Перестраиваемый лазер — это лазер , рабочую длину волны которого можно контролировать контролируемым образом. Хотя все лазерные усиливающие среды допускают небольшие сдвиги выходной длины волны, лишь некоторые типы лазеров допускают непрерывную настройку в значительном диапазоне длин волн.
Существует множество типов и категорий перестраиваемых лазеров. Они существуют в газообразном, жидком и твердом состоянии. Среди типов перестраиваемых лазеров выделяют эксимерные лазеры , газовые лазеры (такие как CO 2 и He-Ne лазеры), лазеры на красителях (жидкостные и твердотельные), твердотельные лазеры на переходных металлах , полупроводниковые кристаллические и диодные лазеры , а также лазеры на свободных электронах. . [1] Перестраиваемые лазеры находят применение в спектроскопии , [2] фотохимии , лазерном разделении изотопов атомных паров , [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, переходная длина волны 1064 нм Nd :YAG-лазера имеет ширину линии примерно 120 ГГц или 0,45 нм [5] ). Настройка выходной мощности лазера в этом диапазоне может быть достигнута путем размещения селективных по длине волны оптических элементов (таких как эталон ) в оптический резонатор лазера , чтобы обеспечить выбор определенной продольной моды резонатора.
Большинство лазерных усиливающих сред имеют несколько длин волн перехода, на которых может быть достигнута работа лазера. Например, помимо основной выходной линии 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 не подавляется усиление самого сильного перехода; например, с помощью диэлектрических зеркал, селективных по длине волны . Если в оптический резонатор ввести дисперсионный элемент, например призму , наклон зеркал резонатора может вызвать настройку лазера, поскольку он «перепрыгивает» между разными лазерными линиями. Такие схемы распространены в аргон - ионных лазерах и позволяют настраивать лазер на ряд линий от ультрафиолетового и синего до зеленого .
Для некоторых типов лазеров длину резонатора лазера можно изменять, и, таким образом, их можно непрерывно перестраивать в значительном диапазоне длин волн. Полупроводниковые лазеры с распределенной обратной связью (DFB) и поверхностно-излучающие лазеры с вертикальным резонатором (VCSEL) используют структуры периодического распределенного брэгговского отражателя (DBR) для формирования зеркал оптического резонатора. Если температура лазера изменяется, изменение индекса структуры DBR вызывает сдвиг ее пиковой длины волны отражения и, следовательно, длины волны лазера. Диапазон настройки таких лазеров обычно составляет несколько нанометров, максимум примерно до 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 приложениях оптической связи, таких как системы DWDM , для обеспечения возможности регулировки длины волны сигнала. Чтобы получить широкополосную настройку с использованием этого метода, некоторые компании, такие как Santur Corporation или Nippon Telegraph and Telephone (NTT Corporation) [7], содержат массив таких лазеров на одном кристалле и объединяют диапазоны настройки.
Лазеры с распределенным брэгговским отражателем с решеткой образца (SG-DBR) имеют гораздо больший диапазон настройки. За счет использования нониусно перестраиваемых брэгговских зеркал и фазовой секции можно выбрать одномодовый выходной диапазон> 50 нм. Другими технологиями достижения широких диапазонов настройки для DWDM -систем [8] являются:
Вместо того, чтобы размещать зеркала резонатора по краям устройства, зеркала в VCSEL расположены сверху и снизу полупроводникового материала. Несколько сбивает с толку то, что эти зеркала обычно представляют собой устройства 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 создают лучи более круговой природы, чем их собратья, и лучи, которые расходятся не так быстро. [10]
По состоянию на декабрь 2008 года [обновлять]широко настраиваемый VCSEL больше не доступен для применения в системе DWDM . [ нужна цитата ]
Утверждается, что первым инфракрасным лазером с перестройкой более одной октавы был лазер на кристалле германия. [11]
Спектр применения перестраиваемых лазеров чрезвычайно широк. При подключении к правильному фильтру перестраиваемый источник можно настроить на несколько сотен нанометров [12] [13] [14] со спектральным разрешением от 4 до 0,3 нм, в зависимости от диапазона длин волн . При достаточно хорошей изоляции (>OD4) перестраиваемый источник можно использовать для базовых исследований поглощения и фотолюминесценции . Его можно использовать для определения характеристик солнечных элементов в эксперименте по току, индуцированному световым лучом (LBIC), на основе которого можно составить карту внешней квантовой эффективности (EQE) устройства. [15] Его также можно использовать для определения характеристик наночастиц золота [16] и термобатареи из одностенных углеродных нанотрубок [17], где важен широкий диапазон настройки от 400 до 1000 нм. Перестраиваемые источники недавно использовались для разработки гиперспектральных изображений для раннего выявления заболеваний сетчатки, где широкий диапазон длин волн, небольшая полоса пропускания и превосходная изоляция имеют решающее значение для достижения эффективного освещения всей сетчатки . [18] [19] Перестраиваемый источник может быть мощным инструментом для спектроскопии отражения и пропускания , фотобиологии , калибровки детектора, гиперспектральной визуализации и экспериментов с зондовым насосом в стационарном состоянии, и это лишь некоторые из них.
Первым по-настоящему широко перестраиваемым лазером был лазер на красителе в 1966 году. [20] [21] Хэнш представил первый перестраиваемый лазер с узкой шириной линии в 1972 году. [22] Лазеры на красителях и некоторые вибронные твердотельные лазеры имеют чрезвычайно широкую полосу пропускания, что позволяет перестраиваться. в диапазоне от десятков до сотен нанометров. [23] Сапфир, легированный титаном, является наиболее распространенным перестраиваемым твердотельным лазером, способным работать с длиной волны от 670 до 1100 нм. [24] Обычно эти лазерные системы включают в резонатор лазера фильтр Лио , который вращается для настройки лазера. Другие методы настройки включают дифракционные решетки, призмы, эталоны и их комбинации. [25] Многопризменные решетчатые устройства в нескольких конфигурациях, как описано Дуарте , используются в диодных, на красителях, газовых и других перестраиваемых лазерах. [26]