Mnoho laserů umožňuje operátorovi naladit nebo změnit výstupní vlnovou délku v rozsahu UV na IR podle potřeby. V návaznosti na naši předchozí diskusi o tom, jak jsou implementovány laditelné lasery, bude tento článek podrobně diskutovat o typech a aplikacích laditelných laserů.
Aplikace používající laditelné lasery obecně spadají do dvou širokých kategorií: ty, ve kterých laser s jednou nebo vícenásobnou vlnovou délkou není schopen poskytnout požadovanou diskrétní vlnovou délku nebo vlnové délky a aplikace, ve kterých musí být laserová vlnová délka během experimentů nebo testů, jako je ve spektroskopii a experimenty s pumpy.
Mnoho typů laditelných laserů je schopno produkovat laditelné kontinuální vlny (CW), nanosekundu, picosekundové nebo femtosekundové pulzní výstupy. Jejich výstupní charakteristiky jsou určeny pomocí použitého média laserového zisku.
Základním požadavkem pro laditelné lasery je to, že jsou schopny emitovat laserové světlo na širokém rozsahu vlnových délek. Speciální optiku lze použít k výběru specifické vlnové délky nebo pásma vlnových délek z emisního pásma laseru laseru.
Existuje celá řada zisků schopných produkovat laditelné lasery, z nichž nejběžnější jsou organická barviva a titanové safírové krystaly (TI: Sapphire). V případě těchto dvou materiálů GIEN se jako zdroj čerpadla používají lasery argonového iontu (AR+) nebo frekvence zdvojené iontu (nd 3+) kvůli jejich účinné absorpci světla čerpadla při přibližně 490 nm.
Molekuly barviva mohou být použity k produkci vlnových délek v ultrafialovém až viditelném (UV-vis) rozsahu. K dosažení širokého ladicího rozsahu je však nutné přepínání mezi mnoha různými molekulami barviva, což je však docela těžkopádný a složitý. Naproti tomu lasery s pevným státem mohou dosáhnout širokého ladicího rozsahu pomocí pouze jednoho materiálu laserového zisku (např. Dielektrické krystaly), což eliminuje potřebu častých změn barviva.
V současné době se Titanium Sapphire objevil jako primární laditelný materiál laserového zisku, s širokým emisním spektrem 680 až 1100 nm, které lze nepřetržitě vyladit a výstup, který lze převádět do UV-vis spektrálního rozsahu nebo down-konverzovaným do IR spektrální oblasti. Tyto vlastnosti umožňují širokou škálu aplikací v chemii a biologii.
Laditelné lasery stojatých vln CW
Koncepčně je laser CW Standové vlny nejjednodušší laserovou architekturou. Skládá se z vysoce reflexního zrcadla, zisku média a výstupního vazebního zrcadla (viz obrázek 1), které poskytuje výstup CW pomocí různých médií laserových zisků. Aby se dosáhlo ladivosti, je třeba vybrat médium pro pokrytí cílového rozsahu vlnových délek.
Obrázek 1: Schéma titanového safírového CW laseru CW na bázi titanu. Je zobrazen birefringent ladící filtr.
Mnoho fluorescenčních barviv lze použít k naladění laserové vlnové délky do požadovaného rozsahu. Hlavní výhodou laserů barviv je schopnost pokrýt širokou škálu vlnových délek v UV-vis pásmu, ale nevýhodou je, že použití jediného barviva/rozpouštědla poskytuje pouze úzkou schopnost ladění vlnové délky. Naproti tomu lasery titanového safíru v pevném stavu mají tu výhodu, že poskytují široký rozsah ladění vlnových délek pomocí jediného mediálního média, ale mají nevýhodu, že je schopen pracovat v blízkém infračerveném (NIR) pásmu od 690 do 1100 nm.
Pro obě média Gint je ladění vlnových délek dosaženo prvky stabilizace pasivních vlnových délek. Prvním z nich je vícenásobný birefringent filtr nebo lyot filtr. Tento filtr moduluje zisk poskytnutím vysokého přenosu na specifické vlnové délce, čímž nutí laser pracovat na vlnové délce.
Ladění se provádí otáčením tohoto birefringentního filtru. Ačkoli je to jednoduché, laser CW Standové vlny umožňuje více podélných laserových režimů. To vytváří šířku šířky asi 40 GHz v plné šířce poloviny výšky (<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.
Laditelné prstencové lasery CW
Od počátku 80. let byly prstencové lasery použity k dosažení laditelného výstupu CW prostřednictvím jediného podélného režimu se spektrální šířkou pásma v řadě Kilohertz. Podobně jako u laserů stojatých vln mohou laditelné prstenové lasery používat jako mediální média barviva a titanový safír. Barviva jsou schopna poskytovat velmi úzké šířky<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.
Podle Heisenbergova principu nejistoty, protože definice energie je přesnější, je šířka pulsu, kterou lze určit, méně přesnou. U laserů CW vlny CW vlny definuje délka dutiny množství povolené jako diskrétní podélný režim. Když je délka dutiny kratší, zvyšuje se počet podélných režimů, což má za následek širší, méně definované výstupní šířky šířky.
V konfiguraci kruhu lze laserovou dutinu považovat za nekonečně dlouhou dutinu a energii lze přesně definovat. V dutině je přítomen pouze jeden podélný režim. Za účelem dosažení provozních podmínek s jedním režimem je vyžadováno zvláště několik optických prvků (viz obr. 2).
Obrázek 2: Optické uspořádání prstencového titanového safírového laseru s externí referenční dutinou.
Nejprve je do dutiny vložen izolátor Faraday, aby se zajistilo, že intrakavity fotony vždy sledují stejnou cestu. K dalšímu snížení šířky výstupní šířky se používá standardizované příslušenství intrakavity. Na rozdíl od laserových dutin stojící vlny nejsou v konfiguraci kruhu žádná koncová zrcátka. Fotony cirkulují nepřetržitě v laserové dutině. Za druhé, délka dutiny musí být stabilizována, aby se korigovaly pro jakékoli mechanické změny způsobené environmentálními fluktuacemi, jako je teplo nebo vibrace.
K dosažení ultravětiného spektrálního šířky pásma může být dutina stabilizována pomocí jedné ze dvou metod: jedna metoda používá mechanická piezoelektrická zrcátka pro stabilizaci délky dutiny v rozsahu Kilohertz a druhá metoda používá elektrooptická (EO) modulátory (EO) k dosažení doby odezvy v rozsahu megahertz. Několik specializovaných laboratorních nastavení ukázalo, že spektrální šířka pásma lze měřit v Hertzu. Klíčovým faktorem při určování spektrálního rozlišení kruhové dutiny je vnější frekvenční referenční dutina. Jak je znázorněno na obrázku 2, použije se referenční dutina k vytvoření signálu potřebného ke stabilizaci délky laserové dutiny. Tato vnější referenční dutina musí být izolována z kolísání environmentů způsobených teplotou, mechanickými vibracemi a akustickým šumem. Referenční dutina by měla být dobře oddělena od samotné prstencové laserové dutiny, aby se zabránilo neúmyslnému spojení mezi nimi. Referenční signál je zpracován pomocí metody Hall-Drever-Hall.
Režim uzamčené kvazi-kontinuum lasery
Pro mnoho aplikací jsou přesně definované časové charakteristiky laserového výstupu důležitější než přesně definovaná energie. Ve skutečnosti dosažení krátkých optických impulsů vyžaduje konfiguraci dutiny, ve které mnoho podélných režimů rezonuje současně. Když tyto cirkulující podélné režimy mají v laserové dutině pevnou fázovou vztahu, laser je uzamčen režimem. To si uvědomí jediný puls oscilující v dutině s periodou definovanou délkou laserové dutiny.
Aktivní blokování režimu lze dosáhnout pomocí modulátoru Acousto-Optic (AOM) nebo Pasivního režimu, který se zamyká skrz objektiv Kerr. První, který se stal populárnějším v 80. letech, využívá Intracavity AOM jako přechodnou závěrku, která se otevírá a zavírá při polovině frekvence délky dutiny. Tuto metodu lze dosáhnout impulsů stovek pikosekund. V posledních několika desetiletích vědecké aplikace vyžadovaly zlepšené časové rozlišení, a tedy kratší impulsy.
Synchronně pumpované lasery barviva poskytují životaschopnou metodu pro vyladění středové vlnové délky a zkrácení optického pulsu o velikost řádu (na desítky pikosekund). Abychom toho dosáhli, musí mít laserová dutina barviva stejnou délku dutiny jako laser čerpadla uzavřeného režimu. Laserové pulzy čerpadla a barviva se setkávají v mediálním médiu, aby vytvořily vzrušené záření z molekul barviva. Výstup laseru je stabilizován nastavením délky dutiny barviva. K řízení optických parametrických oscilátorů (OPOS) lze také použít synchronizované čerpací konfigurace (diskutováno níže).
Laser zamyšlený v režimu Titanium Sapphire je příkladem režimu Pasive Kerr čočky (viz obrázek 3). V tomto přístupu jsou pulzy generovány modulací GIEN a index lomu titanového safíru závisí na intenzitě.
V zásadě, jak se puls šíří skrz mediální médium, je intenzita píku vyšší v přítomnosti pulsu. To vytváří pasivní čočku, která pevně zaostřuje pulzní paprsek a extrahuje zisk efektivněji, dokud není zisk na podporu současné rezonance CW režimů v dutině. Mechanické poruchy do dutiny se používají k vyvolání hrotů intenzity k zahájení blokování režimu. Tento přístup umožnil titanovému safíru produkovat impulzy až 4 fs.
Obrázek 3: V režimu uzamčeném titanovém safírovém laseru je středová vlnová délka vyladěna pohybem ladicí štěrbiny umístěné mezi dvěma disperzními hranoly.
Stojí za zmínku, že šířka pásma o více než 300 nm lze kombinovat do jediného pulsu. Podle Heisenbergova principu nejistoty vyžadují kratší impulsy více podélných režimů. Proto musí mít laserová dutina dostatečnou kompenzaci disperze z optiky dutin, aby se udržel fázový vztah potřebný pro stabilní zamykání režimu. Jak je znázorněno na obrázku 3, do dutiny se přidávají kompenzační hranoly, aby se zajistil vztah konstantní fáze. Pomocí této metody lze získat pulzy až 20 FS. Aby bylo možné produkovat kratší impulsy, musí být také kompenzována disperze vyššího řádu. Tato kompenzace je dosažena pomocí optické chirp čočky k udržení fázového vztahu potřebného pro stabilní blokování režimu.
Vzhledem k tomu, že blokování režimu chirped-čočky je nejúčinnější s kratšími pulzy (vyšší intenzita), je tato metoda primárně vhodná pro generování femtosekundových pulzů. V rozsahu 100 fs ~ 100 ps lze použít hybridní metodu zvanou regenerativní režim blokování. Tato metoda používá intracavity AOM a Kerrovu efekt. Frekvence pohonu AOM je odvozena z měření frekvence opakování dutiny v reálném čase a jeho amplituda závisí na trvání pulsu. Jak se zvyšuje požadovaná šířka pulsu a snižuje se Kerrův efekt, stabilizovaná amplituda AOM se zvyšuje, aby se zamykala režim podpůrného. Výsledkem je, že regenerační režim blokování může poskytnout stabilní, laditelný výstup v širokém rozsahu 20 fs až 300 ps pomocí jediného laserového systému.
Na konci 90. let umožnilo regenerační blokování režimu první laditelný laser titanového safíru s počítačem all-in-one. Tato inovace zpřístupnila tato technologie pro širší škálu vědců a aplikací. Pokroky v zobrazování multifotonu byly z velké části poháněny technologickým pokrokem. Femtosekundové laserové pulsy jsou nyní k dispozici pro biology, neurovědci a lékaře. V průběhu let došlo k řadě technologických pokroků, které vedly k obecnému používání laserů titanového safíru v bioimagingu.
Ultrarychlé lasery Ytterbium
Navzdory široké užitečnosti laserů titanu safíru vyžadují některé experimenty s bioimagingem delší vlnové délky. Typické dvoufotonové absorpční procesy jsou vzrušeny fotony při vlnové délce 900 nm. Protože delší vlnové délky znamenají menší rozptyl, delší excitační vlnové délky mohou účinněji řídit biologické experimenty, které vyžadují hlubší hloubky zobrazování.
Je také důležité zvážit vlnovou délku následných fluorescenčních fotonů barviva připojeného k biologickému vzorku. Vlnová délka takových fluorescenčních fotonů je obvykle v pásmu 450 až 550 nm, což je náchylnější k rozptylu. Proto bylo vyvinuto několik fluorescenčních markerů, které postupně absorbují infračervené vlnové délky. Pro splnění tohoto požadavku vyvinulo toto odvětví all-in-one, počítačově řízený, synchronně čerpaný OPO poháněný laserem 1045 nm ytterbium s výstupní vlnové délky v rozmezí 680 až 1300 nm. Pro multiphotonové zobrazování nabízí tato architektura výrazně vyšší výkonnost k laserům titanového safíru.
Ultrarychlé zesilovače
Výše uvedené příklady produkují ultrarychlé pulzy v energetickém rozsahu Nano-Joule (NJ). Mnoho aplikací však vyžaduje vyšší energetické laditelné zdroje světla. Protože konverze vlnové délky je nelineárním procesem, účinnost závisí na dostupné energii. Pro tyto aplikace lze použít několik technik ke zvýšení energie a laditelnosti ultrarychlých laserů.
Amplifikace ultrarychlých impulzů lze rozdělit do dvou hlavních kategorií: vícestupňové amplifikace a regenerativní amplifikace. První z nich má tu výhodu, že velmi vysoká energie (100 MJ) lze dosáhnout s velmi nízkým vstupem, ale opakované průchody skrze amplifikační fázi zhoršují kvalitu výstupního paprsku. Regenerativní amplifikace je proto preferovanou metodou pro generování pulzních energií na mikrojoule (µj) nebo Millijoule (MJ).
Obecně platí, že ultrarychlé amplifikace pulsu je dosaženo metodami amplifikace chirpped-pulzů (viz obr. 4). Proces začíná oscilátorem uzamčeným režimem s dobou trvání femtosekundového pulsu, tj. Laserem semen. Je důležité, aby semen laser měl dostatečnou šířku pásma, aby doba trvání pulsu mohla být natažena nebo cvrlikána v čase. Optické cvrknutí se vyskytuje v důsledku různých barev světla a prochází optickým materiálem různými rychlostmi. Obecně se červené světlo pohybuje rychleji než modré světlo. Například rozšiřující se mřížka představuje pozitivně vyčištěné červené světlo před modrým světlem, aby se oddělily komponenty vlnové délky v čase a prostoru. Pro snížení silné maximální síly femtosekundových impulzů je nezbytné rozšíření pulsu. Po rozšíření jsou impulzy téměř 300 ps nasměrovány na regenerativní laserovou dutinu ve druhém stupni. Posledním krokem je použití druhé mřížky k zavedení negativního cvrlikání a rekonstrukci amplifikovaného pulsu. Celý proces je znázorněn na obr. 4.
Obrázek 4: A zesílení pulsu
Dnes většina regenerativních zesilovačů používá titanový safír, ale jiná mediální média (např. Ytterbium) jsou stále populárnější. U obou mediálních médií mají zesilovače relativně úzkou laditelnost, přičemž titanový safír má rozsah ladění asi 780 až 820 nm, což omezuje jejich užitečnost ve spektroskopických aplikacích. K překonání tohoto omezení je k dispozici několik metod konverze kmitočtu.
Harmonická frekvenční konverze, je nejjednodušší způsob, jak vyladit vlnovou délku ultrarychlého oscilátoru nebo ultrarychlého zesilovače. V zásadě jsou dopadající fotony přepracovány na celé číslo základní frekvence. U titanového safíru (rozsah základního ladění 700 ~ 1000 nm) je rozsah ladění druhé harmonické 350 ~ 500 nm, třetí harmonická je 233 ~ 333 nm a čtvrtá harmonická je 175 ~ 250 nm. V praxi je kvůli absorpci harmonickými krystaly vyladění čtvrté harmonické omezeno na 200 nm. U aplikací, které vyžadují vlnovou délku mimo tento rozsah, je vyžadován parametr pro aplikace vyžadující vlnové délky nad rámec tohoto rozsahu.
Ultrarychlé OPO a OPA
Ačkoli ultrarychlé pulzní výstup může být znásoben nebo dokonce ztrojnásoben, rozsah ladění titanového safíru o 700 až 1000 nm ponechává mezeru vlnové délky v UV-vis a IR spektrálních oblastech. Pro experimenty, které vyžadují ultrarychlé impulsy s vlnovými délkami „v těchto„ prázdných “oblastech“, je nutná down-konverze parametrů. Tato metoda přeměňuje jeden vysokoenergetický foton na dva nízkoenergetické fotony: signální foton a foton napíšování (viz obrázek 5).
Obrázek 5: Schéma parametrické down-konverze.
Distribuce energie mezi těmito dvěma fotony může být nakonfigurována uživatelem. V typické parametrické konfiguraci založené na titanovém safíru může být dopadající foton na vlnové délce 800 nm naladěn nepřetržitě z asi 1200 nm na 2600 nm. Konverze down-parametru je nelineární proces, účinnost přeměny se může stát problémem. K překonání tohoto omezení se na hladině nanofokální energie používá optický parametrický oscilátor (OPO) a na hladině millifokální energie se používá optický parametrický zesilovač (OPA).
V dutině OPO se světlo skládá z krátkého pulsu, který se šíří sem a tam dutinou. Avšak na rozdíl od výše popsané konfigurace laseru barviva je aktivační médium nelineárním krystalem a neukládá zisk. OPO Crystal převádí fotony pouze v přítomnosti pumpu pumpy. Úspěšný provoz ultrarychlého OPO vyžaduje, aby pulzy ze zdroje čerpadla dorazily do krystalu ve stejnou dobu s volnoběžnými a signálovými fotony cirkulujícími kolem OPO dutiny. Jinými slovy, laser titanu s pevnou vlnovou délkou a ultrarychlé OPO musí mít přesně stejnou délku dutiny.
Rozložení typického ultrarychlého OPO je znázorněno na obrázku 6. Fázová porovnávání a délka dutiny automaticky vybere požadovanou vlnovou délku a zajišťuje, že doba zpáteční cesty pro tuto vlnovou délku je udržováno na 80 MHz, což je stejné jako u laseru čerpadla titanu. V tomto příkladu je OPO poháněn druhou harmonikou laseru čerpadla Titanium Sapphire. Výsledný paprsek 400 nm produkuje signál a loiter výstupy s celkovým pokrytím vlnové délky 490 až 750 nm (výstup signálu) a 930 nm až 2,5 um (výstup loiter), se šířkou pulzu o méně než 200 fs. V kombinaci s rozsahem tuningového rozsahu titanu sapphire fundamental 690 až 1040 nm pokrývá systém rozsah vlnové délky 485 nm až 2,5 um. rozsah. Mezi typické aplikace patří studie Soliton, časově rozlišená vibrační spektroskopie a experimenty s ultrarychlé pumpy.
Obrázek 6: V synchronně čerpaném optickém parametrickém oscilátoru (OPO) se středová vlnová délka mění úpravou úhlu fázového porovnávání nelineárního krystalu.
OPA využívá stejný nelineární optický proces, ale protože pulz čerpadla má vyšší špičkový výkon, není pro účinnou přeměnu vlnové délky vyžadován optický rezonátor. Malá část paprsku z ultrarychlého zesilovače je zaměřena na safírovou desku, aby se vytvořilo spektrum kontinua bílého světla. Spektrum kontinua bílého světla je naočkováno do krystalu OPA (obvykle v krystalu baritanu barria) a čerpáno zbytkem ultrarychlého paprsku zesilovače. Jediný průchod paprsku přes OPA vytváří řád zesilovaný signál a bludný světlo. Středová vlnová délka výstupního světla je opět řízena podmínkami porovnávání fází krystalu a spektrální šířka pásma je obvykle určena šířkou pásma čerpadla a semen paprsků nebo přijatá šířka pásma krystalu.
Toto OPA může fungovat v femtosekundové nebo pikosekundové řadě s energií až do několika milijólů na puls. Při těchto energetických hladinách lze výsledný signál a napínací světlo přeměnit na jejich harmonické nebo součtem a/nebo diferenčním frekvenčním smícháním.
OPA čerpané millijoule pulzními energii jsou schopny generovat fotony z hlubokého ultrafialového ultrafialu 190 nm po vzdálenou infračervenou spektrální oblast. Tato zařízení usnadňují mnoho spektroskopických aplikací, jako je přechodná absorpční spektroskopie, fluorescenční up -konverze, 2D infračervená spektroskopie a vysoká harmonická generace.
Závěr
Latibilní lasery se nyní používají v mnoha důležitých aplikacích od základního vědeckého výzkumu po laserové výrobu a životní a zdravotní vědy. Rozsah, který je v současné době k dispozici, je obrovský. Počínaje jednoduchými laditelnými systémy CW lze jejich úzké šířky linií použít pro spektroskopii s vysokým rozlišením, molekulární a atomové zachycení a experimenty s kvantovou optikou, které moderním vědcům poskytují kritické informace.
Sofistikovanější ultrarychlé zesilovací systémy využívají vysoce energetické, pikosekundové a femtosekundové laserové pulsy k produkci laserového výstupu v UV do krajně červených pásů. Tyto ultrarychlé lasery jsou rozhodující pro pochopení fyziky s vysokou energií, vysoké harmonické a přechodné spektroskopie. Rozsah širokého ladění znamená, že stejný laserový systém lze použít ke studiu nekonečného rozsahu experimentů v elektronické a vibrační spektroskopii. Dnešní výrobci laserů nabízejí jednorázová řešení typu na jednom místě a poskytují laserové výstupy překlenující více než 300 nm v nanofokálním energetickém rozsahu. Sofistikovanější systémy pokrývají působivě široký spektrální rozsah 200 až 20, 000 nm v energetickém rozsahu mikrofocus a Millifocus.
