Molts làsers permeten a l'operador sintonitzar o canviar la longitud d'ona de sortida al rang de longitud d'ona UV a IR com es requereix. A partir de la nostra discussió anterior sobre com s’implementa làsers ajustables, aquest article tractarà detalladament els tipus i les aplicacions de làsers sintonitzables.
Les aplicacions que utilitzen làsers ajustables generalment entren en dues àmplies categories: aquelles en les quals un làser de longitud d’ona fixa d’una sola línia o multi-línia no és capaç de proporcionar la longitud d’ona discreta o les longituds d’ona desitjades, i aquelles en les quals la longitud d’ona làser s’ha d’afinar contínuament durant experiments o proves, com en els experiments d’espectroscòpia i de propòsit de bomba.
Molts tipus de làsers ajustables són capaços de produir les onades contínues ajustables (CW), nanosegons, picosegons o sortides de pols femtosegonda. Les seves característiques de sortida estan determinades pel medi de guany làser utilitzat.
Un requisit bàsic per als làsers ajustables és que són capaços d’emetre llum làser sobre una àmplia gamma de longituds d’ona. L’òptica especial es pot utilitzar per seleccionar una longitud d’ona o una banda específica de longituds d’ona de la banda d’emissió del làser sintonitzable.
Hi ha una gran varietat de materials de guany capaços de produir làsers ajustables, els més comuns dels quals són colorants orgànics i cristalls de safir de titani (TI: safir). En el cas d’aquests dos materials de guany, els làsers d’ió argó (AR+) o ió de neodimi amb freqüència amb freqüència (ND 3+) s’utilitzen com a font de la bomba a causa de la seva eficient absorció de llum de la bomba a aproximadament 490 nm.
Les molècules de colorant es poden utilitzar per produir longituds d’ona en l’interval Ultraviolet to Visible (UV-Vis). No obstant això, es necessita canviar entre moltes molècules de colorants diferents per aconseguir un ampli rang d’afinació, cosa que fa que el procés sigui força feixuc i complex. En canvi, els làsers d’estat sòlid poden aconseguir un ampli rang d’afinació amb només un material de guany làser (per exemple, cristalls dielèctrics), eliminant la necessitat de canvis freqüents de colorant.
Actualment, el titani Sapphire ha aparegut com el material de guany làser sintonitzable primari, amb un ampli espectre d’emissió de 680 a 1100 nm que es pot ajustar contínuament i una sortida que es pot configurar al rang espectral UV-vis o a la baixada de la regió espectral IR. Aquestes propietats permeten una àmplia gamma d’aplicacions en química i biologia.
Sintonitzables làsers de Wave Standing Wave
Conceptualment, el làser d’ona de CW Standing és l’arquitectura làser més simple. Consisteix en un mirall molt reflectant, un medi de guany i un mirall d’acoblador de sortida (vegeu la figura 1), que proporciona la sortida de CW mitjançant una varietat de mitjans de guany làser. Per aconseguir la sintonització, cal seleccionar el medi de guany per cobrir el rang de longitud d’ona objectiu.
Figura 1: Esquema d’un làser d’ona de cw basat en safir basat en titani. Es mostra un filtre d’afinació birefringent.
Es poden utilitzar molts colorants fluorescents per ajustar la longitud d’ona del làser a l’interval desitjat. L’avantatge principal dels làsers de colorants és la capacitat de cobrir una àmplia gamma de longituds d’ona a la banda UV-Vis, però l’inconvenient és que l’ús d’un sol colorant/dissolvent proporciona només una capacitat d’afinació de longitud d’ona estreta. En canvi, els làsers de safir de titani d’estat sòlid tenen l’avantatge de proporcionar un rang d’afinació de longitud d’ona àmplia amb un sol medi de guany, però tenen l’inconvenient de poder només operar a la banda d’infraroig proper (NIR) de 690 a 1100 nm.
Per als dos suports de guany, la sintonia de longitud d’ona s’aconsegueix mitjançant elements d’estabilització de longitud d’ona passiva. El primer és el filtre de birefringent multi-placa o el filtre Lyot. Aquest filtre modula el guany proporcionant una transmissió elevada a una longitud d’ona específica, obligant així el làser a funcionar en aquesta longitud d’ona.
L’afinació s’aconsegueix girant aquest filtre birefringent. Tot i que és senzill, el làser d’ones de peu CW permet múltiples modes làser longitudinals. Això produeix una amplada de línia d’uns 40 GHz d’amplada completa de la meitat (<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.
Làser sintonitzats de l'anell CW
Des de principis de la dècada de 1980, els làsers d’anells s’han utilitzat per aconseguir una sortida de CW ajustable mitjançant un mode longitudinal únic amb una amplada de banda espectral a la gamma Kilohertz. De forma similar als làsers d’ona permanent, els làsers de l’anell ajustables poden utilitzar colorants i safir de titani com a suports. Els colorants són capaços de proporcionar amplades de línia molt estretes<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.
Segons el principi d’incertesa de Heisenberg, a mesura que la definició d’energia es fa més precisa, l’amplada del pols que es pot determinar es fa menys precisa. Per als làsers CW d’ona permanent, la longitud de la cavitat defineix la quantitat d’energia permesa com a mode longitudinal discret. Quan la longitud de la cavitat és més curta, el nombre de modes longitudinals es permeten augmentar, donant lloc a una amplada de línia de sortida més àmplia i menys definida.
En la configuració de l'anell, la cavitat làser es pot considerar una cavitat infinitament llarga i l'energia es pot definir amb precisió. Només hi ha un sol mode longitudinal a la cavitat. Per aconseguir condicions de funcionament d’un sol mode, es requereixen especialment diversos elements òptics (vegeu Fig. 2).
Figura 2: Disposició òptica d’un làser de safir de titani en forma d’anell amb una cavitat de referència externa.
En primer lloc, s’insereix un aïllant de Faraday a la cavitat per assegurar -se que els fotons intracavitats sempre segueixen el mateix camí. S'utilitza un dispositiu estandarditzat intracavitat per reduir encara més l'amplada de línia de sortida. A diferència de les cavitats làser d’ona permanent, no hi ha miralls finals en la configuració de l’anell. Els fotons circulen contínuament dins de la cavitat làser. En segon lloc, la longitud de la cavitat s’ha d’estabilitzar per corregir els canvis mecànics causats per fluctuacions ambientals com la calor o la vibració.
Per aconseguir amplades de banda espectrals ultra-narrow, la cavitat es pot estabilitzar mitjançant un dels dos mètodes: un mètode utilitza miralls mecànics impulsats per piezoelèctrics per estabilitzar la longitud de la cavitat amb un temps de resposta en el rang de Kilohertz, i l’altre mètode utilitza moduladors electro-òptics (EO) per aconseguir temps de resposta en el rang de megahertz. Diverses configuracions especialitzades de laboratori han demostrat que l'amplada de banda espectral es pot mesurar a Hertz. El factor clau per determinar la resolució espectral de la cavitat de l’anell és la cavitat de referència de freqüència externa. Com es mostra a la figura 2, s’utilitza una cavitat de referència per generar el senyal necessari per estabilitzar la longitud de la cavitat del làser. Aquesta cavitat de referència externa s’ha d’aïllar de les fluctuacions ambientals causades per la temperatura, les vibracions mecàniques i el soroll acústic. La cavitat de referència ha d’estar ben separada de la mateixa cavitat làser de l’anell per evitar un acoblament involuntari entre tots dos. El senyal de referència es processa mitjançant el mètode de lliura-trhe-wall-hall.
Làsers quasi-continuum bloquejats en mode
Per a moltes aplicacions, les característiques temporals definides amb precisió de la sortida làser són més importants que l’energia definida amb precisió. De fet, l’obtenció de polsos òptics curts requereix una configuració de la cavitat en la qual ressonen simultàniament molts modes longitudinals. Quan aquests modes longitudinals circulants tenen una relació de fase fixa dins de la cavitat làser, el làser està bloquejat en mode. Això realitzarà un únic pols oscil·lant dins de la cavitat amb un període definit per la longitud de la cavitat del làser.
La bloqueig de mode actiu es pot aconseguir mitjançant un modulador acousto-òptic (AOM) o un bloqueig de mode passiu mitjançant una lent KERR. El primer, que es va popularitzar a la dècada de 1980, utilitza l’AOM intracavitat com a obturador transitori que s’obre i es tanca a la meitat de la freqüència de la longitud de la cavitat. Es poden aconseguir polsos de centenars de picosegons mitjançant aquest mètode. En les darreres dècades, les aplicacions científiques han requerit una resolució temporal millorada i, per tant, polsos més curts.
Els làsers de colorant bombat sincrònic proporcionen un mètode viable per ajustar la longitud d’ona central i escurçar el pols òptic per un ordre de magnitud (a desenes de picosegons). Per aconseguir-ho, la cavitat làser de colorant ha de tenir la mateixa longitud de la cavitat que el làser de la bomba bloquejada en mode. Els polsos làser de la bomba i el colorant es reuneixen al medi de guany per produir radiacions excitades de les molècules de colorant. La sortida làser s’estabilitza ajustant la longitud de la cavitat làser del colorant. Les configuracions de bombament sincronitzades també es poden utilitzar per conduir oscil·ladors paramètrics òptics (OPOS) (que es discuteixen a continuació).
El làser bloquejat en mode de safir de titani és un exemple de bloqueig passiu de lents Kerr (vegeu la figura 3). En aquest enfocament, els polsos es generen per la modulació de guany i l’índex de refracció de safir de titani depèn de la intensitat.
En principi, a mesura que el pols es propaga a través del medi de guany, la intensitat màxima és més alta en presència del pols. Això crea una lent passiva que centra el feix de pols amb més força i extreu el guany de manera més eficient fins que no hi hagi cap guany per donar suport a la ressonància simultània dels modes CW a la cavitat. Les pertorbacions mecàniques de la cavitat s’utilitzen per induir picos d’intensitat per iniciar el bloqueig del mode. Aquest enfocament va permetre al safir de titani produir polsos fins a 4 fs.
Figura 3: En un làser de safir de titani bloquejat en mode, la longitud d’ona central s’ajusta movent l’escletxa d’afinació situada entre els dos prismes dispersius.
Val la pena assenyalar que les amplades de banda de més de 300 nm es poden combinar en un sol pols. Segons el principi d’incertesa de Heisenberg, els polsos més curts requereixen més modes longitudinals. Per tant, la cavitat làser ha de tenir una compensació suficient de dispersió de l’òptica de la cavitat per mantenir la relació de fase necessària per al bloqueig del mode estable. Com es mostra a la figura 3, s’afegeixen prismes compensadors a la cavitat per assegurar una relació de fase constant. Utilitzant aquest mètode, es poden obtenir polsos tan curts com 20 fs. Per tal de produir polsos més curts, també s’ha de compensar la dispersió d’ordres més elevada. Aquesta compensació s’aconsegueix mitjançant una lent òptica de chirp per mantenir la relació de fase necessària per a la bloqueig de mode estable.
Atès que la bloqueig de models de lents chirped és més eficaç amb polsos més curts (intensitat superior), aquest mètode s'adapta principalment a la generació de polsos femtosegons. En el rang de 100 fs ~ 100 ps, es pot utilitzar un mètode híbrid anomenat bloqueig de mode regeneratiu. Aquest mètode utilitza AOM intracavitat i l'efecte Kerr. La freqüència de la unitat AOM deriva de les mesures en temps real de la freqüència de repetició de la cavitat i la seva amplitud depèn de la durada del pols. A mesura que augmenta l’amplada del pols desitjada i l’efecte Kerr disminueix, l’amplitud AOM estabilitzada augmenta al bloqueig del mode de suport. Com a resultat, la bloqueig de mode regeneratiu pot proporcionar una sortida ajustada i ajustable en un ampli rang de 20 fs a 300 ps mitjançant un sistema làser únic.
A finals dels anys 90, el bloqueig de mode regeneratiu va permetre el primer làser de safir de titani controlat per ordinador controlat per ordinador. Aquesta innovació va fer que la tecnologia fos més accessible a una àmplia gamma d’investigadors i aplicacions. Els avenços en la imatge multiphoton han estat impulsats en gran part per avenços tecnològics. Els polsos làser femtosegons ja estan disponibles per a biòlegs, neurocientífics i metges. Al llarg dels anys s’han fet diversos avenços tecnològics que han provocat l’ús general de làsers de safir de titani en bioimatge.
Làsers Ultrafast Ytterbium
Malgrat l’àmplia utilitat dels làsers de safir de titani, alguns experiments de bioimatge requereixen longituds d’ona més llargues. Els fotons entusiastes els processos típics d’absorció de dos fotons a una longitud d’ona de 900 nm. Com que les longituds d'ona més llargues signifiquen menys dispersió, les longituds d'ona d'excitació més llargues poden impulsar amb més eficàcia experiments biològics que requereixen profunditats més profundes d'imatges.
També és fonamental considerar la longitud d’ona dels fotons fluorescents posteriors del colorant unit a la mostra biològica. La longitud d’ona d’aquests fotons fluorescents es troba normalment a la banda de 450 a 550 nm, que és més susceptible a la dispersió. Per tant, s’han desenvolupat diversos marcadors fluorescents que absorbeixen progressivament les longituds d’ona infrarojos. Per complir aquest requisit, la indústria ha desenvolupat un làser de ytterbium tot controlat per ordinador, controlat per ordinador, bombat sincrònicament per un làser de ytterbium de 1045 nm amb longituds d'ona de sortida entre 680 i 1300 nm. Per a la imatge multiphoton, aquesta arquitectura ofereix una alternativa de rendiment significativament més elevada als làsers de safir de titani.
Amplificadors ultrafastos
Els exemples anteriors produeixen polsos ultrafastos en el rang d'energia de Nano-Joule (NJ). Tot i això, moltes aplicacions requereixen fonts de llum ajustables energètiques. Com que la conversió de longitud d’ona és un procés no lineal, l’eficiència depèn de l’energia disponible. Per a aquestes aplicacions, es poden utilitzar diverses tècniques per augmentar l’energia i la sintonització dels làsers ultrafastos.
L’amplificació de polsos ultrafast es pot dividir en dues categories principals: amplificació multistament i amplificació regenerativa. El primer té l’avantatge que es poden aconseguir energies molt altes (100 mJ) amb una entrada molt baixa, però els passos repetits a través de l’etapa d’amplificació degraden la qualitat del feix de sortida. Per tant, l'amplificació regenerativa és el mètode preferit per generar energies de pols a l'escala de microjoule (µJ) o Millijoule (MJ).
En general, l'amplificació de pols ultrafast s'aconsegueix mitjançant mètodes d'amplificació de pols chirped (vegeu Fig. 4). El procés comença amb un oscil·lador bloquejat en mode amb durada del pols femtosegon, és a dir, un làser de llavors. És fonamental que el làser de llavors tingui una amplada de banda suficient de manera que la durada del pols es pugui estirar o trontollar a temps. El chirping òptic es produeix com a resultat de diferents colors de la llum, viatjant pel material òptic a diferents velocitats. En general, la llum vermella viatja més ràpidament que la llum blava. Per exemple, un reixat d’ampliació introdueix la llum vermella posat positivament abans de la llum blava per separar els components de longitud d’ona en el temps i l’espai. L’ampliació de pols és necessària per reduir la forta potència màxima dels polsos femtosegons a escala de Millijoule. Després de l'ampliació, els polsos de prop de 300 ps es dirigeixen a la cavitat làser regenerativa de la segona etapa. L’últim pas és utilitzar una segona reixa per introduir un chirp negatiu i reconstruir el pols amplificat. Tot el procés es mostra a la Fig. 4.
Figura 4: Amplificació de pols chirped
Avui en dia, la majoria dels amplificadors regeneratius utilitzen safir de titani, però altres mitjans de guany (per exemple, ytterbium) són cada cop més populars. Amb els dos suports de guany, els amplificadors tenen una sintonització relativament estreta, amb el safir de titani amb un rang d’afinació d’uns 780 a 820 nm, cosa que limita la seva utilitat en aplicacions d’espectroscòpia. Per superar aquesta limitació, hi ha diversos mètodes de conversió de freqüència.
La conversió de freqüència harmònica, és la forma més senzilla de sintonitzar la longitud d’ona d’un sistema oscil·lador ultrafast o d’amplificador ultrafast. En principi, els fotons incidents es poden invertir a un múltiple enter de la freqüència fonamental. Per a safir de titani (rang fonamental d’afinació 700 ~ 1000 nm), l’interval d’afinació del segon harmònic és de 350 ~ 500 nm, el tercer harmònic és de 233 ~ 333 nm, i el quart harmònic és de 175 ~ 250 nm. A la pràctica, a causa de l’absorció dels cristalls harmònics, l’afinació del quart harmònic està limitada a 200 nm. Per a aplicacions que requereixen una longitud d’ona fora d’aquest rang, el paràmetre per a les aplicacions que requereixen longituds d’ona més enllà d’aquest rang, calen opcions de conversió de paràmetres.
Opo i OPA ultrafast
Tot i que la sortida de pols ultrafast es pot multiplicar o fins i tot triplicar, el rang d’afinació de 700 a 1000 nm del safir de titani deixa un buit de longitud d’ona a les regions espectrals UV-Vis i IR. Per a experiments que requereixen polsos ultrafastos amb longituds d'ona "En aquestes regions" en blanc ", és necessària la conversió descendent dels paràmetres. Aquest mètode converteix un sol fotó d’alta energia en dos fotons de baixa energia: un fotó de senyal i un fotó ralentí (vegeu la figura 5).
Figura 5: Esquema de la conversió paramètrica.
L'usuari pot configurar la distribució d'energia entre aquests dos fotons. En una configuració paramètrica típica basada en safir de titani, el fotó incident a una longitud d’ona de 800 nm, es pot ajustar contínuament entre uns 1200 nm a 2600 nm. Per superar aquesta limitació, s’utilitza un oscil·lador paramètric òptic (OPO) a nivell d’energia nanofocal i s’utilitza un amplificador paramètric òptic (OPA) a nivell d’energia mil·lifocal.
A la cavitat OPO, la llum consisteix en un pols curt que es propaga cap endavant i cap a través de la cavitat. Tot i això, a diferència de la configuració del làser de colorant descrita anteriorment, el medi d’activació és un cristall no lineal i no emmagatzema el guany. L’OPO cristall converteix fotons només en presència d’un pols de la bomba. El funcionament amb èxit d’una OPO ultrafast requereix que els polsos de la font de la bomba arribin al cristall al mateix temps que els fotons del ralentí i del senyal que circulen per la cavitat de l’OPO. Dit d'una altra manera, un làser de safir de titani de longitud d'ona fixa i un OPO ultrafast ha de tenir exactament la mateixa longitud de la cavitat.
La disposició d’un OPO ultrafast típic es mostra a la figura 6. La concordança de fase i la longitud de la cavitat selecciona automàticament la longitud d’ona desitjada i garanteix que el temps d’anada i tornada d’intracavitat per a la longitud d’ona es manté a 80 MHz, que és la mateixa que per a un làser de bomba de safir de titani. En aquest exemple, l'OPO és impulsat pel segon harmònic del làser de la bomba de safir de titani. El feix de 400 nm resultant produeix sortides de senyal i loiter amb una cobertura total de longitud d’ona de 490 a 750 nm (sortida de senyal) i 930 nm a 2,5 µm (sortida de loiter), amb una amplada de pols inferior a 200 fs. Si es combina amb el rang d’ajustament de Titani Sapphire Fundamental de 690 a 1040 nm, el sistema cobreix un rang de longitud d’ona de 485 nm a 2,5 µm. gamma. Les aplicacions típiques inclouen estudis de solitó, espectroscòpia vibracional resolta en el temps i experiments amb una bomba ultrafast.
Figura 6: En un oscil·lador paramètric òptic bombat sincrònicament (OPO), la longitud d’ona central es varia ajustant l’angle de concordança de fase del cristall no lineal.
L’OPA utilitza el mateix procés òptic no lineal, però com que el pols de la bomba té una potència màxima més alta, no es requereix un ressonador òptic per a una conversió eficient de longitud d’ona. Una petita porció del feix de l'amplificador ultrafast està enfocada a una placa de safir per produir un espectre de continu de llum blanca. L’espectre de contínuament de llum blanca es planta en un cristall OPA (normalment un cristall de borat de bari) i es bomba amb la resta del feix amplificador ultrafast. Una sola passada del feix a través de l’OPA produeix un ordre amplificat de magnitud i llum perduda. La longitud d’ona central de la llum de sortida es torna a controlar de nou per les condicions de concordança de fase del cristall, i l’amplada de banda espectral es determina normalment per l’ample de banda de la bomba i les bigues de llavors o l’amplada de banda rebuda del cristall.
Aquest OPA pot funcionar a la gamma femtosegona o picosegonda amb energies de fins a uns quants mil·lijoules per pols. En aquests nivells d’energia, el senyal resultant i la llum ralentí es poden convertir en els seus harmònics o mitjançant la barreja de freqüència de suma i/o diferència.
Els OPAs bombats amb energies de pols de Millijoule són capaços de generar fotons des de la ultraviolada de 190 nm fins a la regió espectral infraroja. Aquests dispositius faciliten moltes aplicacions espectroscòpiques com l’espectroscòpia d’absorció transitòria, la conversió de fluorescència, l’espectroscòpia d’infrarojos 2D i la generació harmònica elevada.
Conclusió
Els làsers ajustables s’utilitzen ara en moltes aplicacions importants que van des de la investigació en ciències bàsiques fins a la fabricació de làser i les ciències de la vida i la salut. La gamma de tecnologies actualment disponibles és àmplia. A partir de sistemes sintonitzats amb CW simples, els seus amples amplades de línia es poden utilitzar per a espectroscòpia d’alta resolució, atrapament molecular i atòmic i experiments d’òptica quàntica, proporcionant informació crítica als investigadors moderns.
Els sistemes d’amplificadors ultra ràpids més sofisticats utilitzen polsos làser d’alta energia, picosegona i femtosegona per produir una sortida làser a les bandes UV a les franges verdes. Aquests làsers ultrafastos són fonamentals per comprendre la física d’alta energia, els harmònics alts i l’espectroscòpia transitòria. L’ampli rang d’afinació significa que el mateix sistema làser es pot utilitzar per estudiar un rang infinit d’experiments en espectroscòpia electrònica i vibracional. Els fabricants de làser actuals ofereixen solucions de tipus stop-shop, proporcionant sortides làser que abasten més de 300 nm a la gamma d’energia nanofocal. Els sistemes més sofisticats abasten un rang espectral impressionant de 200 a 20, 000 nm en els intervals energètics Microfocus i Millifocus.
