Настраиваемый лазер - Tunable laser

Лазер на красителях непрерывного действия на основе Родамин 6G. Лазер на красителях считается первым лазером с широкой перестройкой.

А перестраиваемый лазер это лазер чей длина волны работы могут быть изменены контролируемым образом. Пока все средства усиления лазера позволяют небольшие сдвиги в длине волны на выходе, только несколько типов лазеров допускают непрерывную настройку в значительном диапазоне длин волн.

Есть много типов и категорий перестраиваемых лазеров. Они существуют в газообразном, жидком и твердом состоянии. Среди типов перестраиваемых лазеров: эксимерные лазеры, газовые лазеры (Такие как CO2 и He-Ne лазеры), лазеры на красителях (жидкое и твердое состояние), переходный металл твердотельные лазеры, полупроводник кристалл и диодные лазеры, и лазеры на свободных электронах.[1] Перестраиваемые лазеры находят применение в спектроскопия,[2] фотохимия, лазерное разделение изотопов атомного пара,[3][4] и оптическая связь.

Типы настраиваемости

Настройка одной линии

Поскольку настоящий лазер действительно монохромный, все лазеры могут излучать свет в некотором диапазоне частот, известном как ширина линии лазерного перехода. В большинстве лазеров эта ширина линии довольно мала (например, переход длины волны 1064 нм в Nd: YAG лазер имеет ширину линии примерно 120 ГГц или 0,45 нм[5]). Регулировка мощности лазера в этом диапазоне может быть достигнута путем размещения оптических элементов с избирательной длиной волны (например, эталон ) в лазерный оптический резонатор, чтобы обеспечить выбор конкретного продольная мода полости.

Многострочная настройка

Большинство усиливающих сред лазера имеют ряд длин волн перехода, на которых может работать лазер. Например, как и основная выходная линия 1064 нм, Nd: YAG имеет более слабые переходы на длинах волн 1052 нм, 1074 нм, 1112 нм, 1319 нм и ряд других линий.[6] Обычно эти линии не работают, если усиление самого сильного перехода не подавлено; например, с помощью селективного по длине волны диэлектрические зеркала. Если диспергирующий элемент, такой как призма, вводится в оптический резонатор, наклон зеркал резонатора может вызвать настройку лазера, поскольку он "прыгает" между различными лазерными линиями. Такие схемы распространены в аргон -ионные лазеры, что позволяет настроить лазер на ряд линий от ультрафиолетовый и синий сквозь зеленый длины волн.

Узкополосная настройка

Для некоторых типов лазеров длина резонатора лазера может быть изменена, и, таким образом, их можно непрерывно настраивать в значительном диапазоне длин волн. Распределенная обратная связь (DFB) полупроводниковые лазеры и лазеры с вертикальным резонатором, излучающие поверхность (VCSEL) используйте периодические распределенный брэгговский отражатель (DBR) структуры для формирования зеркал оптического резонатора. Если температура При изменении показателя преломления лазера изменение показателя преломления структуры РБО вызывает сдвиг его максимальной длины волны отражения и, следовательно, длины волны лазера. Диапазон перестройки таких лазеров обычно составляет от нескольких нанометров до максимум примерно 6 нм, так как температура лазера изменяется на ~ 50. K. Как правило, длина волны настраивается на 0,08 нм / K для DFB-лазеров, работающих в режиме длины волны 1550 нм. Такие лазеры обычно используются в приложениях оптической связи, таких как DWDM -системы, позволяющие регулировать длину волны сигнала. Чтобы получить широкополосную настройку с помощью этого метода, некоторые, например Santur Corporation или же Nippon Telegraph and Telephone (Корпорация NTT)[7] содержат массив таких лазеров на одном кристалле и объединяют диапазоны настройки.

Широко настраиваемые лазеры

Типичный лазерный диод. При установке с внешней оптикой эти лазеры могут быть настроены в основном на красный и ближний инфракрасный диапазоны.

Лазеры с распределенным брэгговским рефлектором (SG-DBR) с решеткой имеют гораздо больший диапазон перестройки за счет использования настраиваемого нониуса. Брэгговские зеркала и фазовой секции можно выбрать одномодовый выходной диапазон> 50 нм. Другие технологии для достижения широких диапазонов настройки для DWDM -системы[8] находятся:

  • Лазеры с внешним резонатором, использующие структуру MEMS для настройки длины резонатора, такие как устройства, продаваемые Иолон.
  • Лазеры с внешним резонатором, использующие решетку с несколькими призмами для широкодиапазонной перестройки.[9]
  • Матрицы РОС-лазеров на основе нескольких терморегулируемых РОС-лазеров: грубая настройка достигается путем выбора правильной лазерной линейки. Затем точная настройка выполняется термически, например, устройства, продаваемые Santur Corporation.
  • Настраиваемый VCSEL: один из двух стеков зеркал подвижен. Для достижения достаточной выходной мощности из структуры VCSEL лазеры в области 1550 нм обычно имеют либо оптическую накачку, либо дополнительный оптический усилитель, встроенный в устройство.

По состоянию на декабрь 2008 г. коммерчески доступного широко настраиваемого VCSEL для DWDM -системное приложение.[нужна цитата ]

Утверждается, что первым инфракрасным лазером с возможностью перестройки более одной октавы был лазер на кристалле германия.[10]

Приложения

Спектр применения перестраиваемых лазеров чрезвычайно широк. При подключении к правильному фильтру настраиваемый источник может быть настроен на несколько сотен нанометров.[11][12][13] со спектральным разрешением от 4 нм до 0,3 нм, в зависимости от длина волны классифицировать. При достаточно хорошей изоляции (> OD4) настраиваемый источник может использоваться для основных поглощение и фотолюминесценция изучать. Его можно использовать для определения характеристик солнечных элементов в эксперименте с током, индуцированным световым лучом (LBIC), из которого внешняя квантовая эффективность (EQE) устройства можно сопоставить.[14] Его также можно использовать для характеристики золота. наночастицы[15] и одностенные углеродная нанотрубка термобатарея[16] где необходим широкий диапазон настройки от 400 до 1000 нм. Настраиваемые источники недавно использовались для разработки гиперспектральное изображение для раннего обнаружения заболеваний сетчатки, когда широкий диапазон длин волн, малая полоса пропускания и отличная изоляция имеют решающее значение для достижения эффективного освещения всего сетчатка.[17][18] Настраиваемый источник может быть мощным инструментом для отражение и спектроскопия пропускания, фотобиология, калибровка детектора, гиперспектральная съемка и устойчивое состояние эксперимент с насосом и зондом и это лишь некоторые из них.

История

Первым по-настоящему широко перестраиваемым лазером был краситель лазер в 1966 г.[19][20] Hänsch представила первый перестраиваемый лазер с узкой шириной линии в 1972 году.[21]Лазеры на красителях и некоторые вибронный твердотельные лазеры имеют чрезвычайно большую полосу пропускания, что позволяет настраивать их в диапазоне от десятков до сотен нанометров.[22] Сапфир, легированный титаном это наиболее распространенный перестраиваемый твердотельный лазер, способный работать с длиной волны от 670 нм до 1100 нм. Обычно эти лазерные системы включают Фильтр Лио в резонатор лазера, который вращается для настройки лазера. Другие методы настройки включают дифракционные решетки, призмы, эталоны и их комбинации.[23] Решетки с несколькими призмами, в нескольких конфигурациях, как описано Дуарте, используются в диодных лазерах, лазерах на красителях, газе и других перестраиваемых лазерах.[24]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Ф. Ж. Дуарте (ред.), Справочник по перестраиваемым лазерам (Академический, 1995).
  2. ^ В. Демтрёдер, Лазерная спектроскопия: основные принципы, 4-е изд. (Springer, Берлин, 2008 г.).
  3. ^ Дж. Р. Мюррей, в Лазерная спектроскопия и ее приложения, Л. Дж. Радзиемский, Р. В. Соларз и Дж. А. Пайснер (ред.) (Марсель Деккер, Нью-Йорк, 1987) Глава 2.
  4. ^ Акерман М.А. Лазерное разделение изотопов на красителях. Принципы лазера на красителях, F. J. Duarte и L. W. Hillman, Eds. (Academic, New York, 1990) Глава 9.
  5. ^ Кехнер, §2.3.1, стр. 49.
  6. ^ Кехнер, §2.3.1, стр. 53.
  7. ^ Tsuzuki, K .; Shibata, Y .; Kikuchi, N .; Ishikawa, M .; Ясуи, Т .; Ishii, H .; Ясака, Х. (2009). «Полностью настраиваемая лазерная матрица DFB в упаковке с модулятором Маха-Цендера InP для систем оптической связи DWDM». Избранные темы IEEE в квантовой электронике. 15: 521–527. Дои:10.1109 / jstqe.2009.2013972.
  8. ^ Настраиваемые лазеры в Lightreading
  9. ^ Зорабедян П. Перестраиваемые полупроводниковые лазеры с внешним резонатором. Справочник по перестраиваемым лазерам, F. J. Duarte, Ed. (Academic, New York, 1995) Глава 8.
  10. ^ См. Фотографию 3 на http://spie.org/x39922.xml.
  11. ^ PhotonEtc: настраиваемый лазерный источник от 400 до 2300 нм.
  12. ^ Leukos: Компактные системы суперконтинуума белого света.
  13. ^ Фианиум: мощные источники суперконтинуума WhiteLase.
  14. ^ Л. Ломбез; и другие. (2014). «Микрометрическое исследование внешнего квантового выхода в микрокристаллических солнечных элементах CuInGa (S, Se) 2». Тонкие твердые пленки. 565: 32–36. Bibcode:2014TSF ... 565 ... 32л. Дои:10.1016 / j.tsf.2014.06.041.
  15. ^ С. Пацковский; и другие. (2014). «Широкопольное гиперспектральное трехмерное изображение функционализированных наночастиц золота, нацеленных на раковые клетки, с помощью микроскопии в отраженном свете». Журнал биофотоники. 8 (5): 401–407. Дои:10.1002 / jbio.201400025. PMID  24961507.
  16. ^ St-Antoine B и др. (2011). «Термобатареи с однослойной углеродной нанотрубкой для обнаружения широкополосного света». Нано буквы. 11 (2): 609–613. Bibcode:2011NanoL..11..609S. Дои:10.1021 / nl1036947. PMID  21189022.
  17. ^ Шахиди AM и др. (2013). «Региональные вариации насыщения кислородом сосудов сетчатки глаза человека». Exp Eye Res. 113: 143–7. Дои:10.1016 / j.exer.2013.06.001. PMID  23791637.
  18. ^ Настраиваемые лазеры для визуализации сетчатки.
  19. ^ Ф. П. Шефер (ред.), Лазеры на красителях (Спрингер, 1990)
  20. ^ Ф. Дж. Дуарте и Л. В. Хиллман (ред.), Принципы лазера на красителях (Академический, 1990)
  21. ^ Hänsch, T. W. (1972). «Перестраиваемый лазер на красителях с периодическими импульсами для спектроскопии высокого разрешения». Appl. Opt. 11 (4): 895–898. Bibcode:1972ApOpt..11..895H. Дои:10.1364 / ао.11.000895. PMID  20119064.
  22. ^ Кехнер, §2.5, стр. 66–78.
  23. ^ Ф. Дж. Дуарте и Л. В. Хиллман (ред.), Принципы лазера на красителях (Academic, 1990) Глава 4
  24. ^ Ф. Ж. Дуарте, Настраиваемая лазерная оптика, 2-е изд. (CRC, Нью-Йорк, 2015) Глава 7.

дальнейшее чтение

  • Кехнер, Вальтер (1988). Твердотельная лазерная техника (2-е изд.). Springer-Verlag. ISBN  978-3-540-18747-9.