Титан-сапфировые лазеры (также известные как Ti:сапфировые лазеры , Ti:Al 2 O 3 лазеры или Ti:сапфировые лазеры ) представляют собой перестраиваемые лазеры , излучающие красный и ближний инфракрасный свет в диапазоне от 650 до 1100 нанометров. Эти лазеры в основном используются в научных исследованиях из-за их возможности настройки и способности генерировать ультракороткие импульсы благодаря широкому спектру излучения света. Лазеры на основе Ti:сапфира были впервые сконструированы и изобретены в июне 1982 года Питером Моултоном в Лаборатории Линкольна Массачусетского технологического института . [1]
Титан-сапфир относится к среде генерации , кристаллу сапфира (Al 2 O 3 ) , легированному ионами Ti 3+ . Титан-сапфировый лазер обычно накачивается другим лазером с длиной волны от 514 до 532 нм, для чего используются аргон - ионные лазеры (514,5 нм) и Nd:YAG , Nd:YLF и Nd:YVO- лазеры с удвоенной частотой (527–527–527 нм). 532 нм). Они способны работать с лазером с длиной волны от 670 до 1100 нм. [2] Титан-сапфировые лазеры наиболее эффективно работают на длинах волн около 800 нм. [3]
Генераторы с синхронизацией мод генерируют ультракороткие импульсы с типичной длительностью от нескольких пикосекунд до 10 фемтосекунд , в особых случаях даже около 5 фемтосекунд (несколько циклов несущей волны в каждом лазерном импульсе). Частота повторения импульсов в большинстве случаев составляет от 70 до 90 МГц, что определяется оптическим путем туда и обратно генератора, обычно несколько метров. Титан-сапфировые генераторы обычно накачиваются непрерывным лазерным лучом аргона или лазером Nd:YVO4 с удвоенной частотой . Обычно такой генератор имеет среднюю выходную мощность от 0,4 до 2,5 Вт (от 5,7 до 35 нДж в каждом лазерном импульсе для частоты следования 70 МГц).
Эти устройства генерируют ультракороткие импульсы сверхвысокой интенсивности длительностью от 20 до 100 фемтосекунд. Типичный однокаскадный усилитель может генерировать импульсы энергией до 5 миллиджоулей с частотой повторения 1000 герц , в то время как более крупная многокаскадная установка может генерировать импульсы до нескольких джоулей с частотой повторения до 10 Гц. Обычно кристаллы усилителя накачиваются импульсным Nd:YLF- лазером с удвоенной частотой на длине волны 527 нм и работают на длине волны 800 нм. Существуют две разные конструкции усилителя: регенеративный усилитель и многопроходной усилитель.
Регенеративные усилители работают путем усиления одиночных импульсов генератора (см. Выше). Вместо обычного резонатора с частично отражающим зеркалом они содержат быстродействующие оптические переключатели, которые вводят импульс в резонатор и выводят импульс из резонатора точно в тот момент, когда он усилен до высокой интенсивности.
Термин « чирпированный импульс» относится к специальной конструкции, которая необходима для предотвращения повреждения импульсом компонентов лазера. Импульс растянут во времени, поэтому энергия не вся находится в одной и той же точке времени и пространства. Это предотвращает повреждение оптики усилителя. Затем импульс оптически усиливается и повторно сжимается во времени, образуя короткий локализованный импульс. Вся оптика после этого момента должна выбираться с учетом высокой плотности энергии.
В многопроходном усилителе оптические переключатели отсутствуют. Вместо этого зеркала направляют луч фиксированное количество раз (два или более) через кристалл титан-сапфира в несколько разных направлениях. Импульсный луч накачки также может проходить через кристалл несколько раз, так что все больше и больше проходов накачивают кристалл. Сначала луч накачки накачивает пятно в усиливающей среде. Затем сигнальный луч сначала проходит через центр для максимального усиления, но на последующих проходах диаметр увеличивается, чтобы оставаться ниже порога повреждения, чтобы избежать усиления внешних частей луча, тем самым увеличивая качество луча и отсекая некоторое усиленное спонтанное излучение. и полностью исчерпать инверсию в усиливающей среде.
Импульсы усилителей с чирпированными импульсами часто преобразуются в волны другой длины с помощью различных нелинейных оптических процессов.
При 5 мДж за 100 фемтосекунд пиковая мощность такого лазера составляет 50 гигаватт. [4] При фокусировке линзой эти лазерные импульсы ионизируют любой материал, помещенный в фокус, включая молекулы воздуха, и приводят к распространению коротких нитей и сильным нелинейным оптическим эффектам, которые генерируют широкий спектр длин волн.
Титан-сапфир особенно пригоден для импульсных лазеров, поскольку ультракороткий импульс по своей сути содержит широкий спектр частотных составляющих. Это связано с обратной зависимостью между полосой частот импульса и его продолжительностью, поскольку они являются сопряженными переменными . Однако при соответствующей конструкции титан-сапфир можно использовать и в лазерах непрерывного действия с чрезвычайно узкой шириной линии , перестраиваемой в широком диапазоне.
Титан-сапфировый лазер был изобретен Питером Моултоном в июне 1982 года в лаборатории Линкольна Массачусетского технологического института в версии непрерывного действия. Впоследствии было показано, что эти лазеры генерируют ультракороткие импульсы посредством синхронизации моделей линз Керра . [5] Стрикленд и Муру , помимо других, работавших в Рочестерском университете , показали усиление чирпированного импульса этого лазера в течение нескольких лет, [6] за что эти двое получили Нобелевскую премию по физике 2018 года [7] ( вместе с Артуром Эшкиным за оптический пинцет). Совокупный объем продаж Ti:сапфирового лазера составил более 600 миллионов долларов, что сделало его большим коммерческим успехом, который поддерживал индустрию твердотельных лазеров на протяжении более трех десятилетий. [8] [9]
Ультракороткие импульсы, генерируемые Ti:сапфировыми лазерами, во временной области соответствуют гребенкам оптических частот с синхронизацией мод в спектральной области. Как временные, так и спектральные свойства этих лазеров делают их весьма желательными для метрологии частоты, спектроскопии или для накачки нелинейных оптических процессов . Половина Нобелевской премии по физике в 2005 году была присуждена за разработку метода гребенки оптических частот, который в значительной степени опирался на титан-сапфировый лазер и его свойства самосинхронизации. [10] [11] [12] Версии этих лазеров с непрерывным излучением могут быть спроектированы так, чтобы иметь почти квантово-ограниченную производительность, что приводит к низкому уровню шума и узкой ширине линии, что делает их привлекательными для экспериментов по квантовой оптике . [13] Снижение усиленного спонтанного эмиссионного шума в излучении титан-сапфировых лазеров придает большую силу их применению в качестве оптических решеток для работы современных атомных часов. Помимо фундаментальных научных применений в лаборатории, этот лазер нашел биологические применения, такие как многофотонная визуализация глубоких тканей и промышленное применение в холодной микрообработке . При работе в режиме усиления чирпированных импульсов их можно использовать для генерации чрезвычайно высоких пиковых мощностей в тераваттном диапазоне, что находит применение в исследованиях ядерного синтеза .