Många lasrar tillåter operatören att ställa in eller ändra utgångsvåglängden i UV till IR -våglängdsområdet efter behov. Efter vår tidigare diskussion om hur inställbara lasrar implementeras kommer den här artikeln att diskutera i detalj de typer och tillämpningar av inställbara lasrar.
Applikationer som använder inställbara lasrar ingår i allmänhet i två breda kategorier: de där en enkel- eller multilinjelinjelängd laser inte kan tillhandahålla den önskade diskreta våglängden eller våglängderna, och de i vilka laservåglängden måste kontinuerligt ställas in under experiment eller test, såsom i spektroskopi och pumpar-experimenter.
Många typer av inställbara lasrar kan producera inställbara kontinuerliga vågor (CW), nanosekund, picosecond eller femtosekund pulsutgångar. Deras utgångsegenskaper bestäms av laserförstärkningsmediet som används.
Ett grundläggande krav för inställbara lasrar är att de kan avge laserljus över ett brett spektrum av våglängder. Specialoptik kan användas för att välja en specifik våglängd eller band med våglängder från utsläppsbandet för den inställbara lasern.
Det finns en mängd förstärkningsmaterial som kan producera inställbara lasrar, varav de vanligaste är organiska färgämnen och titan Sapphire Crystals (TI: SAPPHIRE). När det gäller dessa två förstärkningsmaterial används argonjon (AR+) lasrar eller frekvens-fördubblade neodymjon (ND 3+) lasrar som pumpkälla på grund av deras effektiva absorption av pumpljuset vid cirka 490 nm.
Färgmolekyler kan användas för att producera våglängder i ultraviolet till synliga (UV-Vis) -området. Att växla mellan många olika färgämnesmolekyler krävs emellertid för att uppnå ett brett inställningsområde, vilket gör processen ganska besvärlig och komplex. Däremot kan fast tillståndslasrar uppnå ett brett inställningsområde med endast ett laserförstärkningsmaterial (t.ex. dielektriska kristaller), vilket eliminerar behovet av ofta färgförändringar.
För närvarande har Titanium Sapphire framkommit som det primära inställbara laserförstärkningsmaterialet, med ett brett emissionspektrum på 680 till 1100 nm som kan kontinuerligt inställas och en utgång som kan konverteras till UV-Vis-spektralområdet eller nedkonverterade till IR-spektralregionen. Dessa egenskaper möjliggör ett brett utbud av tillämpningar inom kemi och biologi.
Tunable CW Standing Wave Lasers
Konceptuellt är CW Standing Wave Laser den enklaste laserarkitekturen. Den består av en mycket reflekterande spegel, förstärkningsmedium och en utgångskopplingspegel (se figur 1), som ger CW -utgång med olika laserförstärkningsmedier. För att uppnå inställning måste förstärkningsmediet väljas för att täcka målvåglängdsområdet.
Bild 1: Schematisk över en titan Sapphire-baserad CW Standing Wave Laser. Ett dubbelbrytande avstämningsfilter visas.
Många fluorescerande färgämnen kan användas för att ställa in laservåglängden till önskat område. Den största fördelen med färgämne är förmågan att täcka ett brett spektrum av våglängder i UV-Vis-bandet, men nackdelen är att användningen av ett enda färgämne/lösningsmedel endast ger en smal våglängdsförmåga. Däremot har solid-state-titan-safirlasrar fördelen att tillhandahålla ett brett våglängdsinställningsområde med ett enda förstärkningsmedium, men har nackdelen att bara kunna arbeta i det nästan infraröda (NIR) -bandet från 690 till 1100 nm.
För båda förstärkningsmedierna uppnås våglängdsinställning genom passiva våglängdsstabiliseringselement. Den första är det multiplattor som är trådbrytande filter eller Lyot-filter. Detta filter modulerar förstärkningen genom att tillhandahålla hög överföring vid en specifik våglängd och tvinga lasern att arbeta vid den våglängden.
Stämningen uppnås genom att rotera detta dubbelbrytande filter. Även om det är enkelt, möjliggör CW Standing Wave Laser flera longitudinella laserlägen. Detta producerar en linjebredd på cirka 40 GHz i full breddhöjd (<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.
Inställbara CW -ringlasrar
Sedan början av 1980 -talet har ringlasrar använts för att uppnå inställbar CW -utgång via ett enda longitudinalt läge med en spektral bandbredd i Kilohertz -serien. I likhet med stående våglasrar kan inställbara ringlasrar använda färgämnen och titansafir som förstärkningsmedia. Färgämnen kan tillhandahålla mycket smala linjebredder av<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.
Enligt Heisenbergs osäkerhetsprincip, när definitionen av energi blir mer exakt, blir pulsbredden som kan bestämmas mindre exakt. För stående våg CW -lasrar definierar kavitetslängden mängden energi som tillåts som ett diskret longitudinellt läge. När kavitetslängden är kortare ökar antalet longitudinella lägen, vilket resulterar i en bredare, mindre definierad utgångsledning.
I ringkonfigurationen kan laserhåligheten betraktas som ett oändligt långt hålrum och energin kan definieras exakt. Endast ett enda longitudinalt läge finns i kaviteten. För att uppnå driftsförhållanden med en enda läge krävs särskilt flera optiska element (se fig. 2).
Bild 2: Optisk layout av en ringformad titan Sapphire-laser med en extern referenshål.
Först sätts en Faraday -isolator in i kaviteten för att säkerställa att intrakavitetsfotonerna alltid följer samma väg. En standardiserad fixtur i intrakavitet används för att ytterligare minska utgångsledningsbredden. Till skillnad från stående våglaserkaviteter finns det inga ändspeglar i ringkonfigurationen. Fotonerna cirkulerar kontinuerligt inom laserhålan. För det andra måste kavitetslängden stabiliseras för att korrigera för eventuella mekaniska förändringar orsakade av miljöfluktuationer såsom värme eller vibration.
För att uppnå ultralingspektrala bandbredd kan kaviteten stabiliseras med hjälp av en av två metoder: en metod använder mekanisk piezoelektriska drivna speglar för att stabilisera kavitetslängden med en responstid i Kilohertz-serien, och den andra metoden använder elektrooptiska (EO) modulatorer för att uppnå responstiderna i meGahertz-serien. Flera specialiserade laboratorieuppsättningar har visat att den spektrala bandbredden kan mätas i Hertz. Nyckelfaktorn för att bestämma spektralupplösningen för ringkaviteten är den yttre frekvensreferenshålan. Såsom visas i figur 2 används en referenshålrum för att generera den signal som behövs för att stabilisera laserkavitetslängden. Denna yttre referenshålrum måste isoleras från miljöfluktuationer orsakade av temperatur, mekaniska vibrationer och akustiskt brus. Referenshålan bör vara väl separerad från själva ringlaserhålan för att undvika oavsiktlig koppling mellan de två. Referenssignalen bearbetas med hjälp av pund-Drever-hall-metoden.
Mode-låst kvasi-kontinuumlasrar
För många applikationer är de exakt definierade temporära egenskaperna hos laserutgången viktigare än den exakt definierade energin. Faktum är att uppnå korta optiska pulser kräver en kavitetskonfiguration där många longitudinella lägen resonerar samtidigt. När dessa cirkulerande longitudinella lägen har en fast fasförhållande inom laserhålan är lasern lägeslåst. Detta kommer att inse en enda puls som svänger i kaviteten med en period definierad av laserkavitetslängden.
Aktivt lägeslåsning kan uppnås med hjälp av en Acousto-optisk modulator (AOM) eller passivt lägeslåsning genom en Kerr-lins. Den förstnämnda, som blev mer populär på 1980 -talet, använder Intracavity AOM som en övergående slutare som öppnas och stängs vid halva frekvensen för kavitetslängden. Pulser med hundratals picosekunder kan uppnås med hjälp av denna metod. Under de senaste decennierna har vetenskapliga tillämpningar krävt förbättrad temporär upplösning och därför kortare pulser.
Synkront pumpade färgämnen ger en genomförbar metod för att ställa in mittvåglängden och förkorta den optiska pulsen genom en storleksordning (till tiotals picosekunder). För att uppnå detta måste färgningslaserhålan ha samma kavitetslängd som den lägeslåsta pumplaseren. Pump- och färgningslaserpulserna möts vid förstärkningsmediet för att producera upphetsad strålning från färgmolekylerna. Laserutgången stabiliseras genom att justera färglasterkavitetslängden. Synkroniserade pumpkonfigurationer kan också användas för att driva optiska parametriska oscillatorer (OPO) (diskuteras nedan).
Titan Sapphire-läge-låst laser är ett exempel på passiv Kerr Lens-lägeslåsning (se figur 3). I detta tillvägagångssätt genereras pulser genom förstärkningsmodulering och brytningsindexet för titans safir beror på intensiteten.
I princip, när pulsen sprider sig genom förstärkningsmediet, är toppintensiteten högre i närvaro av pulsen. Detta skapar en passiv lins som fokuserar pulsstrålen tätare och extraherar förstärkningen mer effektivt tills det inte finns någon förstärkning för att stödja samtidig resonans av CW -lägena i kaviteten. Mekaniska störningar i kaviteten används för att inducera intensitetspikar för att initiera lägeslåsning. Detta tillvägagångssätt gjorde det möjligt för titan Sapphire att producera pulser så korta som 4 fs.
Bild 3: I en lägeslåst titan Sapphire-laser är mittvåglängden inställd genom att flytta den inställningsslits som ligger mellan de två spridande prismorna.
Det är värt att notera att bandbredder på mer än 300 nm kan kombineras till en enda puls. Enligt Heisenbergs osäkerhetsprincip kräver kortare pulser mer longitudinella lägen. Därför måste laserkaviteten ha tillräcklig spridningskompensation från kavitetsoptiken för att upprätthålla det fasförhållande som krävs för stabilt lägeslåsning. Såsom visas i figur 3 tillsätts kompensation av prismor till kaviteten för att säkerställa en konstant fasförhållande. Med hjälp av denna metod kan pulser så korta som 20 FS erhållas. För att producera kortare pulser måste högre ordning spridning också kompenseras. Denna kompensation uppnås med hjälp av en optisk kvitlinser för att upprätthålla det fasförhållande som krävs för stabilt lägeslåsning.
Eftersom kvittra linslägel-låsning är mest effektivt med kortare pulser (högre intensitet) är denna metod främst lämpad för att generera femtosekundpulser. I intervallet 100 fs ~ 100 ps kan en hybridmetod som kallas regenerativ lägeslåsning användas. Denna metod använder intrakavitet AOM och KERR -effekten. AOM-drivfrekvensen härstammar från realtidsmätningar av frekvensen av kavitetsrepetitionen, och dess amplitud är beroende av pulsvaraktighet. När den önskade pulsbredden ökar och Kerr -effekten minskar ökar den stabiliserade AOM -amplituden för att stödja låsning. Som ett resultat kan regenerativ lägeslåsning ge stabil, inställbar utgång över ett brett intervall från 20 fs till 300 PS med ett enda lasersystem.
I slutet av 1990-talet möjliggjorde regenererande lägeslåsning den första inställbara, allt-i-ett-datorkontrollerade titan Sapphire Laser. Denna innovation gjorde tekniken mer tillgänglig för ett bredare utbud av forskare och applikationer. Framstegen inom multiphotonavbildning har till stor del drivits av tekniska framsteg. Femtosekund laserpulser är nu tillgängliga för biologer, neurovetenskapsmän och läkare. Ett antal tekniska framsteg har gjorts under åren som har lett till allmän användning av titan Sapphire -lasrar i bioimaging.
Ultrasnabb ytterbiumlasrar
Trots den breda användbarheten av titan Sapphire -lasrar kräver vissa bioimagande experiment längre våglängder. Typiska tvåfotonabsorptionsprocesser är upphetsade med fotoner vid en våglängd av 900 nm. Eftersom längre våglängder innebär mindre spridning, kan längre excitationsvåglängder mer effektivt driva biologiska experiment som kräver djupare avbildningsdjup.
Det är också viktigt att ta hänsyn till våglängden för de efterföljande fluorescerande fotonerna i färgämnet fästa vid det biologiska provet. Våglängden för sådana fluorescerande fotoner är vanligtvis i 450 till 550 nm -bandet, vilket är mer mottagligt för spridning. Därför har flera fluorescerande markörer utvecklats som successivt absorberar infraröda våglängder. För att uppfylla detta krav har branschen utvecklat en allt-i-ett, datorkontrollerad, synkront pumpad OPO som drivs av en 1045 nm ytterbiumlaser med utgångsvåglängder i intervallet 680 till 1300 nm. För multiphotonavbildning erbjuder denna arkitektur ett betydligt högre prestandaalternativ till titan Sapphire -lasrar.
Ultrasnabbförstärkare
Ovanstående exempel producerar ultrasnabba pulser i nano-joule (NJ) energiområdet. Många applikationer kräver emellertid högre energikällor. Eftersom våglängdskonvertering är en olinjär process beror effektiviteten på den tillgängliga energin. För dessa applikationer kan flera tekniker användas för att öka energin och inställbarheten för ultrasnabblasrar.
Amplifiering av ultrafasta pulser kan delas upp i två huvudkategorier: multistage -amplifiering och regenerativ amplifiering. Den förstnämnda har fördelen att mycket höga energier (100 MJ) kan uppnås med mycket låg ingång, men upprepade pass genom förstärkningssteget bryter ut utgångsstrålkvaliteten. Därför är regenerativ amplifiering den föredragna metoden för att generera pulsenergier på mikrojoule (µJ) eller millijoule (MJ) skala.
I allmänhet uppnås ultrasnabb pulsförstärkning genom kvitpul-amplifieringsmetoder (se fig. 4). Processen börjar med en lägeslåst oscillator med femtosekund pulsvaraktighet, dvs. en utsädeslaser. Det är avgörande för fröslasern att ha tillräcklig bandbredd så att pulsvaraktigheten kan sträckas eller kvitra i tid. Optisk kvitning inträffar som ett resultat av olika ljusfärger och reser genom det optiska materialet med olika hastigheter. I allmänhet reser rött ljus snabbare än blått ljus. Till exempel introducerar ett breddande gitter positivt kvittat rött ljus före blått ljus för att separera våglängdskomponenterna i tid och rum. Pulsbreddning är nödvändig för att minska den starka toppeffekten hos Millijoule-skala femtosekundpulser. Efter breddning riktas pulser på nästan 300 PS till det andra stegets regenererande laserhålrum. Det sista steget är att använda ett andra gitter för att introducera en negativ kvit och rekonstruera den förstärkta pulsen. Hela processen visas i fig. 4.
Bild 4: kvittra pulsförstärkning
Idag använder de flesta regenerativa förstärkare Titanium Sapphire, men andra Gain Media (t.ex. ytterbium) blir mer och mer populära. Med båda förstärkningsmedierna har förstärkarna en relativt smal inställbarhet, med titans safir som har ett inställningsområde på cirka 780 till 820 nm, vilket begränsar deras användbarhet i spektroskopiapplikationer. För att övervinna denna begränsning finns flera frekvensomvandlingsmetoder tillgängliga.
Harmonisk frekvensomvandling, är det enklaste sättet att ställa in våglängden för en ultrafast oscillator eller ultrafast förstärkningssystem. I princip är infallsfotonerna uppkonverterade till en heltal multipel av den grundläggande frekvensen. För titans safir (grundläggande avstämningsområde 700 ~ 1000 nm) är avstämningsområdet för den andra harmoniken 350 ~ 500 nm, den tredje harmoniken är 233 ~ 333 nm, och den fjärde harmoniken är 175 ~ 250 nm. I praktiken, på grund av absorption av de harmoniska kristallerna, är inställningen av den fjärde harmoniken begränsad till 200 nm. För applikationer som kräver en våglängd utanför detta intervall krävs parametern för applikationer som kräver våglängder utöver detta intervall, parameteromvandlingsalternativ.
Ultrasnabb OPO och OPA
Även om den ultrafasta pulsutgången kan multipliceras eller till och med tredubblas, lämnar 700 till 1000 nm avstämningsområdet för titans safir en våglängdsgap i UV-Vis och IR-spektrala regioner. För experiment som kräver ultrafasta pulser med våglängder "I dessa" tomma "regioner" är nedkonvertering av parametrarna nödvändig. Denna metod omvandlar en enda högenergifoton till två lågenergifotoner: en signalfoton och en tomgångsfoton (se figur 5).
Bild 5: Schematisk över den parametriska nedkonverteringen.
Energifördelningen mellan dessa två fotoner kan konfigureras av användaren. I en typisk parametrisk konfiguration baserad på titans safir, kan den infallande fotonen vid en våglängd av 800 nm ställas in kontinuerligt från cirka 1200 nm till 2600 nm. För att övervinna denna begränsning används en optisk parametrisk oscillator (OPO) vid nanofokal energinivå och en optisk parametrisk förstärkare (OPA) vid millifokal energinivå.
I opohålan består ljuset av en kort puls som förökas fram och tillbaka genom kaviteten. Till skillnad från färgämnen som beskrivs ovan är aktiveringsmediet emellertid en olinjär kristall och lagrar inte förstärkning. OPO -kristallen konverterar fotoner endast i närvaro av en pumppuls. Framgångsrik drift av en ultrafast OPO kräver att pulserna från pumpkällan anländer till kristallen samtidigt som tomgångs- och signalfotonerna som cirkulerar runt opo -kaviteten. Med andra ord, en fast våglängd titan Sapphire Laser och en ultrafast OPO måste ha exakt samma kavitetslängd.
Layouten för en typisk ultrafast OPO visas i figur 6. Fasmatchning och kavitetslängd väljer automatiskt den önskade våglängden och säkerställer att den intrakavitetsrundturtiden för den våglängden hålls vid 80 MHz, vilket är densamma som för en titan Sapphire-pumplaser. I det här exemplet drivs OPO av den andra harmoniken av titan Sapphire Pump Laser. Den resulterande 400 nm strålen producerar signal- och loiter -utgångar med en total våglängdstäckning på 490 till 750 nm (signalutgång) och 930 nm till 2,5 um (loiter -utgång), med en pulsbredd på mindre än 200 fs. I kombination med Titanium Sapphire Fundamentets inställningsområde 690 till 1040 nm täcker systemet ett våglängdsområde 485 nm till 2,5 um. räckvidd. Typiska tillämpningar inkluderar SOLITON-studier, tidsupplöst vibrationsspektroskopi och ultrafast pump-sondexperiment.
Figur 6: I en synkront pumpad optisk parametrisk oscillator (OPO) varieras mittvåglängden genom att justera fasmatchande vinkel på den olinjära kristallen.
OPA använder samma olinjära optiska process, men eftersom pumppulsen har en högre toppeffekt krävs inte en optisk resonator för effektiv våglängdskonvertering. En liten del av strålen från den ultrasnabba förstärkaren är fokuserad på en safirplatta för att producera ett vitt ljuskontinuumspektrum. Det vita ljuskontinuitetsspektrumet ympas in i en OPA -kristall (vanligtvis en bariumboratkristall) och pumpas med resten av den ultrasnabba förstärkarstrålen. En enda passering av strålen genom OPA ger en ordning av storleksförstärkning av signal och stray -ljus. Mittvåglängden för utgångsljuset styrs återigen av de fasmatchande förhållandena för kristallen, och den spektrala bandbredden bestäms vanligtvis av bandbredden för pumpen och fröbalkar eller den mottagna bandbredden i kristallen.
Denna OPA kan fungera i femtosekund eller picosekundsområde med energier på upp till några millijoules per puls. Vid dessa energinivåer kan den resulterande signalen och tomgångsljuset omvandlas till deras harmonier eller genom summa och/eller skillnadsfrekvensblandning.
OPA: er pumpade med Millijoule -pulsenergier kan generera fotoner från 190 nm djup ultraviolett till den avlägsna infraröda spektralregionen. Dessa enheter underlättar många spektroskopiska applikationer såsom övergående absorptionsspektroskopi, fluorescensuppkonversion, 2D -infraröd spektroskopi och hög harmonisk generering.
Slutsats
Inställbara lasrar används nu i många viktiga tillämpningar som sträcker sig från grundläggande vetenskaplig forskning till lasertillverkning och livs- och hälsovetenskap. Utbudet av tekniker som för närvarande är tillgängliga är stort. Från och med enkla CW-inställbara system kan deras smala linjebredder användas för högupplösta spektroskopi, molekylär och atomfångning och kvantoptikexperiment, vilket ger kritisk information till moderna forskare.
Mer sofistikerade ultrafasta förstärkarsystem använder högenergi, picosecond och femtosekund laserpulser för att producera laserutgång i UV till långa röda band. Dessa ultrafasta lasrar är avgörande för att förstå högenergifysik, hög harmonik och övergående spektroskopi. Det breda inställningsområdet innebär att samma lasersystem kan användas för att studera ett oändligt utbud av experiment i elektronisk och vibrationsspektroskopi. Dagens lasertillverkare erbjuder enstopp-shop-lösning, vilket ger laserutgångar som sträcker sig över mer än 300 nm i nanofokala energiområdet. Mer sofistikerade system sträcker sig över ett imponerande brett spektralt intervall på 200 till 20, 000 nm i mikrofokus och millifocus energiserie.
