Ramai laser membenarkan pengendali untuk menyesuaikan atau menukar panjang gelombang output dalam UV ke julat panjang gelombang IR seperti yang diperlukan. Berikutan dari perbincangan terdahulu tentang bagaimana laser yang boleh dilaksanakan, artikel ini akan membincangkan secara terperinci jenis dan aplikasi laser yang boleh disesuaikan.
Aplikasi yang menggunakan laser yang boleh disesuaikan secara umumnya jatuh ke dalam dua kategori yang luas: yang mana laser gelombang tetap tunggal atau multi-talian tidak dapat memberikan panjang gelombang diskret yang dikehendaki atau panjang gelombang, dan yang panjang gelombang laser mesti ditala secara berterusan semasa eksperimen atau ujian, seperti dalam spektroskopi dan spektroskopi experimen.
Banyak jenis laser yang boleh disesuaikan mampu menghasilkan gelombang berterusan (CW), nanosecond, picosecond, atau output nadi femtosecond. Ciri -ciri output mereka ditentukan oleh medium keuntungan laser yang digunakan.
Keperluan asas untuk laser yang boleh disesuaikan ialah mereka mampu memancarkan cahaya laser ke atas pelbagai panjang gelombang. Optik khas boleh digunakan untuk memilih panjang gelombang tertentu atau jalur panjang gelombang dari jalur pelepasan laser yang boleh disesuaikan.
Terdapat pelbagai bahan keuntungan yang mampu menghasilkan laser yang boleh disesuaikan, yang paling biasa adalah pewarna organik dan kristal safir titanium (Ti: sapphire). Dalam kes kedua-dua bahan keuntungan ini, laser argon ion (Ar+) atau laser neodymium-gegelung frekuensi (ND 3+) digunakan sebagai sumber pam kerana penyerapan cahaya pam mereka pada kira-kira 490 nm.
Molekul pewarna boleh digunakan untuk menghasilkan panjang gelombang di ultraviolet ke julat yang boleh dilihat (UV-vis). Walau bagaimanapun, beralih antara banyak molekul pewarna yang berbeza diperlukan untuk mencapai pelbagai penalaan yang luas, menjadikan proses itu agak rumit dan kompleks. Sebaliknya, laser pepejal boleh mencapai pelbagai penalaan yang luas menggunakan hanya satu bahan keuntungan laser (contohnya, kristal dielektrik), menghapuskan keperluan untuk perubahan pewarna yang kerap.
Pada masa ini, Titanium Sapphire telah muncul sebagai bahan keuntungan laser utama, dengan spektrum pelepasan yang luas 680 hingga 1100 nm yang boleh ditala secara berterusan dan output yang boleh ditukar kepada pelbagai spektrum UV-VIS atau ke bawah ke rantau spektrum IR. Ciri -ciri ini membolehkan pelbagai aplikasi dalam kimia dan biologi.
Laser gelombang berdiri CW yang boleh ditukar
Secara konseptual, laser gelombang berdiri CW adalah seni bina laser yang paling mudah. Ia terdiri daripada cermin yang sangat mencerminkan, mendapatkan medium, dan cermin coupler output (lihat Rajah 1), yang menyediakan output CW menggunakan pelbagai medium laser. Untuk mencapai kemunculan, medium keuntungan perlu dipilih untuk menampung julat panjang gelombang sasaran.
Rajah 1: Skema laser gelombang CW yang berpangkalan di Titanium Sapphire. Penapis penalaan birefringent ditunjukkan.
Banyak pewarna pendarfluor boleh digunakan untuk menyesuaikan panjang gelombang laser ke julat yang dikehendaki. Kelebihan utama laser pewarna adalah keupayaan untuk menutupi pelbagai panjang gelombang dalam band UV-vis, tetapi kelemahannya ialah penggunaan pewarna/pelarut tunggal hanya memberikan keupayaan penalaan panjang gelombang sempit. Sebaliknya, laser sapphire titanium keadaan pepejal mempunyai kelebihan menyediakan pelbagai penalaan panjang gelombang menggunakan medium keuntungan tunggal, tetapi mempunyai kelemahan hanya dapat beroperasi di band inframerah dekat (NIR) dari 690 hingga 1100 nm.
Bagi kedua -dua media keuntungan, penalaan panjang gelombang dicapai oleh elemen penstabilan panjang gelombang pasif. Yang pertama ialah penapis birefringent multi-plat atau penapis lyot. Penapis ini memodulasi keuntungan dengan memberikan penghantaran yang tinggi pada panjang gelombang tertentu, dengan itu memaksa laser untuk beroperasi pada panjang gelombang itu.
Penalaan dicapai dengan berputar penapis birefringent ini. Walaupun mudah, laser gelombang berdiri CW membolehkan mod laser longitudinal berganda. Ini menghasilkan linewidth kira-kira 40 GHz separuh lebar lebar (<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.
Laser cincin CW yang boleh ditukar
Sejak awal 1980 -an, laser cincin telah digunakan untuk mencapai output CW yang boleh ditukar melalui satu mod longitudinal dengan jalur lebar spektrum dalam julat Kilohertz. Sama seperti laser gelombang berdiri, laser cincin yang boleh disesuaikan boleh menggunakan pewarna dan safir titanium sebagai media keuntungan. Pewarna mampu menyediakan linewidths yang sangat sempit<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.
Menurut prinsip ketidakpastian Heisenberg, kerana definisi tenaga menjadi lebih tepat, lebar nadi yang dapat ditentukan menjadi kurang tepat. Untuk laser gelombang CW yang berdiri, panjang rongga mentakrifkan jumlah tenaga yang dibenarkan sebagai mod membujur diskret. Apabila panjang rongga lebih pendek, bilangan mod longitudinal yang dibenarkan meningkat, mengakibatkan linewidth output yang lebih luas dan kurang jelas.
Dalam konfigurasi cincin, rongga laser boleh dianggap sebagai rongga yang panjang dan tenaga boleh ditakrifkan dengan tepat. Hanya satu mod membujur yang terdapat dalam rongga. Untuk mencapai keadaan operasi satu mod, beberapa elemen optik amat diperlukan (lihat Rajah 2).
Rajah 2: Susun atur optik laser sapphire titanium berbentuk cincin dengan rongga rujukan luaran.
Pertama, isolator Faraday dimasukkan ke dalam rongga untuk memastikan bahawa foton intrakaviti sentiasa mengikuti jalan yang sama. Perlawanan standard intracavity digunakan untuk mengurangkan lagi output linewidth. Tidak seperti rongga laser gelombang berdiri, tidak ada cermin akhir dalam konfigurasi cincin. Foton beredar secara berterusan dalam rongga laser. Kedua, panjang rongga mesti stabil untuk membetulkan sebarang perubahan mekanikal yang disebabkan oleh turun naik alam sekitar seperti haba atau getaran.
Untuk mencapai jalur lebar spektrum ultra-sempit, rongga boleh stabil menggunakan salah satu daripada dua kaedah: satu kaedah menggunakan cermin piezoelektrik mekanikal untuk menstabilkan panjang rongga dengan masa tindak balas dalam julat kilohertz, dan kaedah lain menggunakan modulator elektro-optik (EO). Beberapa persediaan makmal khusus telah menunjukkan bahawa jalur lebar spektrum boleh diukur di Hertz. Faktor utama dalam menentukan resolusi spektrum rongga cincin adalah rongga rujukan frekuensi luaran. Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2, rongga rujukan digunakan untuk menjana isyarat yang diperlukan untuk menstabilkan panjang rongga laser. Rongga rujukan luaran ini mesti diasingkan daripada turun naik alam sekitar yang disebabkan oleh suhu, getaran mekanikal, dan bunyi akustik. Rongga rujukan harus dipisahkan dengan baik dari rongga laser cincin itu sendiri untuk mengelakkan gandingan yang tidak disengajakan antara keduanya. Isyarat rujukan diproses menggunakan kaedah pound-thever-hall.
Laser quasi-continuum yang dikunci mod
Bagi banyak aplikasi, ciri -ciri temporal yang jelas dari output laser adalah lebih penting daripada tenaga yang ditakrifkan. Malah, mencapai denyutan optik pendek memerlukan konfigurasi rongga di mana banyak mod membujur bergema secara serentak. Apabila mod longitudinal yang beredar ini mempunyai hubungan fasa tetap dalam rongga laser, laser dikunci mod. Ini akan menyedari satu nadi yang berayun dalam rongga dengan tempoh yang ditakrifkan oleh panjang rongga laser.
Pengunci mod aktif boleh dicapai menggunakan modulator acousto-optik (AOM) atau mod pasif melalui lensa Kerr. Bekas, yang menjadi lebih popular pada tahun 1980 -an, menggunakan intrakaviti AOM sebagai pengatup sementara yang membuka dan menutup pada separuh kekerapan panjang rongga. Pulsa beratus -ratus picoseconds boleh dicapai menggunakan kaedah ini. Dalam beberapa dekad yang lalu, aplikasi saintifik telah memerlukan resolusi temporal yang lebih baik dan oleh itu denyutan yang lebih pendek.
Laser pewarna yang dipam serentak menyediakan kaedah yang berdaya maju untuk menala panjang gelombang pusat dan memendekkan nadi optik dengan urutan magnitud (hingga puluhan picoseconds). Untuk mencapai ini, rongga laser pewarna mesti mempunyai panjang rongga yang sama seperti laser pam yang terkunci mod. Pam dan pewarna laser pewarna bertemu di medium keuntungan untuk menghasilkan radiasi yang teruja dari molekul pewarna. Output laser stabil dengan menyesuaikan panjang rongga laser pewarna. Konfigurasi pam yang disegerakkan juga boleh digunakan untuk memacu pengayun parametrik optik (OPOS) (dibincangkan di bawah).
Laser terkunci mod Titanium Sapphire adalah contoh mod lensa lensa pasif (lihat Rajah 3). Dalam pendekatan ini, denyutan dihasilkan oleh modulasi keuntungan dan indeks refraktif nilam titanium bergantung kepada intensiti.
Pada dasarnya, kerana nadi menyebarkan melalui medium keuntungan, intensiti puncak lebih tinggi dengan kehadiran nadi. Ini mewujudkan lensa pasif yang memfokuskan rasuk nadi lebih ketat dan mengekstrak keuntungan dengan lebih cekap sehingga tidak ada keuntungan untuk menyokong resonans serentak mod CW dalam rongga. Perturbasi mekanikal ke rongga digunakan untuk mendorong pancang intensiti untuk memulakan penguncian mod. Pendekatan ini membolehkan Sapphire Titanium menghasilkan denyutan sebanyak 4 fs.
Rajah 3: Dalam laser Sapphire Titanium yang dikunci mod, panjang gelombang pusat ditala dengan menggerakkan celah penalaan yang terletak di antara kedua-dua prisma dispersif.
Perlu diingat bahawa jalur lebar lebih daripada 300 nm boleh digabungkan menjadi satu nadi. Menurut prinsip ketidakpastian Heisenberg, denyutan yang lebih pendek memerlukan lebih banyak mod longitudinal. Oleh itu, rongga laser mesti mempunyai pampasan penyebaran yang mencukupi dari optik rongga untuk mengekalkan hubungan fasa yang diperlukan untuk mengunci mod yang stabil. Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3, pampasan prisma ditambah kepada rongga untuk memastikan hubungan fasa yang berterusan. Menggunakan kaedah ini, denyutan sebanyak 20 fs boleh diperolehi. Untuk menghasilkan denyutan yang lebih pendek, penyebaran pesanan yang lebih tinggi juga perlu diberi pampasan. Pampasan ini dicapai menggunakan kanta kicauan optik untuk mengekalkan hubungan fasa yang diperlukan untuk pengunci mod yang stabil.
Oleh kerana penguncian mod lensa chirped paling berkesan dengan denyutan yang lebih pendek (intensiti yang lebih tinggi), kaedah ini terutamanya sesuai untuk menghasilkan denyutan femtosecond. Dalam julat 100 fs ~ 100 ps, kaedah hibrid yang dipanggil pengunci mod regeneratif boleh digunakan. Kaedah ini menggunakan Intracavity AOM dan kesan Kerr. Kekerapan pemacu AOM diperoleh daripada pengukuran masa nyata kekerapan pengulangan rongga, dan amplitudnya bergantung kepada tempoh nadi. Apabila lebar nadi yang dikehendaki meningkat dan kesan kerr berkurangan, amplitud AOM stabil meningkat untuk mengunci mod mod. Akibatnya, penguncian mod regeneratif dapat memberikan output yang stabil dan mudah disesuaikan dengan pelbagai 20 fs hingga 300 ps menggunakan sistem laser tunggal.
Pada akhir 1990-an, penguncian mod regeneratif membolehkan laser Titanium Sapphire Titanium yang dikawal oleh semua-dalam-satu. Inovasi ini menjadikan teknologi lebih mudah diakses oleh penyelidik dan aplikasi yang lebih luas. Kemajuan dalam pengimejan multiphoton telah didorong sebahagian besarnya oleh kemajuan teknologi. Pulsa laser femtosecond kini tersedia untuk ahli biologi, pakar neurosains dan pakar perubatan. Beberapa kemajuan teknologi telah dibuat selama bertahun -tahun yang telah membawa kepada penggunaan umum laser sapphire titanium dalam bioimaging.
Ultrafast Ytterbium Lasers
Walaupun utiliti luas laser sapphire titanium, beberapa eksperimen bioimaging memerlukan panjang gelombang yang lebih lama. Proses penyerapan dua foton biasa teruja oleh foton pada panjang gelombang 900 nm. Kerana panjang gelombang yang lebih panjang bermakna kurang berselerak, panjang gelombang pengujaan yang lebih lama dapat memacu eksperimen biologi yang lebih berkesan yang memerlukan kedalaman pengimejan yang lebih mendalam.
Ia juga penting untuk mempertimbangkan panjang gelombang foton pendarfluor seterusnya pewarna yang dilampirkan pada sampel biologi. Panjang gelombang foton pendarfluor seperti itu biasanya dalam jalur 450 hingga 550 nm, yang lebih mudah terdedah kepada penyebaran. Oleh itu, beberapa penanda pendarfluor telah dibangunkan yang secara progresif menyerap panjang gelombang inframerah. Untuk memenuhi keperluan ini, industri telah membangunkan OPO yang dikendalikan oleh semua-dalam-dalam-satu, yang dipam serentak oleh laser ytterbium 1045 nm dengan panjang gelombang output dalam lingkungan 680 hingga 1300 nm. Untuk pencitraan multiphoton, seni bina ini menawarkan alternatif prestasi yang lebih tinggi kepada laser sapphire titanium.
Penguat ultrafast
Contoh-contoh di atas menghasilkan denyutan ultrafast dalam julat tenaga Nano-Joule (NJ). Walau bagaimanapun, banyak aplikasi memerlukan sumber cahaya yang boleh disesuaikan dengan tenaga yang lebih tinggi. Oleh kerana penukaran panjang gelombang adalah proses tak linear, kecekapan bergantung kepada tenaga yang ada. Bagi aplikasi ini, beberapa teknik boleh digunakan untuk meningkatkan tenaga dan kebolehkerjaan laser ultrafast.
Penguatan denyutan ultrafast boleh dibahagikan kepada dua kategori utama: penguatan multistage dan penguatan regeneratif. Yang pertama mempunyai kelebihan bahawa tenaga yang sangat tinggi (100 mj) dapat dicapai dengan input yang sangat rendah, tetapi berulang kali melalui tahap penguatan merendahkan kualiti rasuk output. Oleh itu, penguatan regeneratif adalah kaedah pilihan untuk menghasilkan tenaga nadi pada skala mikrojoule (μJ) atau milijoule (MJ).
Secara umum, penguatan nadi ultrafast dicapai dengan kaedah amplifikasi denyut nadi (lihat Rajah 4). Proses ini bermula dengan pengayun terkunci mod dengan tempoh nadi femtosecond, iaitu, laser benih. Adalah penting bagi laser benih untuk mempunyai jalur lebar yang mencukupi supaya tempoh nadi dapat diregangkan atau kicauan dalam masa. Kicak optik berlaku akibat warna cahaya yang berbeza, bergerak melalui bahan optik pada kelajuan yang berbeza. Secara umum, lampu merah bergerak lebih cepat daripada cahaya biru. Sebagai contoh, grating yang meluaskan memperkenalkan cahaya merah yang positif sebelum cahaya biru untuk memisahkan komponen panjang gelombang dalam masa dan ruang. Perluasan denyutan adalah perlu untuk mengurangkan kuasa puncak yang kuat dari denyutan femtosecond milijoule. Selepas meluaskan, denyutan hampir 300 ps diarahkan ke rongga laser regeneratif peringkat kedua. Langkah terakhir adalah menggunakan grating kedua untuk memperkenalkan kicauan negatif dan membina semula nadi yang diperkuatkan. Seluruh proses ditunjukkan dalam Rajah 4.
Rajah 4: Penguatan denyutan nadi
Hari ini, kebanyakan penguat regeneratif menggunakan sapphire titanium, tetapi media keuntungan lain (contohnya ytterbium) menjadi semakin popular. Dengan kedua -dua media keuntungan, penguat mempunyai keterujaan yang agak sempit, dengan Titanium Sapphire yang mempunyai julat penalaan kira -kira 780 hingga 820 nm, yang membatasi kegunaannya dalam aplikasi spektroskopi. Untuk mengatasi batasan ini, beberapa kaedah penukaran kekerapan tersedia.
Penukaran kekerapan harmonik, adalah cara paling mudah untuk menyesuaikan panjang gelombang pengayun ultrafast atau sistem penguat ultrafast. Pada dasarnya, foton insiden ditingkatkan kepada pelbagai integer frekuensi asas. Untuk Titanium Sapphire (julat penalaan asas 700 ~ 1000 nm), julat penalaan harmonik kedua ialah 350 ~ 500 nm, harmonik ketiga ialah 233 ~ 333 nm, dan harmonik keempat ialah 175 ~ 250 nm. Dalam amalan, disebabkan oleh penyerapan oleh kristal harmonik, penalaan harmonik keempat adalah terhad kepada 200 nm. Bagi aplikasi yang memerlukan panjang gelombang di luar julat ini, parameter untuk aplikasi yang memerlukan panjang gelombang melebihi julat ini, pilihan penukaran parameter diperlukan.
Ultrafast Opo dan OPA
Walaupun output nadi ultrafast boleh didarabkan atau bahkan tiga kali ganda, julat penalaan 700 hingga 1000 nm dari safir titanium meninggalkan jurang panjang gelombang di kawasan spektrum UV-vis dan IR. Untuk eksperimen yang memerlukan denyutan ultrafast dengan panjang gelombang "di kawasan 'kosong' ini, penukaran parameter diperlukan. Kaedah ini menukarkan satu foton bertenaga tinggi menjadi dua foton tenaga rendah: foton isyarat dan foton pemalas (lihat Rajah 5).
Rajah 5: Skema penukaran bawah parametrik.
Pengagihan tenaga antara kedua -dua foton ini boleh dikonfigurasikan oleh pengguna. Dalam konfigurasi parametrik yang tipikal berdasarkan sapphire titanium, foton insiden pada panjang gelombang 800 nm, boleh ditala secara berterusan dari kira-kira 1200 nm hingga 2600 nm. Oleh kerana penukaran parameter turun adalah proses tak linear, kecekapan penukaran mungkin menjadi isu. Untuk mengatasi batasan ini, pengayun parametrik optik (OPO) digunakan pada tahap tenaga nanofocal dan penguat parametrik optik (OPA) digunakan pada tahap tenaga millifokal.
Dalam rongga opo, cahaya terdiri daripada denyutan pendek yang menyebarkan ke belakang dan sebagainya melalui rongga. Walau bagaimanapun, tidak seperti konfigurasi laser pewarna yang diterangkan di atas, medium pengaktifan adalah kristal tak linear dan tidak menyimpan keuntungan. Kristal OPO menukarkan foton hanya dengan kehadiran nadi pam. Operasi yang berjaya OPO ultrafast memerlukan denyutan dari sumber pam tiba di kristal pada masa yang sama dengan foton terbiar dan isyarat yang beredar di sekitar rongga OPO. Dalam erti kata lain, laser sapphire titanium panjang gelombang tetap dan opo ultrafast mesti mempunyai panjang rongga yang sama.
Susun atur opo ultrafast biasa ditunjukkan dalam Rajah 6. Pencocokan fasa dan panjang rongga secara automatik memilih panjang gelombang yang dikehendaki dan memastikan bahawa masa pusingan intrakaviti untuk panjang gelombang itu disimpan pada 80 MHz, yang sama seperti untuk laser pam sapphire titanium. Dalam contoh ini, OPO didorong oleh harmonik kedua Laser Pam Titanium Sapphire. Rasuk 400 nm yang dihasilkan menghasilkan isyarat dan output loiter dengan liputan panjang gelombang 490 hingga 750 nm (output isyarat) dan 930 nm hingga 2.5 μm (output loiter), dengan lebar nadi kurang daripada 200 fs. Apabila digabungkan dengan julat penalaan Titanium Sapphire Fundamental sebanyak 690 hingga 1040 nm, sistem ini meliputi julat panjang gelombang 485 nm hingga 2.5 μm. julat. Aplikasi tipikal termasuk kajian soliton, spektroskopi getaran masa yang diselesaikan dan eksperimen pam ultrafast.
Rajah 6: Dalam pengayun parametrik optik yang dipam serentak (OPO), panjang gelombang pusat diubah dengan menyesuaikan sudut pemadanan fasa kristal tak linear.
OPA menggunakan proses optik nonlinear yang sama, tetapi kerana nadi pam mempunyai kuasa puncak yang lebih tinggi, resonator optik tidak diperlukan untuk penukaran panjang gelombang yang cekap. Sebahagian kecil rasuk dari penguat ultrafast difokuskan pada plat nilam untuk menghasilkan spektrum kontinum cahaya putih. Spektrum kontinum cahaya putih disusun menjadi kristal Opa (biasanya kristal borat barium) dan dipam dengan sisa rasuk penguat ultrafast. Satu lulus rasuk melalui OPA menghasilkan susunan isyarat magnitud yang diperkuatkan dan cahaya sesat. Panjang gelombang pusat cahaya output dikawal semula oleh keadaan pemadanan fasa kristal, dan jalur lebar spektrum biasanya ditentukan oleh jalur lebar pam dan biji benih atau jalur lebar kristal yang diterima.
OPA ini boleh beroperasi dalam julat femtosecond atau picosecond dengan tenaga sehingga beberapa milijoules setiap nadi. Pada tahap tenaga ini, isyarat yang dihasilkan dan cahaya pemalas boleh ditukar kepada harmonik mereka atau oleh jumlah dan/atau pencampuran kekerapan perbezaan.
OPAS yang dipam dengan tenaga nadi milijoule mampu menghasilkan foton dari ultraviolet dalam 190 nm ke rantau spektrum inframerah yang jauh. Peranti ini memudahkan banyak aplikasi spektroskopi seperti spektroskopi penyerapan sementara, pendarfluor pendarfluor, spektroskopi inframerah 2D, dan generasi harmonik yang tinggi.
Kesimpulan
Laser Tunable kini digunakan dalam banyak aplikasi penting dari penyelidikan sains asas kepada pembuatan laser dan sains kehidupan dan kesihatan. Pelbagai teknologi yang kini tersedia adalah luas. Bermula dengan sistem CW Tunable yang mudah, linewidths sempit mereka boleh digunakan untuk spektroskopi resolusi tinggi, perangkap molekul dan atom, dan eksperimen optik kuantum, memberikan maklumat kritikal kepada penyelidik moden.
Sistem penguat ultrafast yang lebih canggih menggunakan denyutan laser bertenaga tinggi, picosecond dan femtosecond untuk menghasilkan output laser di UV ke band-jalur yang jauh. Laser ultrafast ini penting untuk memahami fizik tenaga tinggi, harmonik yang tinggi, dan spektroskopi sementara. Pelbagai penalaan yang luas bermakna sistem laser yang sama boleh digunakan untuk mengkaji pelbagai eksperimen yang tidak terhingga dalam spektroskopi elektronik dan getaran. Pengilang laser hari ini menawarkan penyelesaian jenis sehenti kedai, menyediakan output laser yang merangkumi lebih daripada 300 nm dalam julat tenaga nanofocal. Sistem yang lebih canggih merangkumi pelbagai spektrum yang luas 200 hingga 20, 000 nm dalam mikrofokus dan julat tenaga millifokus.
