Титан-сапфировый лазер - Ti-sapphire laser
Ti: сапфировые лазеры (также известные как Ti: Al 2 O 3 лазеры , титан-сапфировые лазеры или Ti: сапфировые лазеры ) - 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 настраиваемости и способности генерировать ультракороткие импульсы . Лазеры на основе сапфира были впервые сконструированы и изобретены в июне 1982 года Питером Моултоном в лаборатории Линкольна Массачусетского технологического института .
Титан-сапфир относится к лазерной среде , кристаллу сапфира (Al 2 O 3 ), легированному ионами Ti 3+ . Титан-сапфировый лазер обычно закачивают с другим лазером с длиной волны 514 нм до 532, для которых аргон - ионные лазеры (514,5 нм) и удвоением частоты Nd: YAG , Nd: YLF и Nd: Yvo лазеры (527- 532 нм). Они способны работать с лазером с длиной волны от 670 нм до 1100 нм. Титан-сапфировые лазеры наиболее эффективно работают на длинах волн около 800 нм.
Типы Ti: сапфировые лазеры
Генераторы с синхронизацией мод
Генераторы с синхронизацией мод генерируют ультракороткие импульсы с типичной длительностью от нескольких пикосекунд до 10 фемтосекунд , в особых случаях даже около 5 фемтосекунд. Частота повторения импульсов в большинстве случаев составляет от 70 до 90 МГц. Ti: сапфировые генераторы обычно накачиваются непрерывным лазерным лучом от аргонового лазера или лазера с удвоенной частотой Nd: YVO4 . Обычно такой генератор имеет среднюю выходную мощность от 0,4 до 2,5 Вт .
Усилители чирпированных импульсов
Эти устройства генерируют ультракороткие импульсы сверхвысокой интенсивности длительностью от 20 до 100 фемтосекунд. Типичный одноступенчатый усилитель может генерировать импульсы с энергией до 5 миллиджоулей при частоте повторения 1000 герц , в то время как более крупное многокаскадное устройство может генерировать импульсы до нескольких джоулей с частотой повторения до 10 Гц. Обычно кристаллы усилителей накачиваются импульсным Nd: YLF- лазером с удвоенной частотой на длине волны 527 нм и работают на длине волны 800 нм. Существуют две разные конструкции усилителя: регенеративный усилитель и многопроходный усилитель.
Регенеративные усилители работают путем усиления одиночных импульсов от генератора (см. Выше). Вместо обычного резонатора с частично отражающим зеркалом они содержат высокоскоростные оптические переключатели, которые вводят импульс в резонатор и выводят импульс из резонатора точно в нужный момент, когда он усиливается до высокой интенсивности.
Термин « чирпированный импульс» относится к специальной конструкции, которая необходима для предотвращения повреждения компонентов лазера импульсом. Импульс растянут во времени, так что не вся энергия находится в одной и той же точке времени и пространства. Это предотвращает повреждение оптики усилителя. Затем импульс оптически усиливается и повторно сжимается во времени, образуя короткий локализованный импульс. Вся оптика после этой точки должна быть выбрана с учетом высокой плотности энергии.
В многопроходном усилителе нет оптических переключателей. Вместо этого зеркала направляют луч фиксированное количество раз (два или более) через кристалл титана: сапфира в немного разных направлениях. Импульсный пучок накачки также можно многократно проходить через кристалл, так что кристалл накачивается все больше и больше проходов. Сначала луч накачки накачивает пятно в усиливающей среде. Затем сигнальный луч сначала проходит через центр для максимального усиления, но в последующих проходах диаметр увеличивается, чтобы оставаться ниже порога повреждения, чтобы избежать усиления внешних частей луча, тем самым повышая качество луча и отсекая некоторое усиленное спонтанное излучение. и полностью истощить инверсию в усиливающей среде.
Импульсы усилителей чирпированных импульсов часто преобразуются в волны другой длины с помощью различных нелинейно-оптических процессов.
При 5 мДж за 100 фемтосекунд пиковая мощность такого лазера составляет 50 гигаватт. При фокусировке линзой эти лазерные импульсы ионизируют любой материал, попавший в фокус, включая молекулы воздуха.
Настраиваемые лазеры непрерывного действия
Титан-сапфир особенно подходит для импульсных лазеров, поскольку ультракороткий импульс по своей природе содержит широкий спектр частотных составляющих. Это связано с обратной зависимостью между полосой частот импульса и его длительностью, поскольку они являются сопряженными переменными . Однако при соответствующей конструкции титан-сапфир также может использоваться в лазерах непрерывного действия с чрезвычайно узкой шириной линии, настраиваемой в широком диапазоне.
История и приложения
Ti: сапфировый лазер был изобретен Питером Моултоном в июне 1982 года в лаборатории Линкольна Массачусетского технологического института в его версии для непрерывных волн. Впоследствии было показано, что эти лазеры генерируют ультракороткие импульсы за счет синхронизации мод с помощью линзы Керра . Стрикленд и Муру , в дополнение к другим, работающим в Университете Рочестера , продемонстрировали усиление чирпированного импульса этого лазера в течение нескольких лет, за что эти двое разделили Нобелевскую премию по физике 2018 года (вместе с Артуром Ашкином за оптический пинцет). Совокупный объем продаж титан-сапфирового лазера составил более 600 миллионов долларов, что сделало его большим коммерческим успехом, который поддерживал промышленность твердотельных лазеров на протяжении более трех десятилетий.
Ультракороткие импульсы, генерируемые Ti: сапфировыми лазерами во временной области, соответствуют гребенкам оптических частот с синхронизацией мод в спектральной области. Как временные, так и спектральные свойства этих лазеров делают их очень востребованными для частотной метрологии, спектроскопии или для накачки нелинейно-оптических процессов . Половина Нобелевской премии по физике в 2005 году была присуждена за развитие техники гребенчатой оптической частоты, в которой в значительной степени использовался титан-сапфировый лазер и его свойства самосинхронизации. Варианты этих лазеров с непрерывным излучением могут иметь почти квантово-ограниченные характеристики, что приводит к низкому уровню шума и узкой ширине линии, что делает их привлекательными для экспериментов в квантовой оптике . Пониженный усиленный шум спонтанного излучения в излучении лазеров на сапфировом титане придает большую силу их применению в качестве оптических решеток для работы современных атомных часов. Помимо фундаментальных научных применений в лаборатории, этот лазер нашел применение в биологии, например, в многофотонной визуализации глубоких тканей и в промышленных приложениях для холодной микромеханической обработки . При работе в режиме усиления чирпированных импульсов они могут использоваться для генерации чрезвычайно высоких пиковых мощностей в тераваттном диапазоне, что находит применение в исследованиях ядерного синтеза .