Багато лазерів дозволяють оператору налаштувати або змінювати довжину хвилі виходу в діапазоні УФ -ІЧ -довжини хвилі за потребою. Виходячи з нашого попереднього обговорення того, як реалізуються регульовані лазери, ця стаття детально обговорить типи та програми регульованих лазерів.
Програми, що використовують налаштовані лазери, як правило, потрапляють у дві широкі категорії: ті, в яких лазер з фіксованою довжиною нерухомості не в змозі забезпечити бажану дискретну довжину хвилі або довжини хвилі, і ті, в яких лазерна довжина хвилі повинна постійно налаштовуватися під час експериментів або тестів, таких як у спектроскопії та експериментах з насосом.
Багато типів регульованих лазерів здатні виробляти регульовану безперервну хвилю (CW), наносекунд, пікосекунд або фемтосекундні імпульсні виходи. Їх вихідні характеристики визначаються використовуваним середовищем посилення лазерного посилення.
Основна вимога до регульованих лазерів полягає в тому, що вони здатні випромінювати лазерне світло в широкому діапазоні довжин хвиль. Спеціальна оптика може бути використана для вибору конкретної довжини хвилі або смуги довжин хвиль із смуги викидів регульованого лазера.
Існують різноманітні матеріали для посилення, здатні виробляти регульовані лазери, найпоширенішими з яких є органічні барвники та титанові кристали сапфіру (Ti: сапфір). У випадку цих двох матеріалів посилення лазери іона аргону (AR+) або частота, що висунуті частотою, лазери іон (ND 3+) використовуються як джерело насоса завдяки їх ефективному поглинанню світла насоса приблизно 490 нм.
Молекули барвника можна використовувати для отримання довжин хвиль у ультрафіолетовому до видимого (УФ-ВІС). Однак для досягнення широкого діапазону настройки необхідний перемикання між багатьма різними молекулами барвника, що робить процес досить громіздким та складним. На відміну від цього, твердотільні лазери можуть досягти широкого діапазону настройки, використовуючи лише один матеріал лазерного посилення (наприклад, діелектричні кристали), усуваючи потребу в частих змінах барвника.
В даний час Titanium Sapphire став первинним регульованим матеріалом лазерного посилення, з широким спектром викидів від 680 до 1100 нм, який може бути постійно налаштований та вихід, який може бути переповнений у УФ-спектральному діапазоні або вниз до ІЧ-спектральної області. Ці властивості дозволяють широкий спектр застосувань з хімії та біології.
Налаштовані лазери стоячих хвиль CW
Концептуально лазер стоячої хвилі CW - це найпростіша лазерна архітектура. Він складається з високо відбиваючого дзеркала, посилення середовища та дзеркала вихідного зчеплення (див. Малюнок 1), яке забезпечує вихід CW за допомогою різноманітних середовищ лазерного посилення. Для досягнення настройності необхідно вибрати середовище посилення для покриття цільового діапазону довжин хвиль.
Малюнок 1: Схема титанового сапфіру на основі сапфіру стоячої хвилі. Показано фільтр настройки з двома.
Багато флуоресцентних барвників можуть бути використані для налаштування лазерної довжини хвилі до потрібного діапазону. Основна перевага лазерів барвників-це здатність охоплювати широкий спектр довжин хвиль у діапазоні УФ-ВІС, але недоліком є те, що використання одного барвника/розчинника забезпечує лише можливість настройки вузької довжини хвилі. На відміну від цього, твердотільні лазери титанового сапфіру мають перевагу у забезпеченні широкого діапазону настройки довжини хвилі за допомогою одного середовища посилення, але мають недолік лише в змозі працювати в ближній інфрачервоній (NIR) смузі від 690 до 1100 нм.
Для обох носіїв посилення настройка довжини хвилі досягається за допомогою пасивних елементів стабілізації довжини хвилі. Перший-це мультипланований фільтр для двояків або фільтр Lyot. Цей фільтр модулює посилення, забезпечуючи високу передачу на певній довжині хвилі, тим самим змушуючи лазер працювати на цій довжині хвилі.
Налаштування здійснюється шляхом обертання цього фірмового фільтра. Хоча простий, лазер стоячої хвилі CW дозволяє здійснювати кілька поздовжніх лазерних режимів. Це виробляє ширину ліній близько 40 ГГц на повну ширину напіввисоту (<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.
Налаштовані кільцеві лазери CW
Починаючи з початку 1980 -х, кільцеві лазери використовувались для досягнення регульованого виходу CW за допомогою одного поздовжнього режиму з спектральною пропускною здатністю в діапазоні Кілоерца. Подібно до стоячих хвильових лазерів, регульовані кільцеві лазери можуть використовувати барвники та титановий сапфір як засоби масової інформації. Барвники здатні забезпечити дуже вузькі лінійки<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.
Відповідно до принципу невизначеності Гейзенберга, оскільки визначення енергії стає більш точним, ширина імпульсу, яку можна визначити, стає менш точною. Для лазерів стоячої хвилі CW довжина порожнини визначає кількість енергії, дозволеної як дискретний поздовжній режим. Коли довжина порожнини коротша, кількість поздовжніх режимів дозволена збільшується, що призводить до більш широкої, менш визначеної вихідної ширини вихідної лінії.
У конфігурації кільця лазерну порожнину можна вважати нескінченно довгою порожниною, і енергія може бути точно визначена. У порожнині присутній лише один поздовжній режим. Для досягнення умов експлуатації одномодового режиму особливо необхідні кілька оптичних елементів (див. Рис. 2).
Малюнок 2: Оптичний макет кільцеподібного титанового сапфірового лазера із зовнішньою еталонною порожниною.
По -перше, ізолятор Фарадей вставляється в порожнину, щоб переконатися, що фотони внутрішньочеревності завжди йдуть одним і тим же шляхом. Для подальшого зменшення вихідної ширини вихідної ширини використовується стандартизоване кріплення внутрішньочеревності. На відміну від лазерних порожнин стоячої хвилі, в конфігурації кільця немає кінцевих дзеркал. Фотони циркулюють постійно в лазерній порожнині. По -друге, довжина порожнини повинна бути стабілізована, щоб виправити будь -які механічні зміни, спричинені коливаннями навколишнього середовища, такими як тепло або вібрація.
Для досягнення спектральної пропускної здатності ультра-нарроу порожнину можна стабілізувати за допомогою одного з двох методів: один метод використовує механічну п'єзоелектричну дзеркала для стабілізації довжини порожнини за допомогою часу відповіді в діапазоні кілогерца, а інший метод використовує електроптичні (ЕО) модультори для досягнення відповідей у діапазоні Megahertz. Кілька спеціалізованих лабораторних налаштувань показали, що спектральну пропускну здатність можна виміряти в Герц. Ключовим фактором у визначенні спектральної роздільної здатності кільцевої порожнини є зовнішня еталонна порожнина. Як показано на малюнку 2, для створення сигналу, необхідного для стабілізації довжини лазерної порожнини, використовується опорна порожнина. Ця зовнішня референтна порожнина повинна бути виділена від коливань навколишнього середовища, спричинених температурою, механічними коливаннями та акустичним шумом. Референтна порожнина повинна бути добре відокремлена від самої кільцевої лазерної порожнини, щоб уникнути ненавмисного зв'язку між ними. Референтний сигнал обробляється за допомогою методу фунта-древа-залука.
Квазісів-контуум-лазери
Для багатьох застосувань точно визначені часові характеристики лазерного виходу важливіші, ніж точно визначена енергія. Насправді, для досягнення коротких оптичних імпульсів потрібна конфігурація порожнини, в якій одночасно резонувати багато поздовжніх режимів. Коли ці циркулюючі поздовжні режими мають фіксовану фазову залежність у лазерній порожнині, лазер замикається на режим. Це усвідомитиме один імпульс, що коливається всередині порожнини, з періодом, визначеним довжиною лазерної порожнини.
Активне блокування режиму можна досягти за допомогою акусто-оптичного модулятора (AOM) або пасивного блокування режиму через об'єктив Kerr. Перший, який став більш популярним у 1980 -х роках, використовує внутрішньокавіозність AOM як перехідний затвор, який відкривається і закривається на половині частоти довжини порожнини. Імпульси сотень пікосекунд можна досягти за допомогою цього методу. В останні кілька десятиліть наукові програми вимагали вдосконаленої тимчасової роздільної здатності, а отже, і коротших імпульсів.
Синхронно накачані лазери барвників забезпечують життєздатний метод налаштування центральної довжини хвилі та скорочення оптичного імпульсу на порядок (до десятків пікосекунд). Для цього, лазерна порожнина барвника повинна мати ту саму довжину порожнини, що і лазер насоса, що замикається на режим. Лазерні імпульси насоса та барвника зустрічаються на середовищі посилення для отримання збудженого випромінювання з молекул барвника. Лазерний вихід стабілізується шляхом регулювання довжини лазерної порожнини барвника. Синхронізовані конфігурації насосів також можна використовувати для керування оптичними параметричними осциляторами (OPOS) (обговорюється нижче).
Лазер із замиканням режиму титанового сапфіру є прикладом пасивного блокування лінз Kerr Lens (див. Малюнок 3). У цьому підході імпульси генеруються модуляцією посилення, а показник заломлення титану сапфіру залежить від інтенсивності.
В принципі, коли імпульс поширюється через посилення середовища, пікова інтенсивність вища у присутності імпульсу. Це створює пасивний об'єктив, який фокусує імпульсний промінь більш щільно і витягує посилення більш ефективно, поки не буде посилення для підтримки одночасного резонансу режимів CW в порожнині. Механічні збурення порожнини використовуються для індукції шипів інтенсивності для ініціювання блокування режиму. Цей підхід дозволив титановому сапфіру виробляти імпульси до 4 фс.
Малюнок 3: У лазері з титановим сапфіром титанового режиму центральна довжина хвилі налаштована шляхом переміщення настройної щілини, розташованої між двома дисперсійними призмами.
Варто зазначити, що пропускна здатність понад 300 нм може бути об'єднана в один імпульс. Відповідно до принципу невизначеності Гейзенберга, коротші імпульси потребують більш поздовжніх режимів. Тому лазерна порожнина повинна мати достатню компенсацію дисперсії від оптики порожнини для підтримки фазового відношення, необхідного для стабільного блокування режиму. Як показано на малюнку 3, до порожнини додаються компенсаційні призми для забезпечення постійного фазового співвідношення. Використовуючи цей метод, імпульси до 20 Фс можна отримати. Для отримання більш коротких імпульсів також слід компенсувати дисперсію вищого порядку. Ця компенсація досягається за допомогою оптичного об'єктива щебетання для підтримки фазового співвідношення, необхідного для стабільного блокування режиму.
Оскільки блокування режимів для щебетання є найбільш ефективним при коротших імпульсах (більш висока інтенсивність), цей метод в основному підходить для генерування фемтосекундних імпульсів. У діапазоні 100 фс ~ 100 к.с. може бути використаний гібридний метод, який називається регенеративним блокуванням режимів. Цей метод використовує внутрішньочеревність AOM та ефект KERR. Частота приводу AOM походить від вимірювань частоти повторення порожнини в режимі реального часу, а її амплітуда залежить від тривалості імпульсу. Зі збільшенням бажаної ширини імпульсу і ефект KERR зменшується, стабілізована амплітуда AOM збільшується для блокування режиму підтримки. Як результат, регенеративне блокування режиму може забезпечити стабільний, регульований вихід у широкому діапазоні від 20 фс до 300 к.с. за допомогою однієї лазерної системи.
Наприкінці 1990-х рр. Регенеративне блокування режиму дозволило першим регульованим, все в одному комп'ютерному керованому титановому сапфіровому лазері. Ця інновація зробила технологію більш доступною для більш широкого кола дослідників та додатків. Успіхи в багатофотонних візуалізаціях значною мірою були зумовлені технологічними досягненнями. Фемтосекундні лазерні імпульси тепер доступні для біологів, неврологів та лікарів. Протягом багатьох років було досягнуто низки технологічних досягнень, що призвели до загального використання лазерів сапфіру титану в біомітації.
Ультрашвидкі лазери Ytterbium
Незважаючи на широку корисність титанових сапфірових лазерів, деякі експерименти з біоімітацією потребують довших довжин хвиль. Типові двофотонні процеси поглинання збуджуються фотонами на довжині хвилі 900 нм. Оскільки довші довжини хвилі означають менше розсіювання, довші довжини хвилі збудження можуть більш ефективно керувати біологічними експериментами, які потребують глибших глибин зображень.
Також важливо враховувати довжину хвилі наступних флуоресцентних фотонів барвника, прикріпленого до біологічного зразка. Довжина хвилі таких флуоресцентних фотонів, як правило, знаходиться в діапазоні від 450 до 550 нм, що більш сприйнятливе до розсіювання. Тому було розроблено кілька флуоресцентних маркерів, які прогресивно поглинають інфрачервоні довжини хвилі. Для задоволення цієї вимоги галузь розробила все в одному, контрольованому комп'ютером, синхронно накачаному ОПО, керованому лазером Ytterbium 1045 нм з вихідними довжинами хвиль у діапазоні від 680 до 1300 нм. Для багатофотонної візуалізації ця архітектура пропонує значно більшу альтернативу продуктивності титану сапфірові лазер.
Ультрашвидкі підсилювачі
Наведені вище приклади виробляють ультрашвидкі імпульси в енергетичному діапазоні нано-джоула (NJ). Однак багато додатків потребують більш високих джерел світла, що регулюються енергією. Оскільки перетворення довжини хвилі є нелінійним процесом, ефективність залежить від наявної енергії. Для цих застосувань можна використовувати кілька методик для збільшення енергії та настройності ультрашвидких лазерів.
Ампліфікація ультрашвидких імпульсів можна розділити на дві основні категорії: багатоступенева ампліфікація та регенеративна ампліфікація. Перший має перевагу, що дуже високі енергії (100 МДж) можна досягти за допомогою дуже низького введення, але повторні проходи через етап ампліфікації погіршують якість вихідного променя. Тому регенеративна ампліфікація є кращим методом генерування імпульсних енергій за шкалою мікроджоула (µj) або Millijoule (MJ).
Взагалі, ампліфікація ультрашвидкісного імпульсу досягається методами ампліфікації щебетаного пульса (див. Рис. 4). Процес починається з осцилятора, що замикається режимом, з тривалістю імпульсу фемтосекунд, тобто насінням лазером. Для насіннєвого лазера важливо мати достатню пропускну здатність, щоб тривалість імпульсу може бути розтягнута або щебетана в часі. Оптичне щебетання відбувається внаслідок різних кольорів світла, що проходять через оптичний матеріал з різною швидкістю. Загалом, червоне світло рухається швидше, ніж синє світло. Наприклад, розширення решітки вводить позитивно щебетане червоне світло перед синім світлом для розділення компонентів довжини хвилі у часі та просторі. Розширення імпульсу необхідне для зменшення сильної пікової сили фемтосекундних імпульсів масштабів Міллію. Після розширення імпульси майже 300 к.с. спрямовані на регенеративну лазерну порожнину другого стадії. Заключний крок - використовувати другу решітку для введення негативної щебетання та реконструкції ампліфікованого імпульсу. Весь процес показаний на рис. 4.
Малюнок 4: щебетаний імпульсний імпульс
Сьогодні більшість регенеративних підсилювачів використовують титановий сапфір, але інші засоби масової інформації (наприклад, Ytterbium) стають все більш популярними. З обох засобів масової інформації, підсилювачі мають відносно вузьку настройність, при цьому титановий сапфір має діапазон настройки приблизно від 780 до 820 нм, що обмежує їх корисність у спектроскопічних програмах. Для подолання цього обмеження доступні кілька методів перетворення частоти.
Гармонічна конверсія частоти - це найпростіший спосіб налаштування довжини хвилі ультрашвидкого осцилятора або ультрашвидкісного підсилювача. В принципі, інцидентні фотони переповнені цілою кількістю фундаментальної частоти. Для титанового сапфіру (фундаментальний діапазон настройки 700 ~ 1000 нм) діапазон настройки другої гармоніки становить 350 ~ 500 нм, третя гармонія - 233 ~ 333 нм, а четверта гармоніка - 175 ~ 250 нм. На практиці, завдяки поглинанню гармонічними кристалами, настройка четвертої гармонії обмежена 200 нм. Для додатків, які потребують довжини хвилі поза цим діапазоном, параметр для додатків, що потребують довжин хвиль за межами цього діапазону, потрібні параметри перетворення параметрів.
Ultrastast Opo та OPA
Незважаючи на те, що вихід ультрашвидкого імпульсу можна примножувати або навіть втричі, діапазон настройки від 700 до 1000 нм титанового сапфіру залишає зазор довжини хвилі у ультрафіолетових та ІЧ-спектральних областях. Для експериментів, які потребують ультрашвидких імпульсів з довжиною хвилі "в цих" порожніх "областях", необхідна конверсія параметрів. Цей метод перетворює єдиний високоенергетичний фотон у два фотони з низькою енергією: фотон сигналу та фотон холостого ходу (див. Малюнок 5).
Малюнок 5: Схема параметричної конверсії.
Розподіл енергії між цими двома фотонами може бути налаштований користувачем. У типовій параметричній конфігурації, заснованій на сапфірі титану, падаючу фотон на довжині хвилі 800 нм, може бути налаштований безперервно з приблизно 1200 нм до 2600 нм. Оскільки перетворення вниз-параметра є нелінійним процесом, ефективність перетворення може стати проблемою. Для подолання цього обмеження на нанофокальному енергетичному рівні використовується оптичний параметричний осцилятор (OPO), а оптичний параметричний підсилювач (OPA) використовується на рівні міліфокальної енергії.
У порожнині OPO світло складається з короткого імпульсу, який поширюється вперед і назад по порожнині. Однак, на відміну від конфігурації лазера барвника, описана вище, середовище активації є нелінійним кристалом і не зберігає посилення. Кристал OPO перетворює фотони лише у присутності імпульсу насоса. Успішна експлуатація ультрашвидкого ОПО вимагає, щоб імпульси з джерела насоса надходили до кристала одночасно з холостою та сигнальною фотонами, що циркулюють навколо порожнини OPO. Іншими словами, титановий сапфіровий лазер з фіксованою довжиною хвилі та ультрашвидкий ОПО повинні мати абсолютно однакову довжину порожнини.
Макет типового ультрашвидкого ОПО показаний на малюнку 6. Відповідність фаз та довжина порожнини автоматично вибирає потрібну довжину хвилі і гарантує, що час у внутрішній часі для цієї довжини хвилі зберігається на 80 МГц, що є таким же, як і для титанового сапфірного насоса. У цьому прикладі OPO керується другою гармонікою лазера титану сапфірового насоса. Отриманий 400 нм промінь виробляє вихідні та лотерські виходи із загальним покриттям довжини хвилі від 490 до 750 нм (вихід сигналу) та 930 нм до 2,5 мкм (вихід лойера) з шириною імпульсу менше 200 фс. У поєднанні з діапазоном настройки титану Sapphire Fundamental від 690 до 1040 нм, система охоплює діапазон довжин хвиль від 485 нм до 2,5 мкм. діапазон. Типові застосування включають дослідження солітону, коливну спектроскопію, що розводиться з часом, та ультрашвидкі експерименти з насосом.
Малюнок 6: У синхронно накачаному оптичному параметричному осциляторі (OPO) центральна довжина хвилі змінюється шляхом регулювання кута відповідності фази нелінійного кристала.
OPA використовує той самий нелінійний оптичний процес, але оскільки імпульс насоса має більш високу пікову потужність, оптичний резонатор не потрібен для ефективної перетворення довжини хвилі. Невелика частина променя з ультрашвидкого підсилювача зосереджена на сапфіровому тарілці для отримання спектру континууму білого світла. Спектр континууму білого світла висівається в кристал OPA (як правило, кристал барію боату) і накачує рештою променя ультрашвидкого підсилювача. Єдиний прохід променя через ОПА створює порядок посиленого сигналу та бродячого світла. Центральна довжина хвилі вихідного світла знову керується фазовими умовами кристала, а спектральна пропускна здатність зазвичай визначається пропускною здатністю насоса та насінних балів або отриманою пропускною здатністю кристала.
Ця ОПА може діяти у фемтосекундному або пікосекундному діапазоні з енергіями до кількох міліюлів на імпульс. На цих рівнях енергії отриманий сигнал та світло холостого ходу можуть бути перетворені на їх гармоніки або за допомогою суми та/або різниці частот.
OPAS, накачані енергією імпульсу Millijoule, здатні генерувати фотони з глибинного ультрафіолетового гливину до дальньої інфрачервоної спектральної області. Ці пристрої полегшують багато спектроскопічних застосувань, таких як перехідна спектроскопія поглинання, флуоресцентна конверсія, 2D інфрачервона спектроскопія та висока гармонічна генерація.
Висновок
Зараз регульовані лазери використовуються у багатьох важливих додатках, починаючи від базових наукових досліджень до лазерного виробництва та наук про життя та здоров'я. Діапазон наявних в даний час технології є величезним. Починаючи з простих систем, що регулюються CW, їх вузькі ширини ліній можуть бути використані для спектроскопії високої роздільної здатності, молекулярної та атомної захоплення та квантових оптичних експериментів, надаючи критичну інформацію сучасним дослідникам.
Більш складні системи ультрашвидкого підсилювача використовують високоенергетичні, пікосекунди та фемтосекундні лазерні імпульси для отримання лазерного виходу в УФ до далеких смуг. Ці ультрашвидкі лазери мають вирішальне значення для розуміння високоенергетичної фізики, високої гармоніки та перехідної спектроскопії. Широкий діапазон настройки означає, що однакова лазерна система може бути використана для вивчення нескінченного діапазону експериментів в електронній та коливальній спектроскопії. Сьогоднішні лазерні виробники пропонують рішення типу єдиного стопу, забезпечуючи лазерні виходи, що охоплюють понад 300 нм в нанофокальному енергетичному діапазоні. Більш складні системи охоплюють вражаюче широкий спектральний діапазон від 200 до 20, 000 нм у діапазонах енергії мікрофокусу та Millifocus.
