stringtranslate.com

Титан-сапфировый лазер

Часть генератора Ti:sapphire. Кристалл Ti:sapphire — яркий красный источник света слева. Зеленый свет исходит от диода накачки

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 наиболее эффективно работают на длинах волн около 800 нм. [3]

Типы

Внутренняя оптическая схема фемтосекундного импульсного лазера на титане и сапфире

Генераторы с синхронизацией мод

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).

Усилители чирпированных импульсов

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.

Кристалл Ti:Sapphire в центре многопроходного усилителя Quantronix Odin накачивается зеленым лучом мощностью 5 Вт (слабо виден справа), усиливает фемтосекундные импульсы, которые проходят через него несколько раз под разными углами (не видны на фото) и теряют часть энергии в виде красного флуоресцентного света.

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.

Фемтосекундные импульсы при фокусировке генерируют множественные цветовые узоры с угловым разрешением; обратите внимание, что их угол разветвления даже больше, чем у сфокусированного лазерного луча.

Перестраиваемые лазеры непрерывного излучения

Титан-сапфир особенно подходит для импульсных лазеров, поскольку сверхкороткий импульс по своей природе 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.

История и применение

Непрерывный одночастотный кольцевой Ti:Sapphire лазер в эксплуатации в Новосибирском государственном университете

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 с помощью 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 оптическим частотным гребенкам с синхронизацией мод 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, который в значительной степени опирался 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 многофотонной визуализации глубоких тканей и для промышленного применения в области 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 .

Ссылки

  1. ^ Moulton, PF (1986). "Спектроскопические и лазерные характеристики Ti:Al 2 O 3 ". Журнал оптического общества Америки B . 3 (1): 125–133. Bibcode :1986JOSAB...3..125M. doi :10.1364/JOSAB.3.000125.
  2. ^ Стил, ТР; Герстенбергер, ДК; Дробсхофф, А.; Уоллес, РВ (15 марта 1991 г.). «Широко настраиваемая работа высокой мощности полностью твердотельной лазерной системы на основе сапфира, легированного титаном». Optics Letters . 16 (6): 399–401. Bibcode :1991OptL...16..399S. doi :10.1364/OL.16.000399. PMID  19773946.
  3. ^ Withnall, R. (2005-01-01). "СПЕКТРОСКОПИЯ | Рамановская спектроскопия". В Guenther, Robert D. (ред.). Энциклопедия современной оптики . Oxford: Elsevier. стр. 119–134. doi :10.1016/b0-12-369395-0/00960-x. ISBN 978-0-12-369395-2. Получено 2021-10-02 .
  4. ^ Эрни, Кристиан; Хаури, Кристоф П. (2013). «Проектирование эффективной одноступенчатой ​​генерации разностной частоты чирпированного импульса на 7 мкм, управляемой двухволновым титан-сапфировым лазером». Applied Physics B. 117 ( 1): 379–387. arXiv : 1311.0610 . Bibcode : 2014ApPhB.117..379E. doi : 10.1007/s00340-014-5846-6. S2CID  119237744.
  5. ^ Спенс, Д. Э.; Кин, П. Н.; Сиббетт, В. (1991-01-01). "Генерация импульса длительностью 60 фс из самосинхронизированного лазера на титане и сапфире". Optics Letters . 16 (1): 42–44. Bibcode :1991OptL...16...42S. CiteSeerX 10.1.1.463.8656 . doi :10.1364/OL.16.000042. ISSN  1539-4794. PMID  19773831. 
  6. ^ Стрикленд, Донна; Муру, Жерар (1985-10-15). «Сжатие усиленных чирпированных оптических импульсов». Optics Communications . 55 (6): 447–449. Bibcode : 1985OptCo..55..447S. doi : 10.1016/0030-4018(85)90151-8.
  7. ^ "Нобелевская премия по физике 2018 года". www.nobelprize.org . Получено 2018-10-02 .
  8. ^ "Питер Молтон о лазере Ti:Sapphire. Лазер Ti:Sapphire получил широкое распространение и новые приложения в биологических исследованиях и других областях с момента своего появления в 1982 году". spie.org . Получено 2017-11-02 .
  9. ^ «Титано-сапфировые лазеры».
  10. ^ Хэнш, Теодор В. (2006). «Нобелевская лекция: страсть к точности». Reviews of Modern Physics . 78 (4): 1297–1309. Bibcode : 2006RvMP...78.1297H. doi : 10.1103/RevModPhys.78.1297 .
  11. ^ Холл, Джон Л. (2006). «Нобелевская лекция: Определение и измерение оптических частот». Reviews of Modern Physics . 78 (4): 1279–1295. Bibcode : 2006RvMP...78.1279H. doi : 10.1103/RevModPhys.78.1279 .
  12. ^ "Нобелевская премия по физике 2005 года". www.nobelprize.org . Получено 2017-11-02 .
  13. ^ Медейрос де Араужо, Р. (2014). «Полная характеристика сильно многомодового запутанного состояния, встроенного в оптическую частотную гребенку с использованием формирования импульсов». Physical Review A. 89 ( 5): 053828. arXiv : 1401.4867 . Bibcode : 2014PhRvA..89e3828M. doi : 10.1103/PhysRevA.89.053828. S2CID  32829164.

Внешние ссылки