Перестраиваемый лазер — это лазер , длина волны которого может быть изменена контролируемым образом. В то время как все лазерные усиливающие среды допускают небольшие сдвиги выходной длины волны, только несколько типов лазеров допускают непрерывную настройку в значительном диапазоне длин волн.
Существует множество типов и категорий перестраиваемых лазеров. Они существуют в газовом, жидком и твердом состоянии. Среди типов перестраиваемых лазеров — эксимерные лазеры , газовые лазеры (такие как CO2 и He-Ne лазеры), лазеры на красителях (жидкие и твердотельные), твердотельные лазеры на переходных металлах , полупроводниковые кристаллы и диодные лазеры , а также лазеры на свободных электронах . [1] Перестраиваемые лазеры находят применение в спектроскопии , [2] фотохимии , разделении изотопов лазером на атомных парах , [3] [4] и оптической связи .
Поскольку ни один настоящий лазер не является по-настоящему монохроматическим , все лазеры могут излучать свет в некотором диапазоне частот, известном как ширина линии лазерного перехода. В большинстве лазеров эта ширина линии довольно узкая (например, переход с длиной волны 1064 нм лазера Nd:YAG имеет ширину линии приблизительно 120 ГГц или 0,45 нм [5] ). Настройка выходного сигнала лазера в этом диапазоне может быть достигнута путем размещения в оптическом резонаторе лазера оптических элементов, селективных по длине волны (например, эталона ) , для обеспечения выбора определенной продольной моды резонатора.
Большинство лазерных усиливающих сред имеют ряд переходных длин волн, на которых может быть достигнута работа лазера. Например, наряду с основной выходной линией 1064 нм, Nd:YAG имеет более слабые переходы на длинах волн 1052 нм, 1074 нм, 1112 нм, 1319 нм и ряде других линий. [6] Обычно эти линии не работают, если усиление самого сильного перехода не подавлено; например, с помощью селективных по длине волны диэлектрических зеркал . Если в оптический резонатор вводится дисперсионный элемент, такой как призма , наклон зеркал резонатора может вызвать настройку лазера, поскольку он «перескакивает» между различными лазерными линиями. Такие схемы распространены в аргон - ионных лазерах , позволяя настраивать лазер на ряд линий от ультрафиолетовой и синей до зеленой длин волн.
Для некоторых типов лазеров длина резонатора лазера может быть изменена, и, таким образом, они могут непрерывно настраиваться в значительном диапазоне длин волн. Полупроводниковые лазеры с распределенной обратной связью (DFB) и лазеры с вертикальным резонатором с поверхностным излучением (VCSEL) используют периодические структуры распределенного брэгговского отражателя (DBR) для формирования зеркал оптического резонатора. Если температура лазера изменяется, изменение индекса структуры DBR вызывает сдвиг его пиковой длины волны отражения и, следовательно, длины волны лазера. Диапазон настройки таких лазеров обычно составляет несколько нанометров, вплоть до максимума приблизительно 6 нм, поскольку температура лазера изменяется более чем на ~50 К. Как правило, длина волны настраивается на 0,08 нм/К для DFB-лазеров, работающих в режиме длины волны 1550 нм. Такие лазеры обычно используются в оптических коммуникационных приложениях, таких как DWDM -системы, для регулировки длины волны сигнала. Чтобы получить широкополосную настройку с помощью этой технологии, некоторые компании, такие как Santur Corporation или Nippon Telegraph and Telephone (NTT Corporation) [7], содержат массив таких лазеров на одном чипе и объединяют диапазоны настройки.
Лазеры с распределенным отражателем Брэгга на основе решетки выборки (SG-DBR) имеют гораздо больший диапазон настройки, благодаря использованию настраиваемых зеркал Брэгга с нониусом и фазовой секции можно выбрать диапазон выходного сигнала одномодового излучения >50 нм. Другие технологии для достижения широких диапазонов настройки для систем DWDM [8] :
Вместо того, чтобы размещать зеркала резонатора по краям устройства, зеркала в VCSEL расположены сверху и снизу полупроводникового материала. Несколько сбивает с толку, эти зеркала обычно являются устройствами DBR. Такое расположение заставляет свет «отскакивать» вертикально в лазерном чипе, так что свет выходит через верхнюю часть устройства, а не через край. В результате VCSEL производят лучи более круглой формы, чем их собратья, и лучи, которые не расходятся так быстро. [10]
По состоянию на декабрь 2008 года [обновлять]в продаже больше нет широко настраиваемых VCSEL для применения в системах DWDM . [ необходима ссылка ]
Утверждается, что первым инфракрасным лазером с возможностью перестройки более чем на одну октаву был лазер на кристалле германия. [11]
Диапазон применения перестраиваемых лазеров чрезвычайно широк. При соединении с правильным фильтром перестраиваемый источник может быть настроен на несколько сотен нанометров [12] [13] [14] со спектральным разрешением, которое может составлять от 4 нм до 0,3 нм в зависимости от диапазона длин волн . При достаточно хорошей изоляции (>OD4) перестраиваемый источник может быть использован для базового изучения поглощения и фотолюминесценции . Его можно использовать для характеризации солнечных элементов в эксперименте с током, индуцированным световым пучком (LBIC), из которого можно отобразить внешнюю квантовую эффективность (EQE) устройства. [15] Его также можно использовать для характеризации золотых наночастиц [16] и термобатареи с однослойной углеродной нанотрубкой [17] , где необходим широкий диапазон настройки от 400 нм до 1000 нм. Настраиваемые источники недавно использовались для разработки гиперспектральной визуализации для раннего обнаружения заболеваний сетчатки, где широкий диапазон длин волн, небольшая полоса пропускания и исключительная изоляция имеют решающее значение для достижения эффективного освещения всей сетчатки . [18] [19] Настраиваемый источник может быть мощным инструментом для отражательной и трансмиссионной спектроскопии , фотобиологии , калибровки детекторов, гиперспектральной визуализации и экспериментов с стационарным зондом накачки, и это лишь некоторые из них.
Первым настоящим широко перестраиваемым лазером был лазер на красителе в 1966 году. [20] [21] Хэнш представил первый узкополосный перестраиваемый лазер в 1972 году. [22] Лазеры на красителях и некоторые вибронные твердотельные лазеры имеют чрезвычайно большую полосу пропускания, что позволяет производить настройку в диапазоне от десятков до сотен нанометров. [23] Легированный титаном сапфир является наиболее распространенным перестраиваемым твердотельным лазером, способным работать в диапазоне длин волн от 670 нм до 1100 нм. [24] Обычно эти лазерные системы включают фильтр Лиота в лазерный резонатор, который вращается для настройки лазера. Другие методы настройки включают дифракционные решетки, призмы, эталоны и их комбинации. [25] Многопризменные решетчатые конфигурации в нескольких конфигурациях, как описано Дуарте , используются в диодных, красильных, газовых и других перестраиваемых лазерах. [26]