Številni laserji omogočajo operaterju, da po potrebi prilagodi ali spreminja izhodno valovno dolžino v UV v območje valovne dolžine IR. Glede na naše prejšnje razprave o tem, kako se izvajajo nastavljivi laserji, bo ta članek podrobno razpravljal o vrstah in aplikacijah nastavljivih laserjev.
Aplikacije, ki uporabljajo nastavljive laserje, običajno spadajo v dve široki kategoriji: tiste, v katerih laser z eno ali več linijo fiksne valovne dolžine ne more zagotoviti želene diskretne valovne dolžine ali valovne dolžine, in tiste, v katerih je treba med poskusi ali testi, na primer v eksperimih, na primer v spektroskopiji in črpalki, nenehno nastavite lasersko valovno dolžino.
Številne vrste nastavljivih laserjev lahko proizvajajo nastavljiv neprekinjeni val (CW), nanosekund, pikosekund ali femtosekundni impulzni izhodi. Njihove izhodne značilnosti določajo laserski medij za pridobivanje.
Osnovna zahteva za nastavljive laserje je, da lahko oddajajo lasersko svetlobo na širokem razponu valovnih dolžin. Posebna optika lahko uporabite za izbiro določene valovne dolžine ali pasu valovnih dolžin iz emisijskega pasu nagibanega laserja.
Obstajajo različni materiali za dobiček, ki lahko proizvajajo nastavljive laserje, od katerih so najpogostejši organski barki in titanijevi safirni kristali (Ti: sapphire). V primeru teh dveh materialov dobička se kot vir črpalke zaradi učinkovite absorpcije svetlobe črpalke pri približno 490 nm uporabljajo argonski ionski (AR+) laserji ali frekvenčno dvojni neodimijski ion (ND {2}}).
Molekule barvila se lahko uporabijo za proizvodnjo valovnih dolžin v ultravijoličnem območju do vidnega (UV-vis). Vendar je za dosego širokega razpona nastavitve potrebno preklop med številnimi različnimi molekulami barvila, zaradi česar je postopek precej okoren in zapleten. V nasprotju s tem lahko trdni laserji dosežejo širok razpon nastavitve z uporabo samo enega laserskega materiala (npr. Dielektrični kristali), kar odpravi potrebo po pogostih spremembah barvila.
Trenutno se je Titanium Sapphire pojavil kot primarni nastavitveni material z laserskim pridobivanjem s širokim emisijskim spektrom 680 do 1100 nm, ki ga je mogoče neprekinjeno uglasiti, in izhodom, ki ga je mogoče pretvoriti v UV-Vis spektralno območje ali navzdol pretvorjen v IR spektralno regijo. Te lastnosti omogočajo široko paleto aplikacij v kemiji in biologiji.
Prilagodljivi laserji stoječih valov CW
Konceptualno je CW Standing Wave Laser najpreprostejša laserska arhitektura. Sestavljen je iz zelo odsevnega ogledala, sredstva za pridobivanje in zrcala izhodne spojke (glej sliko 1), ki zagotavlja izhod CW z uporabo različnih laserskih medijev. Za doseganje uglaševanja je treba izbrati medij za pridobivanje, da pokrije ciljni razpon valovne dolžine.
Slika 1: Shema laserja stoječega vala na osnovi titana na safirju. Prikazan je dvorezni filter za nastavitev.
Številna fluorescentna barvila se lahko uporabijo za nastavitev laserske valovne dolžine na želeno območje. Glavna prednost laserjev za barvanje je sposobnost pokrivanja široke palete valovnih dolžin v pasu UV-Vis, vendar je pomanjkljivost, da uporaba enega samega barvila/topila zagotavlja le ozko nastavitev valovne dolžine. V nasprotju s tem imajo trdni titanijevi safirski laserji prednost, da zagotavljajo široko valovno dolžino nastavitve z uporabo enega samega dobička, vendar imajo pomanjkljivost le, da lahko delujejo v skoraj infrardečem (NIR) pasu od 690 do 1100 nm.
Za oba pridobivalna medija se nastavitve valovne dolžine dosežejo s pasivnimi elementi stabilizacije valovne dolžine. Prva je večkratni birefrintni filter ali Lyot filter. Ta filter modulira dobiček z zagotavljanjem visokega prenosa na določeni valovni dolžini in tako prisili laser, da deluje pri tej valovni dolžini.
Uglaševanje se doseže z vrtenjem tega dvoreznega filtra. Čeprav je preprost, CW Standing Wave Laser omogoča več vzdolžnih laserskih načinov. To ustvari širino približno 40 GHz v celotni širini (<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.
Prilagodljivi CW obročni laserji
Od zgodnjih osemdesetih let prejšnjega stoletja so bili obročni laserji uporabljeni za doseganje nastavljivega izhoda CW prek enega samega vzdolžnega načina s spektralno pasovno širino v območju Kilohertza. Podobno kot stalne valovne laserje lahko tudi nastavljivi obročni laserji uporabljajo barvila in titanov safir kot medije. Barvila so sposobna zagotoviti zelo ozke širine linij<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.
Po Heisenbergovem načelu negotovosti, ko definicija energije postane natančnejša, širino impulza, ki jo je mogoče določiti, postane manj natančna. Za stalne valovne laserje CW dolžina votline določa količino dovoljene energije kot diskretni vzdolžni način. Ko je dolžina votline krajša, se število dovoljenih vzdolžnih načinov poveča, kar ima za posledico širšo, manj definirano izhodno širino.
V konfiguraciji obroča lahko lasersko votlino štejemo za neskončno dolgo votlino in energijo je mogoče natančno določiti. V votlini je prisoten le en vzdolžni način. Za dosego pogojev obratovanja v enem načinu je še posebej potrebnih več optičnih elementov (glej sliko 2).
Slika 2: Optična postavitev obročenega titanovega safirnega laserja z zunanjo referenčno votlino.
Najprej se v votlino vstavi izolator Faraday, da se zagotovi, da intrakavity fotoni vedno sledijo isti poti. Za nadaljnje zmanjšanje izhodne širine linij se uporablja intrakavity standardizirana napeljava. Za razliko od stoječih valovnih laserskih votlin v konfiguraciji obroča ni končnih ogledal. Fotoni neprekinjeno krožijo znotraj laserske votline. Drugič, dolžina votline je treba stabilizirati, da se popravijo za vse mehanske spremembe, ki jih povzročajo nihanja okolja, kot sta toplota ali vibracija.
Da bi dosegli ultra-naročne spektralne pasovne širine, lahko votlino stabiliziramo z eno od dveh metod: ena metoda uporablja mehanska piezoelektrična ogledala za stabilizacijo dolžine votline z odzivnim časom v območju Kilohertza, druga metoda pa uporablja elektro-optične (EO) modulatorje, da dosežejo odzivne (EO) modulatorje, da dosežejo odzivne (EO) modulatorje, da dosežejo odzivne (EO) modulatorje, da dosežejo odzivne čase v območju megaherta. Več specializiranih laboratorijskih nastavitev je pokazalo, da je v Hertzu mogoče izmeriti spektralno pasovno širino. Ključni dejavnik pri določanju spektralne ločljivosti obročne votline je zunanja frekvenčna referenčna votlina. Kot je prikazano na sliki 2, se uporablja referenčna votlina za ustvarjanje signala, potrebnega za stabilizacijo dolžine laserske votline. To zunanjo referenčno votlino je treba izolirati iz okoljskih nihanj, ki jih povzročajo temperatura, mehanske vibracije in akustični hrup. Referenčna votlina mora biti dobro ločena od same obročne laserske votline, da se izognemo nenamerni sklopki med obema. Referenčni signal se obdela po metodi HALL-Drever Hall.
Namensko zaklenjeni kvazi-kontinuum laserji
Za številne aplikacije so natančno opredeljene časovne značilnosti laserskega izhoda pomembnejše od natančno določene energije. Dejansko je za dosego kratkih optičnih impulzov potrebna konfiguracija votline, v kateri odmevajo številni vzdolžni načini hkrati. Ko imajo ti krožni vzdolžni načini fiksno fazno razmerje znotraj laserske votline, je laser zaklenjen način. To bo spoznalo en sam impulz, ki niha znotraj votline z obdobjem, ki ga določa dolžina laserske votline.
Aktivno zapisovanje načina je mogoče doseči z uporabo acousto-optičnega modulatorja (AOM) ali za zapiranje pasivnega načina skozi Kerr objektiv. Prva, ki je postala bolj priljubljena v osemdesetih letih prejšnjega stoletja, uporablja intrakavity AOM kot prehodni zaklop, ki se odpira in zapre na polovici frekvence dolžine votline. S to metodo je mogoče doseči impulze stotine pikosekund. V zadnjih nekaj desetletjih so znanstvene aplikacije zahtevale izboljšano časovno ločljivost in zato krajše impulze.
Sinhrono črpani barvilni laserji zagotavljajo izvedljivo metodo za nastavitev sredinske valovne dolžine in skrajšanje optičnega impulza za vrstni red (na desetine pikosekund). Da bi to dosegli, mora imeti lasersko votlino barvila enako dolžino votline kot laser črpalke, zaklenjene na način. Laserski impulzi črpalke in barvila se srečujejo na dobičljivem mediju, da nastanejo vzbujeno sevanje iz molekul barvila. Laserski izhod se stabilizira s prilagajanjem dolžine laserske votline barvila. Sinhronizirane konfiguracije črpanja se lahko uporabijo tudi za pogon optičnih parametričnih oscilatorjev (OPO) (obravnavano spodaj).
Laser, zaprti s titanijevim safirjem, je primer pasivnega zaklepanja načina Kerr objektiva (glej sliko 3). V tem pristopu se impulzi nastajajo z modulacijo dobička, indeks loma titana safirja pa je odvisen od intenzivnosti.
Načeloma, ko se impulz širi skozi dobiček, je intenzivnost največje v prisotnosti impulza večja. To ustvarja pasivno lečo, ki bolj tesno osredotoča impulzni žarek in pridobiva bolj učinkovito, dokler ni nobenega dobička, ki bi podprl hkratno resonanco načinov CW v votlini. Mehanske motnje v votlini se uporabljajo za indukcijo intenzitetnih konic za začetek zaklepanja načina. Ta pristop je omogočil, da je titanijevi sapphire proizvajal impulze, kratke kot 4 fs.
Slika 3: V laserskem safirnem laserju, zaklenjenem na način, je sredinska valovna dolžina prilagojena s premikanjem reže za nastavitev, ki se nahaja med obema disperzivnima prizmah.
Omeniti velja, da lahko pasovne širine več kot 300 nm združimo v en sam impulz. Po Heisenbergovem načelu negotovosti krajši impulzi zahtevajo več vzdolžnih načinov. Zato mora imeti lasersko votlino zadostno disperzijsko kompenzacijo iz optike votline, da ohrani fazno razmerje, potrebno za zaklepanje stabilnega načina. Kot je prikazano na sliki 3, se v votlino dodajo kompenzacijske prizme, da se zagotovi stalno fazno razmerje. S to metodo lahko dobimo impulze, ki so kratki od 20 FS. Da bi ustvarili krajše impulze, je treba nadomestiti tudi disperzijo višjega reda. To kompenzacijo dosežemo z optično lečo CHIRP za vzdrževanje faznega razmerja, potrebnega za stabilno zaklepanje načina.
Ker je zaklepanje načina cvirpirane objektiva najučinkovitejše s krajšimi impulzi (večja intenzivnost), je ta metoda primerna predvsem za ustvarjanje femtosekundnih impulzov. V območju 100 fs ~ 100 ps lahko uporabimo hibridno metodo, imenovano regenerativno zaklepanje načina. Ta metoda uporablja Intracavity AOM in Kerr učinek. Frekvenca pogona AOM izhaja iz meritev frekvence ponavljanja votline v realnem času, njegova amplituda pa je odvisna od trajanja impulza. Ko se želena širina impulza povečuje in učinek Kerr zmanjšuje, se stabilizirana amplituda AOM poveča na zaklepanje načina. Kot rezultat, lahko regenerativno zaklepanje načina zagotovi stabilen, prilagodljiv izhod v širokem območju od 20 Fs do 300 ps z uporabo enega laserskega sistema.
V poznih devetdesetih letih je regenerativno zapisovanje načina omogočilo prvi nastavitveni računalniško nadzorovani laser iz titanijevega Sapphire. Ta inovacija je tehnologija naredila bolj dostopno širšemu krogu raziskovalcev in aplikacij. Napredek pri večfotonskem slikanju je v veliki meri spodbudil tehnološki napredek. Femtosekundni laserski impulzi so zdaj na voljo biologom, nevroznanstvenikom in zdravnikom. V preteklih letih je bilo doseženo številni tehnološki napredek, ki je privedel do splošne uporabe titanovih safirskih laserjev pri biografiranju.
Ultrafast ytterbium lasers
Kljub široki uporabnosti titanovih sapphirskih laserjev, nekateri poskusi z bio slikanjem zahtevajo daljše valovne dolžine. Tipični dvofotonski absorpcijski procesi vzbujajo fotoni na valovni dolžini 900 nm. Ker daljše valovne dolžine pomenijo manj razprševanja, lahko daljše vzbujevalne valovne dolžine učinkoviteje poganjajo biološke eksperimente, ki zahtevajo globlje globine slikanja.
Ključnega pomena je tudi razmisliti o valovni dolžini naknadnih fluorescentnih fotonov barvila, pritrjenih na biološki vzorec. Valovna dolžina takšnih fluorescentnih fotonov je običajno v pasu od 450 do 550 nm, kar je bolj dovzetno za razprševanje. Zato je bilo razvitih več fluorescentnih markerjev, ki postopno absorbirajo infrardeče valovne dolžine. Za izpolnitev te zahteve je industrija razvila vse v enem, računalniško nadzorovanem, sinhrono črpanem OPO, ki ga poganja 1045 nm ytterbium laser z izhodnimi valovnimi dolžinami v območju od 680 do 1300 nm. Za večfotonsko slikanje ta arhitektura ponuja bistveno večjo zmogljivost alternativo titanijevim safirnim laserjem.
Ultra hitri ojačevalniki
Zgornji primeri proizvajajo ultra hitre impulze v energetskem območju Nano-Joule (NJ). Vendar pa številne aplikacije zahtevajo večje vire svetlobe, ki nastanejo z energijo. Ker je pretvorba valovne dolžine nelinearni proces, je učinkovitost odvisna od razpoložljive energije. Za te aplikacije lahko za povečanje energije in prilagodljivosti ultra hitrih laserjev uporabimo več tehnik.
Ojačevanje ultra hitrih impulzov lahko razdelimo v dve glavni kategoriji: večstopenjsko amplifikacijo in regenerativno amplifikacijo. Prva ima prednost, da lahko zelo visoke energije (100 MJ) dosežemo z zelo nizkim vhodom, vendar ponavljajoči se prehodi skozi stopnjo ojačevanja poslabšajo kakovost izhodnega žarka. Zato je regenerativna amplifikacija najprimernejša metoda za ustvarjanje impulznih energij na lestvici mikrojoja (µJ) ali Millijoule (MJ).
Na splošno se ultra hitri impulzni amplifikacija doseže z metodami amplifikacije cvrkljanega impulza (glej sliko 4). Postopek se začne z namerno zaklenjenim oscilatorjem s trajanje femtosekundnega impulza, tj. Semenskim laserjem. Ključnega pomena je, da ima semenski laser zadostno pasovno širino, tako da lahko trajanje impulza pravočasno raztegnete ali crknejo. Optično cvrkljanje se pojavlja kot rezultat različnih barv svetlobe, ki po različnih hitrostih potuje skozi optični material. Na splošno rdeča svetloba potuje hitreje kot modra svetloba. Na primer, razširjena rešetka predstavlja pozitivno cvrknjeno rdečo luč pred modro lučjo, da loči komponente valovne dolžine v času in prostoru. Razširitev impulzov je potrebna za zmanjšanje močne največje moči femtosekundnih impulzov v Millijoule. Po širjenju se impulzi v višini skoraj 300 ps usmerijo v regenerativno lasersko votlino druge stopnje. Končni korak je, da uporabite drugo rešetko za uvedbo negativnega CHIRP in rekonstruiranje ojačanega impulza. Celoten postopek je prikazan na sliki 4.
Slika 4: Chirpirana impulzna amplifikacija
Danes večina regenerativnih ojačevalnikov uporablja titanijev safir, drugi mediji za pridobivanje (npr. Ytterbium) pa postajajo vse bolj priljubljeni. Z obema pridobitvijo medijev imajo ojačevalniki razmeroma ozko uglašenost, titanijev safir pa ima razpon uglaševanja od približno 780 do 820 nm, kar omejuje njihovo uporabnost v aplikacijah spektroskopije. Za premagovanje te omejitve je na voljo več metod pretvorbe frekvence.
Harmonična frekvenčna pretvorba je najpreprostejši način za nastavitev valovne dolžine ultra hitrega oscilatorja ali ultra hitrejšega ojačevalnega sistema. Načeloma so vpadni fotoni pretvorjeni v celo število temeljnih frekvenc. Za titanijev safir (temeljni razpon nastavitve 700 ~ 1000 nm) je razpon uglaševanja druge harmonike 350 ~ 500 nm, tretja harmonika je 233 ~ 333 nm, četrta harmonika pa 175 ~ 250 nm. V praksi je zaradi absorpcije s harmoničnimi kristali uglaševanje četrte harmonike omejeno na 200 nm. Za aplikacije, ki potrebujejo valovno dolžino zunaj tega območja, so potrebne parameter za aplikacije, ki zahtevajo valovne dolžine, ki presegajo to območje, potrebne možnosti pretvorbe parametrov.
Ultrafast OPO in OPA
Čeprav je mogoče izhodno impulzno izhod pomnožiti ali celo potrojiti, od 700 do 1000 nm nastavitev titanijevega safirja pušča vrzel valovne dolžine v spektralnih regijah UV-Vis in IR. Za poskuse, ki potrebujejo ultra hitre impulze z valovnimi dolžinami "v teh" praznih "regijah", je potrebna pretvorba parametrov navzdol. Ta metoda pretvori en sam visokoenergijski foton v dva nizkoenergijska fotona: signalni foton in foton v prostem teku (glej sliko 5).
Slika 5: Shema parametrične pretvorbe navzdol.
Uporabnik lahko konfigurira porazdelitev energije med tema dvema fotonama. V značilni parametrični konfiguraciji, ki temelji na titanijevem safirju, se lahko vpadni foton na valovni dolžini 800 nm neprekinjeno nastavi od približno 1200 nm do 2600 nm. Ker je pretvorba navzdol parametra nelinearna proces, lahko postane učinkovitost pretvorbe. Za premagovanje te omejitve se na ravni nanofokalne energije uporablja optični parametrični oscilator (OPO) in na milifokalni energijski ravni uporabi optični parametrični ojačevalnik (OPA).
V OPO votlini je svetloba sestavljena iz kratkega utripa, ki se širi naprej in nazaj skozi votlino. Vendar je za razliko od zgoraj opisane laserske konfiguracije barvil, aktivacijski medij je nelinearni kristal in ne shrani dobička. OPO kristal pretvori fotone samo v prisotnosti impulza črpalke. Uspešno delovanje ultra hitrega OPO zahteva, da impulzi iz vira črpalke pridejo v kristal istočasno, ko fotoni v prostem teku in signali krožijo okoli OPO votline. Z drugimi besedami, titanijev safirni laser s fiksno valovno dolžino in ultra hitri OPO morata imeti popolnoma enako dolžino votline.
Postavitev tipičnega ultrafaznega OPO je prikazana na sliki 6. Fazno ujemanje in dolžina votline samodejno izbere želeno valovno dolžino in zagotavlja, da se intrakavitarni čas okroglega potovanja za to valovno dolžino hrani pri 80 MHz, kar je enako kot za titanski sapphire črpal. V tem primeru OPO poganja druga harmonika laserja titanove safirne črpalke. Nastali 400 nm žarek proizvaja izhode signala in loiter s skupno pokritostjo valovne dolžine od 490 do 750 nm (signalni izhod) in 930 nm do 2,5 µm (izhod iz lonca), s širino impulza manjše od 200 fs. V kombinaciji z razponom nastavitve Titanium Sapphire Fundamental od 690 do 1040 nm sistem pokriva območje valovne dolžine od 485 nm do 2,5 µm. domet. Tipične aplikacije vključujejo solitonske študije, časovno ločeno vibracijsko spektroskopijo in poskuse na ultra hitri črpalki.
Slika 6: V sinhrono črpanem optičnem parametričnem oscilatorju (OPO) se sredinska valovna dolžina spreminja s prilagajanjem faznega ujemanja kot nelinearnega kristala.
OPA uporablja enak nelinearni optični postopek, a ker ima impulz črpalke večjo največjo moč, optični resonator ni potreben za učinkovito pretvorbo valovne dolžine. Majhen del žarka iz ultra hitrega ojačevalnika je usmerjen na safirno ploščo, da nastane spekter kontinuuma bele svetlobe. Spekter kontinuuma bele svetlobe je posejan v kristal OPA (ponavadi kristal barijev borat) in ga črpamo s preostalim ultra hitrim ojačevalnikom. En sam prehod snopa skozi OPA ustvari vrstni red ojačanega signala in potepuške svetlobe. Sredinska valovna dolžina izhodne svetlobe ponovno nadzirajo pogoji faznega ujemanja kristala, spektralna pasovna širina pa je običajno določena s pasovno širino črpalke in semenskih žarkov ali prejeti pasovna širina kristala.
Ta OPA lahko deluje v razponu femtosekunde ali pikosekund z energijo do nekaj millijoulov na impulz. Na teh energetskih nivojih lahko nastali signal in svetloba v prostem teku pretvori v njihovo harmoniko ali z mešanjem frekvence vsote in/ali razlike.
OPAS, črpani z Millijoulejevimi impulznimi energijami, lahko ustvarijo fotone iz 190 nm globokega ultravijoličnega do daljnega infrardečega spektralnega območja. Te naprave olajšajo številne spektroskopske aplikacije, kot so prehodna absorpcijska spektroskopija, fluorescenčna navzgor, 2D infrardeča spektroskopija in visoko harmonično ustvarjanje.
Zaključek
Nastavitveni laserji se zdaj uporabljajo v številnih pomembnih aplikacijah, od osnovnih znanstvenih raziskav do laserske proizvodnje ter življenjskih in zdravstvenih ved. Obseg trenutno na voljo tehnologije je obsežna. Začenši s preprostimi sistemi nastavitve CW lahko njihove ozke širine linij lahko uporabimo za spektroskopijo z visoko ločljivostjo, molekulsko in atomsko lov ter poskusi kvantne optike, ki sodobnim raziskovalcem zagotavljajo kritične informacije.
Bolj izpopolnjeni sistemi ultrafast ojačevalnikov uporabljajo visokoenergijske, pikosekundne in femtosekundne laserske impulze za proizvodnjo laserskega izhoda v UV do daleč rdečih pasovih. Ti ultra hitri laserji so ključnega pomena za razumevanje visokoenergetske fizike, visoke harmonike in prehodne spektroskopije. Obseg širokega nastavitve pomeni, da lahko isti laserski sistem uporabimo za preučevanje neskončnega obsega poskusov v elektronski in vibracijski spektroskopiji. Današnji laserski proizvajalci ponujajo rešitve na enem mestu, ki zagotavljajo laserske izhode, ki obsegajo več kot 300 nm v nanofokalnem energijskem območju. Bolj izpopolnjeni sistemi obsegajo impresivno širok spektralni razpon od 200 do 20, 000 nm v mikrofokusu in milifocus energijskih območjih.
