Przestrajalny laser - Tunable laser

Laser barwnikowy CW oparty na rodaminie 6G . Laser barwnikowy jest uważany za pierwszy szeroko przestrajalny laser.

Przestrajalnego lasera jest laserowego , którego długość fali działania może być zmieniany w sposób kontrolowany. Podczas gdy wszystkie nośniki wzmocnienia lasera umożliwiają niewielkie zmiany długości fali wyjściowej, tylko kilka typów laserów umożliwia ciągłe dostrajanie w znacznym zakresie długości fali.

Istnieje wiele rodzajów i kategorii przestrajalnych laserów. Występują w stanie gazowym, ciekłym i stałym. Wśród typów przestrajalnych laserów ekscymerowego , lasery gazowe (takie jak CO ₂ i He-Ne laserów), lasery barwnikowe (stan cieczy i ciała stałego), metal przejściowy lasery półprzewodnikowe , półprzewodnikowych krystaliczne i diody laserów , a laserem na swobodnych elektronów . Lasery przestrajalne znajdują zastosowanie w spektroskopii , fotochemii , rozdzielaniu izotopów za pomocą lasera na parę atomową i komunikacji optycznej .

Rodzaje przestrajania

Strojenie pojedynczej linii

Ponieważ żaden prawdziwy laser nie jest naprawdę monochromatyczny , wszystkie lasery mogą emitować światło w pewnym zakresie częstotliwości, znanym jako szerokość linii przejścia laserowego. W większości laserów ta szerokość linii jest dość wąska (na przykład przejście długości fali 1064 nm w laserze Nd:YAG ma szerokość linii około 120 GHz lub 0,45 nm). Dostrojenie mocy wyjściowej lasera w tym zakresie można osiągnąć poprzez umieszczenie elementów optycznych selektywnych względem długości fali (takich jak etalon ) we wnęce optycznej lasera , aby zapewnić wybór określonego modu podłużnego wnęki.

Strojenie wieloliniowe

Większość nośników wzmocnienia lasera ma pewną liczbę przejściowych długości fal, na których można uzyskać działanie lasera. Na przykład, podobnie jak główna linia wyjściowa 1064 nm, Nd:YAG ma słabsze przejścia przy długościach fal 1052 nm, 1074 nm, 1112 nm, 1319 nm i wielu innych liniach. Zazwyczaj linie te nie działają, dopóki nie zostanie stłumione wzmocnienie najsilniejszego przejścia; np. za pomocą dielektrycznych zwierciadeł selektywnych pod względem długości fali . Jeśli element dyspersyjny , taki jak pryzmat , zostanie wprowadzony do wnęki optycznej, pochylenie zwierciadeł wnęki może spowodować dostrojenie lasera podczas „przeskakiwania” między różnymi liniami lasera. Takie schematy są powszechne w laserach argonowo - jonowych , umożliwiając dostrojenie lasera do szeregu linii od ultrafioletu i niebieskiego do zielonego .

Strojenie wąskopasmowe

W przypadku niektórych typów laserów długość wnęki lasera może być modyfikowana, a tym samym mogą być stale dostrajane w znacznym zakresie długości fal. Lasery półprzewodnikowe z rozproszonym sprzężeniem zwrotnym (DFB) i lasery powierzchniowe z pionową wnęką (VCSEL) wykorzystują struktury okresowego rozproszonego reflektora Bragga (DBR) do tworzenia zwierciadeł wnęki optycznej. W przypadku zmiany temperatury lasera, zmiana wskaźnika struktury DBR powoduje przesunięcie jego szczytowej długości fali odbicia, a tym samym długości fali lasera. Zakres strojenia takich laserów wynosi zwykle kilka nanometrów, do maksymalnie około 6 nm, ponieważ temperatura lasera zmienia się powyżej ~50 K . Z reguły długość fali jest dostrojona o 0,08 nm/K dla laserów DFB pracujących w reżimie długości fali 1550 nm. Takie lasery są powszechnie używane w zastosowaniach komunikacji optycznej, takich jak systemy DWDM, aby umożliwić regulację długości fali sygnału. Aby uzyskać strojenie szerokopasmowe za pomocą tej techniki, niektóre, takie jak Santur Corporation lub Nippon Telegraph and Telephone (NTT Corporation), zawierają szereg takich laserów na jednym chipie i łączą zakresy strojenia.

Szeroko przestrajalne lasery

Typowa dioda laserowa. Po zamontowaniu z zewnętrzną optyką lasery te mogą być strojone głównie w podczerwieni i bliskiej podczerwieni.

Przykładowe lasery z rozproszonym reflektorem Bragga (SG-DBR) mają znacznie większy zakres przestrajania, dzięki zastosowaniu przestrajalnych zwierciadeł Bragga z noniuszem i sekcji fazowej można wybrać jednomodowy zakres wyjściowy >50 nm. Inne technologie pozwalające uzyskać szeroki zakres strojenia dla systemów DWDM to:

• Lasery z wnękami zewnętrznymi wykorzystujące strukturę MEMS do dostrajania długości wnęki, takie jak urządzenia skomercjalizowane przez firmę Iolon .
• Lasery z wnęką zewnętrzną wykorzystujące układy siatek wielopryzmatycznych dla szerokiego zakresu przestrajania
• Macierze laserowe DFB oparte na kilku strojonych termicznie laserach DFB: Zgrubne strojenie uzyskuje się poprzez wybór odpowiedniego paska laserowego. Dostrajanie odbywa się następnie termicznie, tak jak w przypadku urządzeń sprzedawanych przez firmę Santur Corporation .
• Dostrajalny VCSEL: Jeden z dwóch stosów lustrzanych jest ruchomy. Aby uzyskać wystarczającą moc wyjściową ze struktury VCSEL, lasery w domenie 1550 nm są zwykle pompowane optycznie lub mają wbudowany w urządzenie dodatkowy wzmacniacz optyczny.

Od grudnia 2008 roku nie jest już dostępny komercyjnie szeroko dostrajalny VCSEL dla aplikacji systemu DWDM .

Uważa się, że pierwszym laserem na podczerwień o przestrajaniu więcej niż jednej oktawy był laser z kryształem germanu.

Aplikacje

Zakres zastosowań laserów przestrajalnych jest niezwykle szeroki. W połączeniu z odpowiednim filtrem przestrajalne źródło można dostroić w zakresie kilkuset nanometrów z rozdzielczością spektralną, która może wynosić od 4 nm do 0,3 nm, w zależności od zakresu długości fal . Przy wystarczająco dobrej izolacji (>OD4) przestrajalne źródło może być użyte do podstawowych badań absorpcji i fotoluminescencji . Może być stosowany do charakteryzowania ogniw słonecznych w eksperymencie LBIC (ang. Light beam Induced Current), na podstawie którego można mapować zewnętrzną wydajność kwantową (EQE) urządzenia. Może być również stosowany do charakteryzowania nanocząstek złota i jednościennych termostosów z nanorurek węglowych, w których niezbędny jest szeroki zakres przestrajalny od 400 nm do 1000 nm. Źródła przestrajalne zostały ostatnio wykorzystane do opracowania obrazowania hiperspektralnego do wczesnego wykrywania chorób siatkówki, gdzie szeroki zakres długości fal, mała szerokość pasma i znakomita izolacja mają kluczowe znaczenie dla osiągnięcia wydajnego oświetlenia całej siatkówki . Przestrajalne źródło może być potężnym narzędziem do spektroskopii odbiciowej i transmisyjnej , fotobiologii , kalibracji detektora, obrazowania hiperspektralnego i eksperymentu z sondą pompy w stanie ustalonym, by wymienić tylko kilka.

Historia

Pierwszym prawdziwie szeroko przestrajalnym laserem był laser barwnikowy w 1966 r. Hänsch wprowadził pierwszy przestrajalny laser o wąskiej szerokości linii w 1972 r. Lasery barwnikowe i niektóre wibronowe lasery na ciele stałym mają niezwykle duże szerokości pasma, umożliwiając dostrajanie w zakresie od dziesiątek do setek nanometrów . Szafir domieszkowany tytanem jest najpowszechniejszym przestrajalnym laserem na ciele stałym, zdolnym do pracy w zakresie od 670 nm do 1100 nm. Zazwyczaj te systemy laserowe zawierają filtr Lyota we wnęce lasera, który jest obracany w celu dostrojenia lasera. Inne techniki strojenia obejmują siatki dyfrakcyjne, pryzmaty, etalony i ich kombinacje. Układy siatek z wieloma pryzmatami , w kilku konfiguracjach, jak opisał Duarte , są stosowane w laserach diodowych, barwnikowych, gazowych i innych przestrajalnych laserach.

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura

• Koechner, Walter (1988). Inżynieria laserowa na ciele stałym (wyd. 2). Springer-Verlag. Numer ISBN 978-3-540-18747-9.