Mnogi laseri omogućuju operateru da podešava ili promijeni izlaznu talasnu dužinu u UV-u na IR asortiman dužine valne duljine prema potrebi. Nakon naše prethodne rasprave o tome kako se provode odvažnih lasera, ovaj članak će detaljno raspravljati o vrstama i primjenama prilagođenih lasera.
Aplikacije koje koriste pločasti laseri uglavnom spadaju u dvije široke kategorije: one u kojima se laser sa jednim ili višenamjenskim talasnim duljinom ne može pružiti željenu diskretnu valnu dužinu ili talasne duljine, a za vrijeme laserske talasne dužine, kao što su u spektroskopiji i eksperimentima sa spektroskopijom i pumpu.
Mnoge vrste prilagodljivog lasera mogu proizvesti prilagodljive kontinuirani val (CW), nanosekund, picosecond ili femtosecond pulsni izlazi. Njihove izlazne karakteristike određuju se laserskim dobitkom sredstava.
Osnovni zahtjev za prilagodbe lasere je taj što su sposobni emitirati laserski svjetlo u širokom rasponu talasnih dužina. Posebna optika može se koristiti za odabir određene talasne dužine ili opseg talasnih duljina iz emisijske trake prilagodljivog lasera.
Postoje različiti materijali za dobitak koji mogu proizvoditi prilagodbene lasere, od kojih su najčešći od organskih boja i titanijum safir kristala (TI: safir). U slučaju ova dva materijala za dobitak, laseri Argon Ion (AR +) ili frekventni neodimijum-u (ND {3+) laseri koriste se kao izvor pumpe zbog njihove efikasne apsorpcije svjetlosti pumpe na približno 490 Nm.
Molekuli boja mogu se koristiti za proizvodnju talasnih dužina u ultraljubičastom do vidljivom rasponu (UV-Vis). Međutim, prebacivanje između mnogih različitih molekula boja potreban je za postizanje širokog raspona podešavanja, čineći proces prilično nezgrapne i složene. Suprotno tome, laseri sa čvrstim stanjem mogu postići široki raspon podešavanja koristeći samo jedan materijal za laserski dobitak (npr. Dielektrični kristali), eliminirajući potrebu za čestim promjenama boje.
Trenutno se titanijum sapphire pojavio kao primarni materijal za laseru, s širokim spektrom emisija od 680 do 1100 Nm koji se može kontinuirano podesiti i izlaz koji se može pretvoriti u spektralni raspon UV-Vis u IR spektralnu regiju. Ova svojstva omogućuju širok spektar primjene u hemiji i biologiji.
Ponabilni CW stojeći laseri
Konceptualno, CW stojeći laser je najjednostavnija laserska arhitektura. Sastoji se od visoko reflektiranog ogledala, steći medija i izlazna spojnica ogledalo (vidi sliku 1), koji omogućava CW izlaz pomoću raznih laserskih medija. Da bi se postigla funkcija, potreba za dobitak treba odabrati za pokrivanje ciljanog raspona talasne dužine.
Slika 1: Shematski je CW laserski laserski val zatezani titanijum safir. Prikazan je filter za podešavanje birefringent.
Mnoge fluorescentne boje mogu se koristiti za podešavanje laserske talasne dužine na željeni raspon. Glavna prednost boja lasera je sposobnost prekrivanja širokog spektra valnih duljina u opsegu UV-Vis, ali nedostatak je da upotreba jedne boje / otapala pruža samo uskim mogućnosti podešavanja talasa. Suprotno tome, laseri sa čvrstim državnim titanijum ima prednost pružanja širokog raspona ugađanja talasnog duljina koristeći jednostruki dobitak, ali imaju nedostatak samo moguće raditi u skoro infracrvenom (nir) bendu od 690 do 1100 Nm.
Za oba dobitka medija, podešavanje talasnih dužina postiže se pasivnim elementima stabilizacije talasne dužine. Prvi je više ploča birefringent filter ili Lyot filter. Ovaj filter modulira dobitak pružanjem visokog prenosa na određenoj valnoj dužini, čime se forsira na tako da laser radi na toj talasnoj dužini.
Tuning se postiže rotiranjem ovog birefringent filtra. Iako je jednostavan, CW stojeći laser za stajanje omogućava više uzdužnih laserskih režima. Ovo proizvodi liniju širine od oko 40 GHz na pola visine pune širine (<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.
Postanak CW prsten laseri
Od početka 1980-ih, prstentori su korišteni za postizanje prilagodbe CW izlaza putem jednog uzdužnog načina sa spektralnim propusnim širinom u rasponu Kiloherz. Slično stajaćim talasnim laserima, pločastim prstenom mogu koristiti boje i titanijum safir kao dobijaju medije. Boje su sposobne da daju vrlo uske linijske širine<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.
Prema načelu Heisenbergovog nesigurnosti, jer definicija energije postaje preciznija, širina pulsa koja se može odrediti postaje manje precizna. Za stojeći CW laseri, dužina šupljine definira količinu energije dozvoljenog kao diskretnog uzdužnog načina. Kada je dužina šupljine kraća, broj dozvoljenih uzdužnih režima, što rezultira širem, manje definiranom izlaznom linijom.
U konfiguraciji prstena, laserska šupljina može se smatrati beskonačno duga šupljinom, a energija se može precizno definirati. U šupljini je prisutan samo jedan uzdužni način. Da bi se postigli pojedinačni načini rada, posebno je potrebno nekoliko optičkih elemenata (vidi Sl. 2).
Slika 2: Optički izgled titanijum safirnog lasera u obliku prstena sa vanjskim referentnim šupljinom.
Prvo, Faraday izolator ubacuje se u šupljinu kako bi se osiguralo da fotoni intracavity uvijek slijede isti put. Intracavity Standardizirani učvršćivač koristi se za dodatno smanjenje širine izlazne linije. Za razliku od stojećih laserskih šupljina, u konfiguraciji prstena nema krajnjih ogledala. Fotoni se kontinuiraju unutar laserske šupljine. Drugo, dužina šupljine mora se stabilizirati kako bi se ispravila za bilo kakve mehaničke promjene uzrokovane kolebanjima okoliša kao što su toplina ili vibracije.
Za postizanje ultra uskih spektralnih širina, šupljina se može stabilizirati pomoću jedne metode: jedna metoda koristi mehaničke ogledale za piezoelektrično za stabilizaciju duljine u šupljini, a druga metoda koristi elektro-optičke (EO) module za postizanje vremena u megahertz. Nekoliko specijaliziranih laboratorijskih postavki pokazalo je da se spektralna propusnost može mjeriti u Hertzu. Ključni faktor u određivanju spektralnog rješavanja prstenaste šupljine je referentna šupljina vanjske frekvencije. Kao što je prikazano na slici 2, referentna šupljina koristi se za generiranje signala potrebnog za stabilizaciju dužine laserske šupljine. Ova vanjska referentna šupljina mora biti izolirana iz kolebanja okoliša uzrokovana temperaturom, mehaničkim vibracijama i zvučnim bukom. Referentna šupljina trebala bi biti dobro odvojena od same laserske šupljine prstena kako bi se izbjegla nenamjerna spojnica između njih dvoje. Referentni signal obrađuje se pomoću metode funte-Drever-Hall.
Quasi-kontinuum laseri zaključani na modu
Za mnoge primjene, precizno definirane vremenske karakteristike laserskog izlaza važnije su od precizno definirane energije. Zapravo, postizanje kratkih optičkih impulsa zahtijeva konfiguraciju šupljine u kojoj se istovremeno rezilaze mnogi uzdužni modovi. Kada ovi cirkulirajući uzdužni modusi imaju fiksnu fazu odnos u laserskoj šupljini, laser je zaključan na režimu. To će realizirati jedan puls oscilirati unutar šupljine s periodom definiranim dugom laserskom šupljinom.
Aktivni zaključavanje načina može se postići korištenjem akusto-optičkog modulatora (AOM) ili pasivnog zaključavanja načina pomoću Kerr objektiva. Bivši, koji je postao popularniji 1980-ih, koristi intracavity AOM kao prolazni zatvarač koji se otvara i zatvara na pola frekvencije duljine šupljine. Pulsi stotina picosekundi mogu se postići pomoću ove metode. U posljednjih nekoliko desetljeća naučne prijave zahtijevaju poboljšanu vremensku rezoluciju i samim tim kraće impulse.
Sinhrono ispumpani laseri za bojenje pružaju održivu metodu za podešavanje središnje talasne dužine i skraćivanje optičkog pulsa po redoslijedu veličine (na desetine pikosekundi). Da biste to postigli, laserska šupljina boja mora imati istu dužinu šupljine kao što je laser sa pumpom sa zaključanom načinom. Pumpa i boja laserski impulsi se sastaju pri SIMBUMU koji će proizvesti uzbuđenu zračenje iz molekula boja. Laserski izlaz stabilizira se podešavanjem dužine boje boje lasera. Sinhronizirane konfiguracije pumpanja mogu se koristiti i za pokretanje optičkih parametričnih oscilatora (OPOS) (raspravljano u nastavku).
Laser koji zaključao na način zaključanog titanijum safir, primjer je pasivnog zaključavanja kerr objektiva (vidi sliku 3). U tom pristupu, impulsi se generiraju modulacijom za dobivanje, a indeks refrakcija titanijum safira ovisi o intenzitetu.
U principu, kako impuls propagira kroz medij za dobitak, vrhunski intenzitet je veći u prisustvu pulsa. To stvara pasivna sočiva koja fokulira pulsni snop težnije i efikasnije izvlači dobitak dok ne postoji dobitak za podršku istodobnom rezonancu CW modova u šupljini. Mehaničke uznemirenosti u šupljinu koriste se za induciranje šiljaka intenziteta za pokretanje zaključavanja načina rada. Ovaj pristup je omogućio titanijum safir da proizvodi impulse kratke kao 4 fs.
Slika 3: U titanijum safirnim laserom koji se zaključava na režimu, središnja talasna dužina podešava se pomičući podešavanje podešavanja koja se nalazi između dva disperzivna prizmi.
Vrijedi napomenuti da se širine pojasa više od 300 nm mogu kombinirati u jedan puls. Prema načelu Heisenbergovog nesigurnosti, kraći impulsi zahtijevaju više uzdužnih modova. Stoga laserska šupljina mora imati dovoljno kompenzacije disperzije iz optike šupljine za održavanje fazne veze potrebne za zaključavanje stabilnog načina. Kao što je prikazano na slici 3, kompenzacijski prizmi dodaju se u šupljinu kako bi se osigurala stalna faza odnosa. Korištenje ove metode mogu se dobiti impulsi kratkih do 20 FS. Da bi se proizvelo kraće impulse, raspršivanje veće narudžbe mora se nadoknaditi i. Ova naknada se postiže pomoću optičkog chirp objektiva za održavanje fazne veze potrebne za stabilno zaključavanje načina.
Budući da je zaključavanje na modu Chireped-objektiv najefikasniji sa kraćim impulsima (veći intenzitet), ova metoda je prvenstveno prilagođena za generiranje femtosecond pulsa. U rasponu od 100 FS ~ 100 PS, može se koristiti hibridna metoda koja se zove regenerativni način zaključavanja načina. Ova metoda koristi intracavity aom i kerr efekat. Frekvencija AOM pogona izvedena je iz mjerenja u stvarnom vremenu frekvencije ponavljanja šupljine, a njegova amplituda ovisi o trajanju pulsa. Kako se željena širina pulsa povećava i efekt Kerr smanjuje se, stabilizirana AM amplituda povećava zaključavanje načina podrške. Kao rezultat toga, regenerativni zaključavanje načina može pružiti stabilan, prilagodljiv izlaz u širokom rasponu od 20 FS do 300 KS koristeći jedan laserski sistem.
Krajem 1990-ih regenerativni zaključavanje načina omogućio je prvi prilagod, sve u jednom računarskom jeziku koji se kontrolira safirskom safirskom laseru. Ova inovacija učinila je tehnologiju dostupniju širem rasponu istraživača i aplikacija. Napredak u multipotonskom snimanju su u velikoj mjeri vođeni tehnološkim napretkom. Femtosecond laserski impulsi su sada dostupni biolozima, neuroznancima i ljekarima. Tijekom godina izvršeni su brojni tehnološki napredak koji su doveli do opće upotrebe titanijskih safirskih lasera u bioiming.
Ultrafast ytterbium laseri
Uprkos širokom korisnosti lasera od titanijum safira, neki bioigrani eksperimenti zahtijevaju duže talasne dužine. Tipični postupci apsorpcije s dva fotona uzbuđeni su fotonima na talasnoj dužini od 900 nm. Budući da duže talasne dužine znače manje rasipanja, duže pobudene talasne dužine mogu efikasnije voziti biološke eksperimente koji zahtijevaju dublje dubine slike.
Također je kritično razmotriti valnu dužinu narednog fluorescentnog fotona boje pričvršćenih na biološki uzorak. Talasna dužina takvih fluorescentnih fotona obično je u bendu 450 do 550 Nm, što je osjetljivije na raspršivanje. Stoga je razvijeno nekoliko fluorescentnih markera koje progresivno apsorbiraju infracrvene talasne dužine. Da bi se ispunili ovaj zahtjev, industrija je razvila sve u jednom, kompjutersko kontroliranu, sinhrono ispumpanu OPO pokrenuto 1045 nm ytterbium laserom sa izlaznim talasnim duljinama u rasponu od 680 do 1300 Nm. Za multipotonsko snimanje, ova arhitektura nudi znatno veće performanse alternative titanijum safir laserima.
Ultrafast pojačala
Gore navedeni primjeri proizvode ultrafast impulse u energetskom rasponu nano-joule (NJ). Međutim, mnoge aplikacije zahtijevaju veće izvore svjetlosti energije. Budući da je konverzija talasne dužine nelinearni proces, efikasnost ovisi o energetici. Za ove aplikacije može se koristiti nekoliko tehnika za povećanje energije i prilagodljivosti ultra tasta lasera.
Pojačanje ultra tastera impulsa može se podijeliti u dvije glavne kategorije: višestepeno pojačavanje i regenerativno pojačanje. Prva ima prednost da se vrlo visoka energija (100 MJ) može postići sa vrlo niskim unosom, ali ponovljeni prolazi kroz fazu pojačanja degradiraju izlaznu kvalitetu grede. Stoga je regenerativno pojačalo preferirana metoda za generiranje implementacije impulsa na mikroJule (μj) ili millijoule (MJ) skali.
Općenito, ultrafast pojačanje impulsa postiže se metodama pojačanja pulsa (vidi Sl. 4). Proces započinje sa oscilatorom zaključanim načinom sa femtosecond pulsom trajanja, tj. Semenom laserom. Kritično je da se sjeme laser ima dovoljnu propusnost tako da trajanje pulsa može biti istezanje ili cvjetanje na vrijeme. Optičko cvrkutanje nastaje kao rezultat različitih boja svjetlosti, putujući kroz optički materijal po različitim brzinama. Općenito, crveno svjetlo putuje brže od plave svjetlosti. Na primjer, širenje rešetka predstavlja pozitivno Chirped Crveno svjetlo prije plavog svjetla da odvoji komponente talasne dužine u vremenu i prostoru. Proširenje impulsa potrebno je smanjiti snažnu vršku snagu millistoule-skale femtosecond impulsa. Nakon širenja, impulsi gotovo 300 PS usmjereni su u drugu fazu regenerativne laserske šupljine. Završni korak je korištenje drugog rešetka za uvođenje negativnog cirpa i rekonstruirati pojačan puls. Čitav proces prikazan je na slici 4.
Slika 4: Chirped impulsno pojačalo
Danas većina regenerativnih pojačala koristi titanijum safir, ali ostali dobitak medija (npr. Ytterbium) postaju sve popularniji. S oba dobitka medija pojačala su relativno uske funkcije, a titanijum safir ima raspon podešavanja od oko 780 do 820 Nm, što ograničava njihovu korisnost u spektroskopijskim aplikacijama. Da biste prevladali ovo ograničenje, dostupno je nekoliko metoda pretvorbe frekvencije.
Harmonična pretvorba frekvencije, najjednostavniji je način podešavanja talasne dužine ultrasta oscilatora ili ultra. U principu, incidentni fotoni su usporeni na cijeli broj višestrukih fundamentalnih frekvencija. Za Titanium Sapphire (osnovni raspon ugađanja 700 ~ 1000 Nm), raspon ugađanja drugog harmonika je 350 ~ 500 Nm, treći harmonik je 233 ~ 333 Nm, a četvrti harmonski je 175 ~ 250 Nm. U praksi, zbog apsorpcije harmoničnih kristala, podešavanje četvrtog harmonija ograničeno je na 200 Nm. Za aplikacije koje zahtijevaju talasnu dužinu izvan ovog asortimana, parametar za aplikacije koje zahtijevaju valne dužine izvan ovog asortimana, potrebne su opcije pretvorbe parametara.
Ultrafast OPO i Opa
Iako se ultra tast pulsni izlaz može pomnožiti ili čak utrostručiti, ugađanje od 700 do 1000 Nm od titanijum safira ostavlja jaz s talasnim dužinama u uv-vis i IR spektralnim regijama. Za eksperimente koji zahtijevaju ultra taju pulse sa talasnim dužinama "u tim" praznim "regijama", neophodno je pretvorba parametara. Ova metoda pretvara jedan visokoenergetski foton u dva niskoenergetskog fotona: signalni foton i pukonski foton (vidi sliku 5).
Slika 5: Shema parametrijskog pretvorbe.
Distribucija energije između ova dva fotona može konfigurirati korisnik. U tipičnoj parametričnoj konfiguraciji, na osnovu titanijum safira, na talasnoj dužini od 800 Nm može se podesiti sa oko 1200 Nm do 2600 Nm.Since, pretvorbu down-parametra je nelinearni proces, efikasnost pretvorbe može postati problem. Za prevazilaženje ovog ograničenja, na nivou nanofokalne energije koristi se optički parametrični oscilator (OPO) i optički parametrični pojačalo (OPA) koristi se na razini milfokalne energije.
U šupljini OPO, svjetlost se sastoji od kratkog pulsa koji propazi napred i nazad kroz šupljinu. Međutim, za razliku od gore opisane konfiguracije boje boje, medij za aktiviranje je nelinearni kristal i ne čuva dobitak. OPO Crystal pretvara fotonove samo u prisustvu pumbinog pulsa. Uspješan rad ultrafasta OPO-a zahtijeva da impulsi iz izvora pumpe stižu u kristal u isto vrijeme kao i u praznom hodu i signalnim fotonima koji cirkuliraju oko OPO šupljine. Drugim riječima, laser sa fiksnim talasnim dužinama safir i ultrafast OPO moraju imati potpuno iste dužine šupljine.
Izgled tipičnog ultrafasta OPO-a prikazan je na slici 6. Faza podudaranje i duljina šupljine automatski odabire željenu valnu dužinu i osigurava da se intracavitsko vrijeme za tu talasnu dužinu zadržava na 80 MHz, što je isto kao i za laseru pumpe titanijum safir. U ovom primjeru, OPO pokreće drugi harmonik lasera pumpe Titanium Sapphire. Rezultirajući 400 nm snop proizvodi signalni i loiter izlaze s ukupnom pokrivenom valnom dužinom od 490 do 750 nm (signalni izlaz) i 930 Nm do 2,5 μm (loiter izlaz), sa širinom pulsa manjim od 200 FS. Kada se u kombinaciji sa tunginjom tumače od titanijum safira od 690 do 1040 Nm, sustav pokriva raspon talasne dužine od 485 Nm do 2,5 μm. Domet. Tipične primjene uključuju SOLITON STUDIJE, VREME RJEŠENJE VIBRACIONACIJSKE SPECTROSKOPIJE I ULTRAFSTU PUMP-SONDE Experimente.
Slika 6: U sinhrono ispumpanom optičkom parametričnom oscilatoru (OPO), središnja talasna dužina varira se prilagođavanjem ugla podudaranja u faznim fazama nelinearnog kristala.
OPA koristi isti nelinearni optički proces, ali zato što puls pumpa ima veću vršku snagu, optički rezonator nije potreban za efikasnu pretvorbu talasne dužine. Mali dio snopa iz pojačala Ultrastast fokusiran je na safirsku ploču za proizvodnju kontinuuma bijelog svjetla. Spektar od bijelog svjetla je zasijao u OPA kristal (obično barijumski blistalni kristal) i pumpa se sa ostatkom ultra. Jedan prolaz snopa kroz OPA proizvodi redoslijed veličine pojačanog signala i lakta. Centarna talasna dužina izlaznog svjetla ponovo se kontrolira uvjetima koji odgovaraju faznim uvjetima kristala, a spektralna širina pojasa obično se određuje širinom pumpe i sjemenki ili primljenim propusnim širinom kristala.
Ovaj OPA može raditi u asortimanu femtosekunda ili pikosekunda s energijama do nekoliko milijola po impulsu. Na tim energetskim nivoima, rezultirajući signal i svjetlo za praznik mogu se pretvoriti u njihovu harmoniku ili sumu i / ili razlike u frekvenciji razlika.
Opas ispumpani sa milijulnim impulsnim energijama sposobni su generirati fotone iz 190 Nm dubokog ultraljubičasta do krajnjeg infracrvenog spektralnog područja. Ovi uređaji olakšavaju mnoge spektroskopske primjene poput prolazne apsorpcijske spektroskopije, fluorescencija upConversion, 2D infracrvena spektroskopija i visoka harmonska generacija.
Zaključak
Tubible Laseri sada se koriste u mnogim važnim aplikacijama u rasponu od osnovnih naučnih istraživanja do laserske proizvodnje i životnih i zdravstvenih nauka. Raspon tehnologija trenutno je dostupan je ogroman. Počevši od jednostavnih sistema za podešavanje CW-a, njihove uske širine mogu se koristiti za spektroskopiju visoke rezolucije, molekularne i atomske zamke i eksperimente kvantnog optike, pružajući kritične informacije modernim istraživačima.
Sofisticiraniji sustavi pojačala ultraiziraju laserski impulse visoke energije, pikosekunda i femtosekundi za proizvodnju laserskih izlaza u UV-u na daleke crvene trake. Ovi ultrastast laseri su kritični za razumijevanje visokoenergetske fizike, visoke harmonike i prolazne spektroskopije. Raspon širokog podešavanja znači da se isti laserski sistem može koristiti za proučavanje beskonačnog raspona eksperimenata u elektroničkoj i vibracijskoj spektroskopiji. Današnji laserski proizvođači nude rješenja za tipa sa jednom zaustavljanjem, pružajući laserske izlaze koji se protežu više od 300 Nm u nanofocalnom energetskom rasponu. Sofisticiraniji sustavi obuhvaćaju impresivno širok spektralni raspon od 200 do 20, 000 NM u mikrofokusu i millofokusu energiju.
