Перестраиваемый лазер

— Перестраиваемый лазер это лазер которого , рабочую длину волны можно изменять 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] фотохимия , лазерное разделение изотопов атомных паров , ^[3]^[4] и оптическая связь .

Типы настройки

Однострочная настройка

Поскольку ни один реальный 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 мощности лазера в этом диапазоне может быть достигнута путем размещения селективных по длине волны оптических элементов (таких как эталон ) лазера в оптический резонатор , чтобы обеспечить выбор определенной продольной моды резонатора.

Многолинейный тюнинг

Большинство лазерных усиливающих сред имеют ряд 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 подавлено 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 .

Узкополосная настройка

Для некоторых типов лазеров длину резонатора лазера можно изменять, и, таким образом, их можно непрерывно перестраивать в значительном диапазоне длин волн. с распределенной обратной связью (DFB) Полупроводниковые лазеры 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 ~ К. 50 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 помощью этого метода, некоторые компании, такие как Santur Corporation или Nippon Telegraph and Telephone, (Корпорация НТТ) ^[7] содержать массив таких лазеров на одном чипе и объединять диапазоны настройки.

Широко перестраиваемые лазеры

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.Другие технологии для достижения широких диапазонов настройки DWDM -систем. ^[8] являются:

Лазеры с внешним резонатором, использующие структуру МЭМС для настройки длины резонатора, такие как устройства, выпускаемые Iolon .
Лазеры с внешним резонатором, в которых используются многопризменные решетки для возможности настройки в широком диапазоне. ^[9]
Лазерные матрицы DFB на основе нескольких DFB-лазеров с термической настройкой: грубая настройка достигается за счет выбора правильной лазерной линейки. Затем точная настройка выполняется термически, как в устройствах, выпускаемых Santur Corporation .
Настраиваемый VCSEL: один из двух стеков зеркал является подвижным. Для достижения достаточной выходной мощности структуры VCSEL лазеры в области 1550 нм обычно либо имеют оптическую накачку, либо имеют встроенный в устройство дополнительный оптический усилитель.

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 круглой формы, чем их собратья, и лучи, которые расходятся не так быстро. ^[10]

По состоянию на декабрь 2008 г. ^[update] на рынке больше не существует широко настраиваемого VCSEL для применения в системе DWDM . ^{[ нужна ссылка ]}

Утверждается, что первым инфракрасным лазером с перестройкой более одной октавы был лазер на кристалле германия. ^[11]

Приложения

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 нм 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 характеристики наночастиц золота. ^[16] из одностенных углеродных нанотрубок и термобатарея ^[17] где необходим 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 зондом-накачкой в стационарном состоянии, и это лишь некоторые из них.

История

Первым по-настоящему широко перестраиваемым лазером стал лазер на красителе, появившийся в 1966 году. ^[20]^[21] В 1972 году Хэнш представил первый перестраиваемый лазер с узкой шириной линии. ^[22]Лазеры на красителях и некоторые вибронные твердотельные лазеры имеют чрезвычайно широкую полосу пропускания, что позволяет осуществлять настройку 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] Решетки с несколькими призмами в нескольких конфигурациях, как описано Дуарте , используются в диодных, газовых, на красителях и других перестраиваемых лазерах. ^[26]

См. также

Ссылки

^ Ф. Дж. Дуарте (редактор), Справочник по перестраиваемым лазерам (Академический, 1995) .
^ В. Демтредер , Лазерная спектроскопия: основные принципы, 4-е изд. (Шпрингер, Берлин, 2008 г.).
^ Дж. Р. Мюррей, в « Лазерной спектроскопии и ее применениях », Л. Дж. Радзиемски, Р. В. Соларц и Дж. А. Пайснер (ред.) (Марсель Деккер, Нью-Йорк, 1987), Глава 2.
^ М. А. Акерман, Разделение изотопов с помощью красителя-лазера, в книге « Принципы лазера на красителе» , Ф. Дж. Дуарте и Л. В. Хиллман, ред. (Академик, Нью-Йорк, 1990) Глава 9.
^ Кехнер, §2.3.1, стр. 49.
^ Кехнер, §2.3.1, стр. 53.
^ Цузуки, К.; Сибата, Ю.; Кикучи, Н.; Исикава, М.; Ясуи, Т.; Исии, Х.; Ясака, Х. (2009). «Полная перестраиваемая лазерная матрица DFB в C-диапазоне в сочетании с модулятором Маха – Цендера InP для систем оптической связи DWDM». Журнал IEEE по избранным темам квантовой электроники . 15 (3): 521–527. Бибкод : 2009IJSTQ..15..521T . дои : 10.1109/jstqe.2009.2013972 . S2CID 27207596 .
^ Настраиваемые лазеры в Lightreading
^ П. Зорабедян, Перестраиваемые полупроводниковые лазеры с внешним резонатором, в Справочнике по перестраиваемым лазерам , Ф. Дж. Дуарте, Эд. (Академик, Нью-Йорк, 1995) Глава 8.
^ «Оптоэлектроника, изменение частоты» . сайт studedu.org . Проверено 7 марта 2024 г.
^ См. фотографию 3 на http://spie.org/x39922.xml.
^ PhotonEtc: перестраиваемый источник лазера от 400 до 2300 нм .
^ Леукос: Компактные системы суперконтинуума белого света .
^ Фианиум: Мощные источники суперконтинуума WhiteLase .
^ Л. Ломбез; и др. (2014). «Микрометрическое исследование внешней квантовой эффективности в микрокристаллических солнечных элементах CuInGa(S,Se)2». Тонкие твердые пленки . 565 : 32–36. Бибкод : 2014TSF...565...32L . дои : 10.1016/j.tsf.2014.06.041 .
^ С. Пацковский; и др. (2014). «Широкоугольная гиперспектральная 3D-визуализация функционализированных наночастиц золота, нацеленных на раковые клетки, с помощью микроскопии отраженного света». Журнал биофотоники . 8 (5): 401–407. дои : 10.1002/jbio.201400025 . ПМИД 24961507 . S2CID 6797985 .
^ Сен-Антуан Б и др. (2011). «Термобатарея из одностенных углеродных нанотрубок для широкополосного обнаружения света». Нано-буквы . 11 (2): 609–613. Бибкод : 2011NanoL..11..609S . дои : 10.1021/nl1036947 . ПМИД 21189022 .
^ Шахиди А.М. и др. (2013). «Региональные вариации насыщения кислородом сосудов сетчатки человека». Exp Eye Res . 113 : 143–7. дои : 10.1016/j.exer.2013.06.001 . ПМИД 23791637 .
^ Настраиваемые лазеры для визуализации сетчатки .
^ Ф.П. Шефер (редактор), Лазеры на красителях (Springer, 1990)
^ Ф. Дж. Дуарте и Л. В. Хиллман (ред.), Принципы лазера на красителях (Академический, 1990)
^ Хэнш, TW (1972). «Периодически-импульсный перестраиваемый лазер на красителе для спектроскопии высокого разрешения». Прил. Опц . 11 (4): 895–898. Бибкод : 1972ApOpt..11..895H . дои : 10.1364/ao.11.000895 . ПМИД 20119064 .
^ Кехнер, §2.5, стр. 66–78.
^ Стил, TR; Герстенбергер, округ Колумбия; Дробшофф, А.; Уоллес, RW (1991). «Широко настраиваемая работа высокой мощности полностью твердотельной сапфировой лазерной системы, легированной титаном». Оптические письма . 16 (6): 399–401. Бибкод : 1991OptL...16..399S . дои : 10.1364/OL.16.000399 . ПМИД 19773946 .
^ Ф. Дж. Дуарте и Л. В. Хиллман (ред.), Принципы лазера на красителях (Академический, 1990), Глава 4
^ Ф. Дж. Дуарте, Настраиваемая лазерная оптика , 2-е изд. (CRC, Нью-Йорк, 2015 г.) Глава 7.

Дальнейшее чтение

Кехнер, Уолтер (1988). Твердотельная лазерная техника (2-е изд.). Спрингер-Верлаг. ISBN 978-3-540-18747-9 .

[1] Ф. Дж. Дуарте (редактор), Справочник по перестраиваемым лазерам (Академический, 1995) .

[2] В. Демтредер , Лазерная спектроскопия: основные принципы, 4-е изд. (Шпрингер, Берлин, 2008 г.).

[3] Дж. Р. Мюррей, в « Лазерной спектроскопии и ее применениях », Л. Дж. Радзиемски, Р. В. Соларц и Дж. А. Пайснер (ред.) (Марсель Деккер, Нью-Йорк, 1987), Глава 2.

[4] М. А. Акерман, Разделение изотопов с помощью красителя-лазера, в книге « Принципы лазера на красителе» , Ф. Дж. Дуарте и Л. В. Хиллман, ред. (Академик, Нью-Йорк, 1990) Глава 9.

[5] Кехнер, §2.3.1, стр. 49.

[6] Кехнер, §2.3.1, стр. 53.

[7] Цузуки, К.; Сибата, Ю.; Кикучи, Н.; Исикава, М.; Ясуи, Т.; Исии, Х.; Ясака, Х. (2009). «Полная перестраиваемая лазерная матрица DFB в C-диапазоне в сочетании с модулятором Маха – Цендера InP для систем оптической связи DWDM». Журнал IEEE по избранным темам квантовой электроники . 15 (3): 521–527. Бибкод : 2009IJSTQ..15..521T . дои : 10.1109/jstqe.2009.2013972 . S2CID 27207596 .

[8] Настраиваемые лазеры в Lightreading

[9] П. Зорабедян, Перестраиваемые полупроводниковые лазеры с внешним резонатором, в Справочнике по перестраиваемым лазерам , Ф. Дж. Дуарте, Эд. (Академик, Нью-Йорк, 1995) Глава 8.

[10] «Оптоэлектроника, изменение частоты» . сайт studedu.org . Проверено 7 марта 2024 г.

[11] См. фотографию 3 на http://spie.org/x39922.xml.

[12] PhotonEtc: перестраиваемый источник лазера от 400 до 2300 нм .

[13] Леукос: Компактные системы суперконтинуума белого света .

[14] Фианиум: Мощные источники суперконтинуума WhiteLase .

[15] Л. Ломбез; и др. (2014). «Микрометрическое исследование внешней квантовой эффективности в микрокристаллических солнечных элементах CuInGa(S,Se)2». Тонкие твердые пленки . 565 : 32–36. Бибкод : 2014TSF...565...32L . дои : 10.1016/j.tsf.2014.06.041 .

[16] С. Пацковский; и др. (2014). «Широкоугольная гиперспектральная 3D-визуализация функционализированных наночастиц золота, нацеленных на раковые клетки, с помощью микроскопии отраженного света». Журнал биофотоники . 8 (5): 401–407. дои : 10.1002/jbio.201400025 . ПМИД 24961507 . S2CID 6797985 .

[17] Сен-Антуан Б и др. (2011). «Термобатарея из одностенных углеродных нанотрубок для широкополосного обнаружения света». Нано-буквы . 11 (2): 609–613. Бибкод : 2011NanoL..11..609S . дои : 10.1021/nl1036947 . ПМИД 21189022 .

[18] Шахиди А.М. и др. (2013). «Региональные вариации насыщения кислородом сосудов сетчатки человека». Exp Eye Res . 113 : 143–7. дои : 10.1016/j.exer.2013.06.001 . ПМИД 23791637 .

[19] Настраиваемые лазеры для визуализации сетчатки .

[schafer90-20] Ф.П. Шефер (редактор), Лазеры на красителях (Springer, 1990)

[21] Ф. Дж. Дуарте и Л. В. Хиллман (ред.), Принципы лазера на красителях (Академический, 1990)

[hansch72-22] Хэнш, TW (1972). «Периодически-импульсный перестраиваемый лазер на красителе для спектроскопии высокого разрешения». Прил. Опц . 11 (4): 895–898. Бибкод : 1972ApOpt..11..895H . дои : 10.1364/ao.11.000895 . ПМИД 20119064 .

[23] Кехнер, §2.5, стр. 66–78.

[steele91-24] Стил, TR; Герстенбергер, округ Колумбия; Дробшофф, А.; Уоллес, RW (1991). «Широко настраиваемая работа высокой мощности полностью твердотельной сапфировой лазерной системы, легированной титаном». Оптические письма . 16 (6): 399–401. Бибкод : 1991OptL...16..399S . дои : 10.1364/OL.16.000399 . ПМИД 19773946 .

[duarte90-25] Ф. Дж. Дуарте и Л. В. Хиллман (ред.), Принципы лазера на красителях (Академический, 1990), Глава 4

[duarte15-26] Ф. Дж. Дуарте, Настраиваемая лазерная оптика , 2-е изд. (CRC, Нью-Йорк, 2015 г.) Глава 7.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]

[23]

[24]

[25]

[26]