Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Часть титан-сапфирового генератора. Сапфировое стекло Ti: ярко-красный источник света слева. Зеленый свет от диода накачки.
Правильное название статьи - Ti: сапфировый лазер . Подмена двоеточия обусловлена техническими ограничениями .

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 титан-сапфира были впервые сконструированы и изобретены в июне 1982 года Питером Моултоном в лаборатории Линкольна Массачусетского технологического института . [1]

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). Ti: сапфировые лазеры наиболее эффективно работают на длинах волн около 800 нм.

Типы Ti: сапфировые лазеры [ править ]

Генераторы с синхронизацией мод [ править ]

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 или Nd: YVO4- лазера с удвоенной частотой . Обычно такой генератор имеет среднюю выходную мощность от 0,4 до 2,5 Вт .

Усилители чирпированных импульсов [ править ]

Основная статья: усиление 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 следования до 10 Гц. Обычно кристаллы усилителей накачиваются импульсным лазером Nd: YLF 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 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 импульсами компонентов лазера. 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 прокачивает 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 устранить инверсию в усиливающей среде.

Импульсы от 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. [2] При фокусировании линзой эти лазерные импульсы ионизируют любой материал, попавший в фокус, включая молекулы воздуха. [ необходима цитата ]

Настраиваемые лазеры непрерывного действия [ править ]

Титан-сапфир особенно подходит для импульсных лазеров, поскольку ультракороткий импульс по своей природе содержит широкий спектр частотных составляющих. Это связано с обратной зависимостью между шириной полосы 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 [ править ]

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 . [3] Стрикленд и Муру , в дополнение к другим, работая в Университете Рочестера , продемонстрировали усиление чирпированного импульса этого лазера в течение нескольких лет [4], за что эти двое разделили Нобелевскую премию по физике 2018 года [5] ( вместе с Артуром Ашкинымдля оптического пинцета). Совокупный объем продаж Ti: сапфирового лазера составил более 600 миллионов долларов, что сделало его большим коммерческим успехом, который поддерживал промышленность твердотельных лазеров на протяжении более трех десятилетий. [6]

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 желательными для частотной метрологии, спектроскопии или для накачки нелинейных оптических процессов . Половина Нобелевской премии по физике в 2005 г. была присуждена за разработку техники гребенчатой ​​оптической частоты, в которой в значительной степени использовался титан-сапфировый лазер и его свойства самосинхронизации. [7] [8] [9] Версии этих лазеров с непрерывным излучением могут быть разработаны так, чтобы иметь почти квантово-ограниченные характеристики, что приводит к низкому уровню шума и узкой ширине линии, что делает их привлекательными дляквантово-оптические эксперименты. [10] Пониженный усиленный шум спонтанного излучения в излучении Ti: сапфировых лазеров 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 .

Ссылки [ править ]

  1. Перейти ↑ Moulton, PF (1986). «Спектроскопические и лазерные характеристики Ti: Al_2O_3». Журнал Оптического общества Америки B . 3 (1): 125–133. Bibcode : 1986JOSAB ... 3..125M . DOI : 10.1364 / JOSAB.3.000125 .
  2. ^ Эрни, Кристиан; Хаури, Кристоф П. (2013). «Разработка эффективной одноступенчатой ​​генерации разностной частоты чирпированных импульсов на длине волны 7 мкм, управляемой двухволновым Ti: сапфировым лазером». В прикладной физике . 117 (1): 379–387. arXiv : 1311.0610 . Bibcode : 2014ApPhB.117..379E . DOI : 10.1007 / s00340-014-5846-6 .
  3. ^ Спенс, Делавэр; Кин, ПН; Сиббетт, W. (1991-01-01). «Генерация импульса длительностью 60 фс от Ti: сапфирового лазера с автосинхронизацией мод» . Письма об оптике . 16 (1): 42–44. Bibcode : 1991OptL ... 16 ... 42S . CiteSeerX 10.1.1.463.8656 . DOI : 10.1364 / OL.16.000042 . ISSN 1539-4794 .  
  4. ^ Стрикленд, Донна; Муру, Жерар (1985-10-15). «Сжатие усиленных чирпированных оптических импульсов». Оптика Коммуникации . 55 (6): 447–449. Bibcode : 1985OptCo..55..447S . DOI : 10.1016 / 0030-4018 (85) 90151-8 .
  5. ^ «Нобелевская премия по физике 2018» . www.nobelprize.org . Проверено 2 октября 2018 .
  6. ^ "Питер Моултон о титан-сапфировом лазере. Титан-сапфировый лазер с момента своего появления в 1982 году получил широкое распространение и новые приложения в биологических исследованиях и других областях" . spie.org . Проверено 2 ноября 2017 .
  7. ^ Хэнш, Theodor W. (2006). «Нобелевская лекция: Страсть к точности» . Обзоры современной физики . 78 (4): 1297–1309. Bibcode : 2006RvMP ... 78.1297H . DOI : 10.1103 / RevModPhys.78.1297 .
  8. ^ Холл, Джон Л. (2006). «Нобелевская лекция: Определение и измерение оптических частот» . Обзоры современной физики . 78 (4): 1279–1295. Bibcode : 2006RvMP ... 78.1279H . DOI : 10.1103 / RevModPhys.78.1279 .
  9. ^ "Нобелевская премия по физике 2005" . www.nobelprize.org . Проверено 2 ноября 2017 .
  10. ^ Медейрус де Араужо, R. (2014). «Полная характеристика сильно многомодового запутанного состояния, встроенного в оптическую частотную гребенку с использованием формирования импульса». Physical Review . 89 (5): 053828. arXiv : 1401.4867 . Bibcode : 2014PhRvA..89e3828M . DOI : 10.1103 / PhysRevA.89.053828 .

Внешние ссылки [ править ]

  • Энциклопедия лазерной физики и техники по титан-сапфировым лазерам