Титан-сапфировые лазеры (также известные как Ti:сапфировые лазеры , Ti:Al 2 O 3 лазеры или Ti:sapphs ) — это перестраиваемые лазеры , которые излучают красный и ближний инфракрасный свет в диапазоне от 650 до 1100 нанометров. Эти лазеры в основном используются в научных исследованиях из-за их перестраиваемости и способности генерировать сверхкороткие импульсы благодаря широкому спектру излучения света. Лазеры на основе Ti:сапфира были впервые сконструированы и изобретены в июне 1982 года Питером Молтоном в лаборатории Линкольна Массачусетского технологического института . [1]
Титан-сапфир относится к лазерной среде , кристаллу сапфира (Al 2 O 3 ), который легирован ионами Ti 3+ . Ti: сапфировый лазер обычно накачивается другим лазером с длиной волны от 514 до 532 нм, для чего используются аргоновые ионные лазеры (514,5 нм) и лазеры с удвоенной частотой Nd: YAG , Nd: YLF , и Nd: YVO (527–532 нм). Они способны работать в диапазоне длин волн от 670 нм до 1100 нм. [2] Ti: сапфировые лазеры работают наиболее эффективно на длинах волн около 800 нм. [3]
Генераторы с синхронизацией мод генерируют сверхкороткие 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 около 70–90 МГц, что определяется оптическим путем осциллятора в оба конца, обычно несколько метров. Генераторы Ti:sapphire обычно накачиваются непрерывным лазерным лучом от аргонового или удвоенного по частоте лазера Nd:YVO4 . 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 повторения 70 МГц).
Эти устройства генерируют ультракороткие , сверхвысокоинтенсивные импульсы длительностью от 20 до 100 фемтосекунд. Типичный однокаскадный усилитель может производить импульсы до 5 миллиджоулей энергии с частотой повторения 1000 герц , в то время как более крупная многокаскадная установка может производить импульсы до нескольких джоулей с частотой повторения до 10 Гц. Обычно кристаллы усилителя накачиваются импульсным лазером Nd:YLF с удвоенной частотой на 527 нм и работают на 800 нм. Существуют две различные конструкции усилителя: регенеративный усилитель и многопроходный усилитель.
Регенеративные усилители работают, усиливая одиночные импульсы от генератора (см. выше). Вместо обычного резонатора с частично отражающим зеркалом они содержат высокоскоростные оптические переключатели, которые вставляют импульс в резонатор и выводят его из резонатора точно в нужный момент, когда он усиливается до высокой интенсивности.
Термин « чирпированный импульс» относится к специальной конструкции, которая необходима для предотвращения повреждения импульсом компонентов лазера. Импульс растягивается во времени, так что вся энергия не находится в одной и той же точке времени и пространства. Это предотвращает повреждение оптики в усилителе. Затем импульс оптически усиливается и повторно сжимается во времени, чтобы сформировать короткий локализованный импульс. Вся оптика после этой точки должна выбираться с учетом высокой плотности энергии.
В многопроходном усилителе нет оптических переключателей. Вместо этого зеркала направляют луч фиксированное количество раз (два или более) через кристалл Ti: сапфира в слегка отличающихся направлениях. Импульсный луч накачки также может быть многократно пропущен через кристалл, так что все больше и больше проходов накачивают кристалл. Сначала луч накачки накачивает пятно в среде усиления. Затем сигнальный луч сначала проходит через центр для максимального усиления, но в более поздних проходах диаметр увеличивается, чтобы оставаться ниже порога повреждения, чтобы избежать усиления внешних частей луча, тем самым повышая качество луча и отсекая часть усиленного спонтанного излучения и полностью истощая инверсию в среде усиления.
Импульсы от усилителей чирпированных импульсов часто преобразуются в другие длины волн 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 подходит для импульсных лазеров, поскольку сверхкороткий импульс изначально содержит широкий спектр частотных компонентов. Это связано с обратной зависимостью между полосой пропускания частот импульса и его длительностью, поскольку они являются сопряженными переменными . Однако при соответствующей конструкции титан-сапфир может также использоваться в лазерах непрерывного излучения с чрезвычайно узкой шириной линии, настраиваемой в широком диапазоне.
Ti:сапфировый лазер был изобретен Питером Молтоном в июне 1982 года в лаборатории Линкольна Массачусетского технологического института в версии с непрерывной волной. Впоследствии было показано, что эти лазеры генерируют сверхкороткие импульсы посредством синхронизации моделей линзы Керра . [5] Стрикленд и Муру , в дополнение к другим, работающим в Университете Рочестера , продемонстрировали усиление чирпированных импульсов этого лазера в течение нескольких лет, [6] за что они двое разделили Нобелевскую премию по физике 2018 года [7] (вместе с Артуром Эшкиным за оптический пинцет). Совокупные продажи продукции Ti:сапфирового лазера составили более 600 миллионов долларов, что сделало его большим коммерческим успехом, который поддерживал отрасль твердотельных лазеров более трех десятилетий. [8] [9]
Сверхкороткие импульсы, генерируемые лазерами Ti:sapphire во временной области, соответствуют синхронизированным по модам оптическим частотным гребенкам в спектральной области. Как временные, так и спектральные свойства этих лазеров делают их весьма желательными для частотной метрологии, спектроскопии или для накачки нелинейных оптических процессов . Половина Нобелевской премии по физике 2005 года была присуждена за разработку метода оптической частотной гребенки, которая в значительной степени опиралась на лазер Ti:sapphire и его свойства самосинхронизации моделей. [10] [11] [12] Версии этих лазеров с непрерывной волной 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] Уменьшенный усиленный шум спонтанного излучения в излучении лазеров Ti:sapphire придает большую силу их применению в качестве оптических решеток для работы современных атомных часов. Помимо фундаментальных научных применений в лабораторных условиях, этот лазер нашел биологическое применение, например, для глубокой многофотонной визуализации тканей и промышленного применения холодной микрообработки . При работе в режиме усиления чирпированного импульса они могут использоваться для генерации чрезвычайно высоких пиковых мощностей в тераваттном диапазоне, что находит применение в исследованиях ядерного синтеза .