Paljud laserid võimaldavad operaatoril häälestada või muuta vastavalt vajadusele UV -i väljundlainepikkust IR -lainepikkuse vahemikku. Pärast meie varasemat arutelu häälestatavate laserite rakendamise kohta arutab selles artiklis üksikasjalikult häälestatavate laserite tüüpe ja rakendusi.
Häälestatavaid lasereid kasutavad rakendused jagunevad üldiselt kahte laia kategooriasse: need, milles ühe- või mitmerealist fikseeritud lainepikkust laserit ei suuda soovitud diskreetset lainepikkust ega lainepikkusi pakkuda, ja need, milles laseri lainepikkust tuleb pidevalt häälestada katsete või testide ajal, nagu spektroskoop ja pumba katses.
Paljud häälestatavad laserid on võimelised tootma häälestatavat pidevat lainet (CW), nanosekundit, pikosekundit või femtosekundi impulsi väljundit. Nende väljundomadused määravad kasutatud laseri võimenduse söötme abil.
Häälestatavate laserite põhinõue on see, et need on võimelised eraldama laservalgust laias lainepikkuses. Spetsiaalset optikat saab kasutada häälestatava laseri emissiooniribalt konkreetse lainepikkuse või lainepikkuste riba valimiseks.
Seal on mitmesuguseid võimendusmaterjale, mis on võimelised tootma häälestatavaid lasereid, millest kõige tavalisemad on orgaanilised värvained ja titaan -safiiri kristallid (TI: Sapphire). Nende kahe võimendusmaterjali korral kasutatakse argooni iooni (AR+) laserid või sageduspereleeritud neodüümi iooni (ND 3+) lasereid pumbaallikana, kuna pumba valguse efektiivne imendumine on umbes 490 nm.
Värvainemolekule saab kasutada lainepikkuste tootmiseks ultraviolettkiirguses nähtavaks (UV-vis). Laia häälestamisvahemiku saavutamiseks on aga vaja paljude erinevate värvainemolekulide vahetamist, muutes protsessi üsna kohmakaks ja keerukaks. Seevastu tahke oleku laserid võivad saavutada laia häälestamisvahemiku, kasutades ainult ühte laseri võimenduse materjali (nt dielektrilised kristallid), välistades vajaduse sagedaste värvimuutuste järele.
Praegu on titaanist safiire kujunenud esmaseks häälestatava lasertõmbamise materjaliks, laia emissioonispektriga 680–1100 nm, mida saab pidevalt häälestada, ja väljundit, mida saab muuta UV-vis spektraalvahemiku või allapoole suunatud IR-spektri piirkonda. Need omadused võimaldavad mitmesuguseid rakendusi keemia ja bioloogia alal.
Häälestatavad CW seisvad lainelised laserid
Kontseptuaalselt on CW püsiva laine laser lihtsaim laserarhitektuur. See koosneb väga peegeldavast peeglist, võimenduse söötmest ja väljundühenduse peeglist (vt joonis 1), mis annab CW väljundi, kasutades mitmesuguseid lasertõmbamiskeskkondi. Häälestatavuse saavutamiseks tuleb sihtmärgi lainepikkuse vahemiku katmiseks valida võimendusööde.
Joonis 1: Titaan Sapphire-põhise CW püsiva lainelaseri skeem. Kuvatakse kahesuunaline häälestamisfilter.
Laseri lainepikkuse soovitud vahemiku häälestamiseks saab kasutada paljusid fluorestsentsvärvisid. Värviline laserite peamine eelis on võime katta UV-vis ribas lai lainepikkused, kuid puuduseks on see, et ühe värvaine/lahusti kasutamine pakub ainult kitsast lainepikkuse häälestamise võimalust. Seevastu tahke olekuga titaanist safiirilaseritel on eelis, et pakkuda laia lainepikkusega häälestamisvahemikku, kasutades ühe võimenduse söödet, kuid nende puuduseks on see, et nad saavad töötada ainult infrapuna-infrapuna (NIR) ribas vahemikus 690–1100 nm.
Mõlema võimenduse keskkonna puhul saavutatakse lainepikkuse häälestamine passiivse lainepikkuse stabiliseerimise elementidega. Esimene neist on mitme plaadiga kahesuunaline filter või Lyot-filter. See filter moduleerib võimendust, pakkudes kõrget ülekannet konkreetsel lainepikkusel, sundides seega laserit sellel lainepikkusel töötama.
Häälestamine toimub selle kahepoolse filtri pööramisega. Ehkki CW püsiva laine laseriga on lihtne, võimaldab mitu pikisuunalist laserrežiimi. See toodab umbes 40 GHz täislaiuse poolkõrguse liinilaiust (<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.
Häälestatavad CW rõngalaserid
Alates 1980. aastate algusest on rõngalassereid kasutatud häälestatava CW väljundi saavutamiseks ühe pikisuunalise režiimi kaudu, mille spektri ribalaius on Kiloherzi vahemikus. Sarnaselt püsivate lainelaheritega saavad häälestatavad rõngas laserid kasutada VÕIMALIKUD VÄLJASTAMISEKS. Värvained on võimelised pakkuma väga kitsaid liinid<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.
Heisenbergi määramatuse põhimõtte kohaselt muutub energia määratlus täpsemaks, et määrata määratav impulsi laius on vähem täpne. Seisivate CW laserite puhul määratleb õõnsuse pikkus diskreetse pikisuunalise režiimina lubatud energia koguse. Kui õõnsuse pikkus on lühem, suureneb pikisuunaliste režiimide arv, mille tulemuseks on laiem, vähem määratletud väljundrea laiune.
Ringi konfiguratsioonis võib laserõõnsust pidada lõpmata pikaks õõnsuseks ja energiat saab täpselt määratleda. Õõnsuses on ainult üks pikisuunaline režiim. Ühe režiimi töötingimuste saavutamiseks on eriti vaja mitu optilist elementi (vt joonis 2).
Joonis 2: rõngakujulise titaani safiirilaseri optiline paigutus välise võrdlusõõnega.
Esiteks sisestatakse õõnsusesse Faraday isolaator, et tagada, et intracavity footonid järgiksid alati sama rada. Väljundjoone laiuse edasiseks vähendamiseks kasutatakse intracavity standardiseeritud kinnitusi. Erinevalt seisvate lainelaserõõnsustest pole rõnga konfiguratsioonis otsapeeglid. Footonid ringlevad laserõõnes pidevalt. Teiseks tuleb õõnsuse pikkus stabiliseerida, et korrigeerida mehaanilisi muutusi, mis on põhjustatud keskkonna kõikumistest nagu soojus või vibratsioon.
Ultra-Narrow spektraalse ribalaiuse saavutamiseks saab õõnsust stabiliseerida, kasutades ühte kahest meetodit: ühes meetodis kasutatakse mehaanilisi piesoelektrilisi suunatud peegreid õõnsuse pikkuse stabiliseerimiseks reageerimisajaga Kiloherzi vahemikus ja teine meetod kasutab elektro-optiliste (EO) moduatorite abil reageerimisaegade saavutamiseks megartzi vahemikus. Mitmed spetsiaalsed laboratoorsed seadistused on näidanud, et spektri ribalaiust saab mõõta Hertzis. Rõõmu spektraalse eraldusvõime määramise võtmetegur on välise sageduse võrdlusõõnsus. Nagu on näidatud joonisel 2, kasutatakse laserõõnde pikkuse stabiliseerimiseks vajaliku signaali genereerimiseks võrdlusõõnsust. See väline võrdlusõõnsus tuleb eraldada keskkonna kõikumistest, mis on põhjustatud temperatuurist, mehaanilisest vibratsioonist ja akustilisest mürast. Võrdlusõõnsus peaks olema rõngalaseriõõnest endast hästi eraldatud, et vältida nende kahe tahtmatut sidumist. Võrdlussignaali töödeldakse Pound-Drever-Halli meetodil.
Režiimi lukustatud kvaasi-continuum laserid
Paljude rakenduste jaoks on lasertoodatuse täpselt määratletud ajalised omadused olulisemad kui täpselt määratletud energia. Tegelikult nõuab lühikeste optiliste impulsside saavutamine õõnsuse konfiguratsiooni, milles paljud pikisuunalised režiimid resoneeruvad samaaegselt. Kui nende tsirkuleerivate pikisuunaliste režiimide laserõõnes on fikseeritud faasi suhe, on laser režiimi lukustatud. See realiseerib õõnsuse piires ühe impulsi, mille periood on määratletud laserõõne pikkusega.
Aktiivse režiimi lukustamist saab saavutada akusto-optilise modulaatori (AOM) või passiivse režiimi abil läbi Kerri objektiivi. Esimene, mis 1980ndatel populaarsemaks muutus, kasutab mööduva katikuna intracavity AOM -i, mis avaneb ja sulgeb poole õõnsuse pikkuse sagedusest. Selle meetodi abil saab saavutada sadade pikosekundite impulsse. Viimase paarikümne aasta jooksul on teaduslikud rakendused vajanud paremat ajalist eraldusvõimet ja seetõttu lühemaid impulsse.
Sünkroonselt pumbatud värvained annavad elujõulise meetodi keskmise lainepikkuse häälestamiseks ja optilise impulsi lühendamiseks suurusjärgu võrra (kümneteks pikosekunditeks). Selle saavutamiseks peab värvainelaserõõnes olema sama õõnsuse pikkus kui režiimi lukustatud pumba laseril. Pump ja värvainelaserimpulsid kohtuvad võimenduskeskkonnas, et saada värvainemolekulidest ergastatud kiirgus. Laseri väljund stabiliseeritakse värvainelaseri õõnsuse pikkuse reguleerimisega. Sünkroniseeritud pumpamiskonfiguratsioone saab kasutada ka optiliste parameetriliste ostsillaatorite (OPOS) juhtimiseks (arutatud allpool).
Titaan Sapphire'i režiimi lukustatud laser on näide passiivsest Kerri objektiivi režiimist (vt joonis 3). Selle lähenemisviisi korral genereeritakse impulsid võimenduse modulatsiooni teel ja titaani safiiri murdumisnäitaja sõltub intensiivsusest.
Põhimõtteliselt, kui impulss levib läbi võimenduse söötme, on piigi intensiivsus impulsi juuresolekul suurem. See loob passiivse objektiivi, mis keskendub impulssikirja tihedamalt ja eraldab võimenduse tõhusamalt, kuni ei ole võimendust CW režiimide samaaegse resonantsi toetamiseks õõnsuses. Mehaanilisi häireid õõnsusele kasutatakse intensiivsuse indutseerimiseks režiimi lukustamise algatamiseks. See lähenemisviis võimaldas titaani safiiril toota nii lühikese kui 4 fs.
Joonis 3: Režiimi lukustatud titaani safiirilaseris häälestatakse kesklainepikkus, liigutades häälestamispilu, mis asub kahe hajuva prisma vahel.
Väärib märkimist, et enam kui 300 nm ribalaiused saab ühendada üheks impulssiks. Heisenbergi ebakindluse põhimõtte kohaselt vajavad lühemad impulsid rohkem pikisuunalisi režiime. Seetõttu peab laserõõnes olema õõnsuse optikast piisav dispersiooni kompenseerimine, et säilitada stabiilse režiimi lukustamiseks vajalik faasisuhe. Nagu on näidatud joonisel 3, lisatakse õõnsusele kompenseerivad prismid, et tagada pidev faasisuhte. Seda meetodit kasutades võib saada nii lühikese kui 20 Fs. Lühemate impulsside tootmiseks tuleb kompenseerida ka kõrgema järgu dispersioon. See kompensatsioon saavutatakse optilise chirp-objektiivi abil, et säilitada stabiilse režiimi lukustamiseks vajalik faasisuhe.
Kuna sirvitud läätse režiimi lukustamine on kõige tõhusam lühemate impulssidega (suurem intensiivsus), sobib see meetod peamiselt femtosekundiliste impulsside genereerimiseks. 100 fs ~ 100 ps vahemikus võib kasutada hübriidmeetodit, mida nimetatakse regeneratiivse režiimi lukustumiseks. See meetod kasutab intracavity AOM -i ja KERRi efekti. AOM-draivi sagedus on tuletatud õõnsuse kordumise sageduse reaalajas mõõtmistest ja selle amplituud sõltub impulsi kestusest. Kui soovitud impulsi laius suureneb ja KERRi efekt väheneb, suureneb stabiliseeritud AOM amplituud režiimi lukustamise toetamiseks. Selle tulemusel võib regeneratiivne režiimi lukustamine pakkuda ühe lasersüsteemi abil stabiilset, häälestatavat väljundit laias vahemikus 20 fs kuni 300 ps.
1990ndate lõpus võimaldas regeneratiivne režiimi lukustamine esimest häälestatavat, kõik-ühes arvutis kontrollitud titaani safiirilaserit. See uuendus muutis tehnoloogia kättesaadavamaks laiemale teadlastele ja rakendustele. Mitmekojas pildistamise edusamme on suures osas ajendatud tehnoloogiliste arengute kaudu. Femtosekundilised laserimpulsid on nüüd saadaval bioloogidele, neuroteadlastele ja arstidele. Aastate jooksul on tehtud mitmeid tehnoloogilisi edusamme, mis on viinud titaani safiiride laserite üldise kasutamiseni biopildis.
Ultrafast -ytterbium laserid
Hoolimata titaani safiirilaserite laiast kasulikkusest, vajavad mõned biopildi katsed pikemat lainepikkust. Tüüpilised kahe footoni neeldumisprotsessid erutavad footonitega lainepikkusel 900 nm. Kuna pikemad lainepikkused tähendavad vähem hajumist, suudab pikemad ergastuslainepikkused tõhusamalt juhtida bioloogilisi katseid, mis vajavad sügavamat kuvamissügavust.
Samuti on kriitilise tähtsusega kaaluda bioloogilise proovi külge kinnitatud värvaine järgnevate fluorestsentsfootonite lainepikkust. Selliste fluorestsentsfootonite lainepikkus on tavaliselt riba 450–550 nm, mis on hajumisele vastuvõtlikum. Seetõttu on välja töötatud mitu fluorestsentsmarkerit, mis imavad järk -järgult infrapuna lainepikkusi. Selle nõude täitmiseks on tööstus välja töötanud kõik-ühes, arvuti juhitud, sünkroonselt pumbatud OPO-ga, mida juhib 1045 nm ytterbium laser, mille väljundlainepikkused on vahemikus 680 kuni 1300 nm. Multifotoni pildistamiseks pakub see arhitektuur titaani safiirilaseritele märkimisväärselt suuremat jõudlust.
Ultrafastilised võimendid
Ülaltoodud näited toodavad ultrafastilisi impulsse nano-jouli (NJ) energiavahemikus. Kuid paljud rakendused nõuavad kõrgemaid energiaallikaid. Kuna lainepikkuse muundamine on mittelineaarne protsess, sõltub efektiivsus saadaolevast energiast. Nende rakenduste jaoks saab ultrafastiliste laserite energia ja häälestatavuse suurendamiseks kasutada mitmeid tehnikaid.
Ultrafasti impulsside võimendamine võib jagada kahte peamist kategooriasse: mitmeastmeline võimendus ja regeneratiivne võimendus. Esimesel on eeliseks, et väga kõrge energia (100 MJ) saab saavutada väga madala sisendiga, kuid korduvad läbimise etapi kaudu halvendavad väljundtala kvaliteeti. Seetõttu on regeneratiivne amplifikatsioon eelistatud meetod impulssienergiate genereerimiseks mikrojojule (µJ) või Millijouli (MJ) skaalal.
Üldiselt saavutatakse ultrafast-impulsi amplifikatsioon siristatud impulsi võimendusmeetoditega (vt joonis 4). Protsess algab femtosekundilise impulsi kestusega režiimilukustatud ostsillaatoriga, st seemnelaseriga. Seemnelaseril on kriitiline, et oleks piisavalt ribalaiust, nii et pulsi kestust saaks õigel ajal venitada või siristada. Optiline siristamine toimub erinevate valguse värvide tagajärjel, liikudes läbi optilise materjali erineva kiirusega. Üldiselt liigub punane tuli kiiremini kui sinine tuli. Näiteks tutvustab laienev võre positiivselt siristatud punast tuld enne sinist valgust, et eraldada lainepikkuse komponendid ajas ja ruumis. Millijouli skaala femtosekundiliste impulsside tugeva tippvõimsuse vähendamiseks on vaja impulsi laienemist. Pärast laienemist suunatakse ligi 300 ps impulsid teise astme regeneratiivse laserõõnde. Viimane samm on teise resti kasutamine negatiivse säuku tutvustamiseks ja võimendatud impulsi rekonstrueerimiseks. Kogu protsess on näidatud joonisel 4.
Joonis 4: siristatud impulsi võimendus
Tänapäeval kasutab enamik regeneratiivseid võimendeid titaani safiiri, kuid muud võimenduskeskkonnad (nt ytterbium) muutuvad üha populaarsemaks. Mõlema võimenduse meediumi korral on võimenditega suhteliselt kitsas häälestatavus, kusjuures titaani safiir on häälestamisvahemik umbes 780–820 nm, mis piirab nende kasulikkust spektroskoopia rakendustes. Selle piirangu ületamiseks on saadaval mitmed sageduse muundamise meetodid.
Harmoonilise sageduse muundamine on kõige lihtsam viis ultrafastide ostsillaatori või ultrafastiliste võimendussüsteemi lainepikkuse häälestamiseks. Põhimõtteliselt on intsidentsed footonid üles suunatud põhisageduse täisarvuga. Titaani safiiri (fundamentaalne häälestamise vahemik 700 ~ 1000 nm) on teise harmoonilise häälestamisvahemik 350 ~ 500 nm, kolmas harmooniline on 233 ~ 333 nm ja neljas harmooniline on 175 ~ 250 nm. Harmooniliste kristallide imendumise tõttu on praktikas piiratud neljanda harmoonilise häälestamine 200 nm -ga. Rakenduste jaoks, mis nõuavad lainepikkust väljaspool seda vahemikku, on vajalik rakenduste parameeter, mis nõuab lainepikkusi sellest vahemikust kaugemale, parameetrite muundamise valikud on vajalikud.
Ultrafast OPO ja OPA
Ehkki ultrafastide impulsi väljundit saab korrutada või isegi kolmekordistada, jätab titaani safiiri 700–1000 nm häälestamisvahemik lainepikkuse lõhe UV-VIS ja IR-spektripiirkondades. Katsete jaoks, mis vajavad ultrafastilisi impulsse koos lainepikkustega "nendes tühjades" piirkondades ", on vajalik parameetrite allakujundamine. See meetod teisendab ühe suure energiatarbega footoni kaheks madala energiatarbega footoniks: signaalfooton ja tühikäiklik footon (vt joonis 5).
Joonis 5: parameetrilise allapoole muundamise skeem.
Nende kahe footoni vahelist energiajaotust saab kasutaja konfigureerida. Titanium-safiiril põhinevas tüüpilises parameetrilises konfiguratsioonis saab juhtumi footonit lainepikkusel 800 nm pidevalt häälestada umbes 1200 nm-lt kuni 2600 nm. Selle piirangu ületamiseks kasutatakse nanofokaalse energia tasemel optilist parameetrilist ostsillaatorit (OPO) ja millifookaalse energia tasemel kasutatakse optilist parameetrilist võimendit (OPA).
OPO õõnsuses koosneb valgus lühikese impulsist, mis levib õõnsuse kaudu edasi -tagasi. Erinevalt ülalkirjeldatud värvainelaserkonfiguratsioonist on aktiveerimise keskkond mittelineaarne kristall ega salvesta võimendust. OPO kristall muundab footonid ainult pumba impulsi juuresolekul. Ultrafast OPO edukas toimimine nõuab, et pumba allika impulsid jõuaksid kristallile samal ajal kui OPO õõnsuse ümber ringleva jõude ja signaali footonid. Teisisõnu, fikseeritud lainepikkusega titaani safiirilaser ja ultrafast OPO peab olema täpselt sama õõnsuse pikkus.
Tüüpilise ultrafast-OPO paigutus on näidatud joonisel 6. Faasi sobitamine ja õõnsuse pikkus valib automaatselt soovitud lainepikkuse ja tagab, et selle lainepikkuse jaoks hoitakse 80 MHz, mis on sama, mis on sama, mis titaanist sapperipumba laser. Selles näites juhib OPO titaani safiiripumba laseri teine harmooniline. Saadud 400 nm tala loob signaali ja väljalülituse väljundid, mille kogulainepikkuse katvus on 490 kuni 750 nm (signaali väljund) ja 930 nm kuni 2,5 um (väljalülitus väljund), impulsi laiusega alla 200 fs. Kombineerituna titaan Sapphire Fundamental'i häälestusvahemikuga 690 kuni 1040 nm, hõlmab süsteem lainepikkuse vahemikku 485 nm kuni 2,5 um. vahemik. Tüüpilised rakendused hõlmavad Solitoni uuringuid, ajaliselt lahendatud vibratsioonispektroskoopiat ja ultrafastide pumba-probe katseid.
Joonis 6: sünkroonselt pumbatud optilise parameetrilise ostsillaatori (OPO) korral varieerub keskmine lainepikkust, reguleerides mittelineaarse kristalli faasi sobitamisnurka.
OPA kasutab sama mittelineaarset optilist protsessi, kuid kuna pumba impulsi on suurem tippvõimsus, ei ole optilist resonaatorit vajalikuks lainepikkuse muundamiseks. Väike osa ultrafastist võimendist pärit talast on keskendunud safiiriplaadile, et saada valge valguse pidevspektrit. Valge valguse pidevspekter külvatakse OPA kristalli (tavaliselt baariumboraadi kristall) ja pumbatakse ülejäänud ultrafasti võimendi talaga. Tala üks läbimine OPA kaudu annab suurusjärgu võimendatud signaali ja hulkuva valguse. Väljundvalguse keskmist lainepikkust kontrollivad jälle kristalli faasikäimistingimused ja spektri ribalaius määratakse tavaliselt pumba ja seemnetalade ribalaiusega või kristalli vastuvõetud ribalaius.
See OPA võib toimida femtosekundi või pikosekundi vahemikus, mille energiad on kuni paar millijäet impulsi kohta. Nendel energiatasemetel saab saadud signaali ja tühikäigu valguse teisendada nende harmooniliseks või summa ja/või erinevuse sageduse segamise teel.
Millijouli impulssienergiaga pumbatud OPA -d on võimelised genereerima footoneid 190 nm sügavast ultraviolettkiirgusest kaugele infrapunaspektri piirkonda. Need seadmed hõlbustavad paljusid spektroskoopilisi rakendusi, nagu mööduv neeldumisspektroskoopia, fluorestsentsi ülesmineverium, 2D infrapunaspektroskoopia ja kõrge harmooniline genereerimine.
Järeldus
Häälestatavaid lasereid kasutatakse nüüd paljudes olulistes rakendustes, alates põhiteaduse uurimistööst kuni lasertootmise ning elu- ja terviseteadusteni. Praegu saadaval olevate tehnoloogiate valik on tohutu. Alustades lihtsate CW häälestatavate süsteemidega, saab nende kitsaid liinid kasutada kõrge eraldusvõimega spektroskoopia, molekulaarse ja aatomipüügi ning kvantoptika katsete jaoks, pakkudes tänapäevastele teadlastele kriitilist teavet.
Keerukamad ultrafastiliste võimendite süsteemid kasutavad UV-red-ribades laserväljundi tootmiseks suure energiatarbega, pikosekundi ja femtosekundi laserimpulsse. Need ülikerge laserid on üliolulised kõrge energiaga füüsika, suure harmoonilise ja mööduva spektroskoopia mõistmiseks. Lai häälestusvahemik tähendab, et sama lasersüsteemi saab kasutada ka elektroonilise ja vibratsioonispektroskoopia lõpmatu katsete uurimiseks. Tänapäeva lasertootjad pakuvad ühe stop-poodi tüüpi lahendusi, pakkudes laserväljundeid, mis ulatuvad rohkem kui 300 nm nanofokaalse energiavahemikus. Keerukamad süsteemid hõlmavad muljetavaldavalt laia spektri ulatust 200 kuni 20, 000 nm mikrofookuses ja Millococus Energy vahemikes.
