cu o lățime completă (<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.
Lasere cu inel CW reglabil
De la începutul anilor 1980, laserele inelare au fost utilizate pentru a obține o ieșire reglabilă de CW printr -un singur mod longitudinal, cu o lățime de bandă spectrală în gama Kilohertz. Similar cu laserele cu undă în picioare, laserele cu inel reglabil pot folosi coloranți și safir de titan ca media de câștig. Coloranții sunt capabili să ofere lățimi de linie foarte înguste de<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.
Conform principiului de incertitudine al lui Heisenberg, pe măsură ce definiția energiei devine mai precisă, lățimea pulsului care poate fi determinată devine mai puțin precisă. Pentru laserele CW cu undă în picioare, lungimea cavității definește cantitatea de energie permisă ca mod longitudinal discret. Când lungimea cavității este mai scurtă, numărul de moduri longitudinale a permis crește, rezultând o lățime de linie de ieșire mai largă, mai puțin definită.
În configurația inelului, cavitatea laser poate fi considerată o cavitate infinit de lungă și energia poate fi definită cu precizie. În cavitate este prezent doar un singur mod longitudinal. Pentru a obține condiții de operare cu un singur mod, sunt necesare în special mai multe elemente optice (vezi Fig. 2).
Figura 2: Dispunerea optică a unui laser de safir de titan în formă de inel cu o cavitate de referință externă.
În primul rând, un izolator Faraday este introdus în cavitate pentru a se asigura că fotonii intracavității urmează întotdeauna aceeași cale. Un element standardizat cu intracavitate este utilizat pentru a reduce și mai mult lățimea de linie de ieșire. Spre deosebire de cavitățile laser cu undă în picioare, nu există oglinzi de capăt în configurația inelului. Fotonii circulă continuu în cavitatea laserului. În al doilea rând, lungimea cavității trebuie stabilizată pentru a corecta orice modificări mecanice cauzate de fluctuațiile mediului, cum ar fi căldura sau vibrațiile.
Pentru a realiza lățimile de bandă spectrale ultra-narele, cavitatea poate fi stabilizată folosind una dintre cele două metode: o metodă folosește oglinzi mecanice piezoelectrice pentru a stabiliza lungimea cavității cu un timp de răspuns în intervalul Kilohertz, iar cealaltă metodă folosește modulatori electro-optici (EO) pentru a obține timpi de răspuns în intervalul Megahertz. Mai multe setări de laborator specializate au arătat că lățimea de bandă spectrală poate fi măsurată în Hertz. Factorul cheie în determinarea rezoluției spectrale a cavității inelului este cavitatea de referință a frecvenței externe. Așa cum se arată în figura 2, o cavitate de referință este utilizată pentru a genera semnalul necesar pentru a stabiliza lungimea cavității laserului. Această cavitate de referință externă trebuie să fie izolată de fluctuațiile de mediu cauzate de temperatură, vibrații mecanice și zgomot acustic. Cavitatea de referință ar trebui să fie bine separată de cavitatea laserului inelar în sine pentru a evita cuplarea neintenționată între cele două. Semnalul de referință este procesat folosind metoda de lire sterline-hall-hall.
Lasere cvasi-continuum blocate în mod
Pentru multe aplicații, caracteristicile temporale definite precis ale producției laser sunt mai importante decât energia definită precis. De fapt, obținerea de impulsuri optice scurte necesită o configurație a cavității în care multe moduri longitudinale rezonează simultan. Când aceste moduri longitudinale circulante au o relație de fază fixă în cavitatea laserului, laserul este blocat în mod. Acest lucru va realiza un singur impuls care oscilează în cavitate cu o perioadă definită de lungimea cavității laser.
Blocarea activă a modului poate fi obținută folosind un modulator acusto-optic (AOM) sau blocare pasivă în mod printr-un obiectiv Kerr. Primul, care a devenit mai popular în anii '80, folosește AOM -ul intracavității ca obturator tranzitoriu care se deschide și se închide la jumătate din frecvența lungimii cavității. Se pot obține impulsuri de sute de picosecunde folosind această metodă. În ultimele decenii, aplicațiile științifice au necesitat o rezoluție temporală îmbunătățită și, prin urmare, impulsuri mai scurte.
Laserele de colorant pompate sincron oferă o metodă viabilă pentru reglarea lungimii de undă centrale și scurtarea pulsului optic printr -un ordin de mărime (la zeci de picosecunde). Pentru a realiza acest lucru, cavitatea laserului de vopsea trebuie să aibă aceeași lungime a cavității ca laserul pompei blocate în mod. Impulsurile cu laser cu pompă și vopsea se întâlnesc la mediul de câștig pentru a produce radiații excitate din moleculele de colorant. Ieșirea cu laser este stabilizată prin reglarea lungimii cavității laserului laser. Configurațiile de pompare sincronizate pot fi, de asemenea, utilizate pentru a conduce oscilatoare parametrice optice (OPOS) (discutate mai jos).
Laserul blocat în modul Sapphire de titan este un exemplu de blocare a modului pasiv Kerr Lens (a se vedea figura 3). În această abordare, impulsurile sunt generate de modularea câștigului, iar indicele de refracție al safirului de titan depinde de intensitate.
În principiu, pe măsură ce pulsul se propagă prin mediul de câștig, intensitatea maximă este mai mare în prezența pulsului. Acest lucru creează o lentilă pasivă care concentrează mai bine fasciculul pulsului și extrage câștigul mai eficient până când nu există niciun câștig care să susțină rezonanța simultană a modurilor CW în cavitate. Perturbațiile mecanice ale cavității sunt utilizate pentru a induce vârfuri de intensitate pentru a iniția blocarea modului. Această abordare a permis safirului de titan să producă impulsuri de până la 4 fs.
Figura 3: Într-un laser de safir de titan blocat în mod, lungimea de undă centrală este reglată prin mutarea fantei de reglare situată între cele două prisme dispersive.
Este demn de remarcat faptul că lățimile de bandă de peste 300 nm pot fi combinate într -un singur impuls. Conform principiului de incertitudine al lui Heisenberg, impulsurile mai scurte necesită mai multe moduri longitudinale. Prin urmare, cavitatea laser trebuie să aibă o compensație de dispersie suficientă de la optica cavității pentru a menține relația de fază necesară pentru blocarea modului stabil. Așa cum se arată în figura 3, se adaugă prisme compensante la cavitate pentru a asigura o relație de fază constantă. Folosind această metodă, pot fi obținute impulsuri până la 20 de FS. Pentru a produce impulsuri mai scurte, trebuie să se compenseze și dispersia mai mare a ordinii. Această compensație se realizează folosind o lentilă de chirp optică pentru a menține relația de fază necesară pentru blocarea stabilă a modului.
Deoarece blocarea modului cu lentile chirped este cea mai eficientă cu impulsuri mai scurte (intensitate mai mare), această metodă este potrivită în primul rând pentru generarea de impulsuri femtosecunde. În intervalul de 100 fs ~ 100 ps, poate fi utilizată o metodă hibridă numită blocarea modului regenerativ. Această metodă folosește Intracavity AOM și efectul Kerr. Frecvența de acționare AOM este derivată din măsurători în timp real ale frecvenței de repetare a cavității, iar amplitudinea acesteia depinde de durata pulsului. Pe măsură ce lățimea pulsului dorit crește și efectul Kerr scade, amplitudinea AOM stabilizată crește la blocarea modului de susținere. Drept urmare, blocarea modului regenerativ poate oferi o ieșire stabilă, reglabilă, pe o gamă largă de 20 fs până la 300 ps, folosind un singur sistem laser.
La sfârșitul anilor 90, blocarea modului regenerativ a permis primul laser de titan de safir de titan, controlat de computer, controlat de computer. Această inovație a făcut tehnologia mai accesibilă pentru o gamă mai largă de cercetători și aplicații. Progresele în imagistica multiphoton au fost determinate în mare parte de progrese tehnologice. Impulsurile cu laser femtosecunde sunt acum disponibile pentru biologi, neuroștiințiști și medici. O serie de progrese tehnologice au fost realizate de -a lungul anilor care au dus la utilizarea generală a laserelor de safir de titan în bioimagistică.
Lasere de ytterbium ultrarapiu
În ciuda utilității largi a laserelor de safir de titan, unele experimente de bioimagistică necesită lungimi de undă mai lungi. Procesele tipice de absorbție de doi fotoni sunt excitați de fotoni la o lungime de undă de 900 nm. Deoarece lungimile de undă mai lungi înseamnă mai puțin împrăștiere, lungimile de undă de excitație mai lungi pot conduce mai eficient experimentele biologice care necesită adâncimi de imagistică mai profunde.
De asemenea, este esențial să luăm în considerare lungimea de undă a fototonilor fluorescenți ulterior ai colorantului atașat la eșantionul biologic. Lungimea de undă a unor astfel de fotoni fluorescenți este de obicei în banda de 450 până la 550 nm, ceea ce este mai sensibil la împrăștiere. Prin urmare, au fost dezvoltați mai mulți markeri fluorescenți care absorb progresiv lungimile de undă infraroșii. Pentru a îndeplini această cerință, industria a dezvoltat un OPO all-in-one, controlat de computer, pompat sincron, condus de un laser de ytterbium de 1045 nm, cu lungimi de undă de ieșire în intervalul 680 până la 1300 nm. Pentru imagistica multiphoton, această arhitectură oferă o alternativă de performanță semnificativ mai mare la laserele de safir de titan.
Amplificatoare ultrarapele
Exemplele de mai sus produc impulsuri ultrarafast în intervalul de energie nano-joule (NJ). Cu toate acestea, multe aplicații necesită surse de lumină reglabile cu energie mai mare. Deoarece conversia lungimii de undă este un proces neliniar, eficiența depinde de energia disponibilă. Pentru aceste aplicații, mai multe tehnici pot fi utilizate pentru a crește energia și tunabilitatea laserelor ultrarapele.
Amplificarea impulsurilor ultrarafast poate fi împărțită în două categorii principale: amplificarea pe mai multe etape și amplificarea regenerativă. Prima are avantajul că energiile foarte mari (100 MJ) pot fi obținute cu un aport foarte scăzut, dar trecerile repetate prin etapa de amplificare degradează calitatea fasciculului de ieșire. Prin urmare, amplificarea regenerativă este metoda preferată pentru generarea energiilor pulsului pe scala microjoule (µJ) sau millijoule (MJ).
În general, amplificarea pulsului ultrarapast este obținută prin metode de amplificare a pulsului ciupit (vezi Fig. 4). Procesul începe cu un oscilator blocat în mod cu durata pulsului femtosecundă, adică un laser de semințe. Este esențial ca laserul de semințe să aibă o lățime de bandă suficientă, astfel încât durata pulsului să poată fi întinsă sau ciupită la timp. Chirirea optică are loc ca urmare a diferitelor culori de lumină, călătorind prin materialul optic la viteze diferite. În general, lumina roșie călătorește mai repede decât lumina albastră. De exemplu, o grătar de lărgire introduce lumina roșie ciupită pozitiv înainte de lumina albastră pentru a separa componentele lungimii de undă în timp și spațiu. Lărgirea pulsului este necesară pentru a reduce puterea maximă de vârf a impulsurilor femtosecunde la scară de milijoule. După lărgire, impulsurile de aproape 300 ps sunt direcționate către cavitatea laser regenerativă în a doua etapă. Ultima etapă este de a utiliza o a doua grătar pentru a introduce un chirp negativ și a reconstrui pulsul amplificat. Întregul proces este prezentat în Fig. 4.
Figura 4: Amplificarea pulsului ciupit
Astăzi, majoritatea amplificatoarelor regenerative folosesc safir de titan, dar alte medii de câștig (de exemplu, Ytterbium) devin din ce în ce mai populare. Cu ambele medii de câștig, amplificatoarele au o tunabilitate relativ restrânsă, safirul de titan având un interval de reglare de aproximativ 780 până la 820 nm, ceea ce limitează utilitatea lor în aplicațiile de spectroscopie. Pentru a depăși această limitare, sunt disponibile mai multe metode de conversie a frecvenței.
Conversia frecvenței armonice, este cea mai simplă modalitate de a regla lungimea de undă a unui oscilator ultrarapast sau a unui sistem de amplificator ultrarapi. În principiu, fotonii incidente sunt confecționați cu un multiplu întreg al frecvenței fundamentale. Pentru Sapphire de titan (interval de reglare fundamentală 700 ~ 1000 nm), intervalul de reglare a celui de -al doilea armonic este de 350 ~ 500 nm, al treilea armonic este de 233 ~ 333 nm, iar al patrulea armonic este 175 ~ 250 nm. În practică, din cauza absorbției de către cristalele armonice, reglarea celui de -al patrulea armonic este limitată la 200 nm. Pentru aplicațiile care necesită o lungime de undă în afara acestui interval, parametrul pentru aplicațiile care necesită lungimi de undă dincolo de acest interval, sunt necesare opțiuni de conversie a parametrilor.
Ultrarapast OPO și OPA
Deși ieșirea pulsului ultrarapast poate fi înmulțită sau chiar triplată, intervalul de reglare de 700 până la 1000 nm a safirului de titan lasă un decalaj de lungime de undă în regiunile spectrale UV-Vis și IR. Pentru experimentele care necesită impulsuri ultrarapele cu lungimi de undă „în aceste„ regiuni ”, este necesară conversia în jos a parametrilor. Această metodă transformă un singur foton cu energie mare în doi fotoni cu energie redusă: un foton de semnal și un foton de ralanti (vezi figura 5).
Figura 5: Schema conversiei parametrice în jos.
Distribuția de energie între acești doi fotoni poate fi configurată de utilizator. Într-o configurație parametrică tipică bazată pe safir de titan, fotonul incident la o lungime de undă de 800 nm, poate fi reglat continuu de la aproximativ 1200 nm la 2600 nm.m.Scese, conversia parametrilor în jos este un proces neliniar, eficiența de conversie poate deveni o problemă. Pentru a depăși această limitare, la nivelul energiei nanofocale este utilizat un oscilator parametric optic (OPO) și un amplificator parametric optic (OPA) este utilizat la nivel de energie milifocal.
În cavitatea Opo, lumina constă dintr -un puls scurt care se propagă înainte și înapoi prin cavitate. Cu toate acestea, spre deosebire de configurația laserului de vopsea descrisă mai sus, mediul de activare este un cristal neliniar și nu stochează câștigul. Cristalul OPO transformă fotonii doar în prezența unui impuls de pompă. Funcționarea cu succes a unui OPO ultrarapast necesită ca impulsurile de la sursa pompei să ajungă la cristal în același timp cu fotonii de ralanti și semnal care circulă în jurul cavității OPO. Cu alte cuvinte, un laser de safir de titan cu lungime de undă fixă și un OPO ultrarapast trebuie să aibă exact aceeași lungime a cavității.
Dispunerea unui OPO tipic ultratrapast este prezentat în figura 6. Potrivirea fazelor și lungimea cavității selectează automat lungimea de undă dorită și se asigură că timpul de intrare dus-întors pentru acea lungime de undă este păstrat la 80 MHz, ceea ce este același ca pentru un laser cu pompă safire de titan. În acest exemplu, OPO este condus de a doua armonică a laserului pompei de safir de titan. Fasciculul rezultat de 400 nm produce ieșiri de semnal și loiter cu o acoperire totală a lungimii de undă de 490 până la 750 nm (ieșire de semnal) și 930 nm până la 2,5 µm (ieșire de loater), cu o lățime a pulsului mai mică de 200 fs. Atunci când este combinat cu gama de reglare a Titaniului Sapphire Fundamental de 690 până la 1040 nm, sistemul acoperă un interval de lungime de undă de 485 nm până la 2,5 µm. gamă. Aplicațiile tipice includ studii de soliton, spectroscopie vibrațională rezolvată în timp și experimente ultrarapast-pompe.
Figura 6: Într-un oscilator parametric optic pompat sincron (OPO), lungimea de undă centrală este variată prin reglarea unghiului de potrivire a fazelor cristalului neliniar.
OPA utilizează același proces optic neliniar, dar, deoarece pulsul pompei are o putere de vârf mai mare, un rezonator optic nu este necesar pentru o conversie eficientă a lungimii de undă. O porțiune mică a fasciculului din amplificatorul ultrarapist este concentrată pe o placă de safir pentru a produce un spectru continuu al alb. Spectrul continuum al luminii albe este însămânțat într -un cristal Opa (de obicei un cristal de borat de bariu) și pompat cu restul fasciculului de amplificator ultrarapi. O singură trecere a fasciculului prin OPA produce un ordin de semnal amplificat de mărime și lumină rătăcită. Lungimea de undă centrală a luminii de ieșire este din nou controlată de condițiile de potrivire a fazelor cristalului, iar lățimea de bandă spectrală este de obicei determinată de lățimea de bandă a pompei și a grinzilor de semințe sau de lățimea de bandă primită a cristalului.
Acest OPA poate funcționa în gama femtosecundă sau picosecundă, cu energii de până la câteva millijoule pe impuls. La aceste niveluri de energie, semnalul rezultat și lumina de ralanti pot fi convertite în armonice sau prin sumă și/sau amestecarea frecvenței diferenței.
OPA -urile pompate cu energii de impuls millijoule sunt capabile să genereze fotoni de la ultravioletul profund de 190 nm până la regiunea spectrală cu infraroșu îndepărtat. Aceste dispozitive facilitează multe aplicații spectroscopice, cum ar fi spectroscopie de absorbție tranzitorie, conversie fluorescentă, spectroscopie cu infraroșu 2D și generare armonică ridicată.
Concluzie
Laserele reglabile sunt acum utilizate în multe aplicații importante, de la cercetarea științifică de bază până la fabricarea cu laser și științele vieții și sănătății. Gama de tehnologii disponibile în prezent este vastă. Începând cu sisteme simple de reglaj CW, lățimile lor de linie înguste pot fi utilizate pentru spectroscopie de înaltă rezoluție, captare moleculară și atomică și experimente optice cuantice, oferind informații critice cercetătorilor moderni.
Sisteme de amplificator ultrarapiști mai sofisticate utilizează impulsuri laser cu energie mare, picosecundă și femtosecundă pentru a produce o ieșire laser în UV la benzi roșii îndepărtate. Aceste lasere ultrarapate sunt esențiale pentru înțelegerea fizicii cu energie mare, a armonicelor ridicate și a spectroscopiei tranzitorii. Gama largă de reglare înseamnă că același sistem laser poate fi utilizat pentru a studia o gamă infinită de experimente în spectroscopie electronică și vibrațională. Producătorii de laser de astăzi oferă soluții de tip unic-stop-shop, oferind ieșiri laser care se întind pe peste 300 nm în gama de energie nanofocală. Sisteme mai sofisticate acoperă o gamă spectrală impresionant de largă de 200 până la 20, 000 nm în intervalele de energie microfocus și Millifocus.
