Введение

Настраиваемый лазер – это лазер, длина волны излучения которого может изменяться контролируемым образом. Хотя все лазерные среды допускают небольшие сдвиги выходной длины волны, лишь некоторые типы лазеров позволяют непрерывную настройку в значительном диапазоне длин волн. Существует множество типов и категорий настраиваемых лазеров. Они представлены в газообразном, жидком и твердотельном состояниях. К типам настраиваемых лазеров относятся эксимерные лазеры, газовые лазеры (такие как CO2 и He-Ne лазеры), лазеры на красителях (жидкие и твердотельные), твердотельные лазеры на переходных металлах, полупроводниковые кристаллические и диодные лазеры, а также лазеры на свободных электронах. Настраиваемые лазеры находят применение в спектроскопии, фотохимии, атомно-паровом лазерном разделении изотопов и оптической связи.

Однолинейная настройка

Поскольку ни один реальный лазер не является идеально монохроматическим, все лазеры способны излучать свет в определенном диапазоне частот, который называется шириной линии лазерного перехода. В большинстве лазеров эта ширина линии достаточно узкая (например, переход с длиной волны в нм у Nd:YAG лазера имеет ширину линии приблизительно 120 ГГц, или 0,45 нм). Настройка выходного излучения лазера в этом диапазоне может быть достигнута путем введения в оптический резонатор лазера оптических элементов, селективных по длине волны (таких как эталон), для обеспечения выбора конкретного продольного мода резонатора.

Многолинейная настройка

Большинство лазерных сред обладают рядом длин волн перехода, на которых возможно получение лазерного излучения. Например, помимо основной выходной линии на nm, Nd:YAG имеет более слабые переходы на длинах волн nm, nm, nm, nm и ряд других линий. Обычно эти линии не генерируют излучение, пока усиление на наиболее сильном переходе не будет подавлено, например, с помощью диэлектрических зеркал с селективной длиной волны. Если в оптический резонатор ввести диспергирующий элемент, такой как призма, то наклон зеркал резонатора может привести к перестройке лазера при его "переключении" между различными лазерными линиями. Такие схемы широко используются в аргон-ионных лазерах, позволяя настраивать лазер на множество линий в диапазоне длин волн от ультрафиолетового и синего до зеленого.

Узкополосная настройка

Для некоторых типов лазеров длину резонатора можно изменять, что позволяет непрерывно перестраивать их на значительном диапазоне длин волн. Полупроводниковые лазеры с распределенной обратной связью (DFB) и лазеры с вертикальным излучением из поверхности резонатора (VCSEL) используют периодические распределенные структуры отражателя Брэгга (DBR) для формирования зеркал оптического резонатора. При изменении температуры лазера изменение показателя преломления структуры DBR вызывает сдвиг пиковой отражающей длины волны и, следовательно, длины волны лазера. Диапазон перестройки таких лазеров обычно составляет несколько нанометров, максимум около 6 нм при изменении температуры лазера примерно на 50 К. Как эмпирическое правило, длина волны перестраивается на 0,08 нм/К для DFB-лазеров, работающих в диапазоне длин волн 1550 нм. Такие лазеры широко используются в системах оптической связи, например в системах DWDM, для регулировки длины волны сигнала. Для достижения широкополосной перестройки с использованием этой технологии некоторые компании, такие как Santur Corporation или Nippon Telegraph and Telephone (NTT Corporation), размещают на одном кристалле массив таких лазеров и объединяют диапазоны их перестройки.

Приложения

Диапазон применения лазеров с перестраиваемой длиной волны чрезвычайно широк. В сочетании с подходящим фильтром перестраиваемый источник может быть настроен в диапазоне нескольких сотен нанометров со спектральным разрешением от 4 нм до 0,3 нм, в зависимости от диапазона длин волн. При достаточной изоляции (>OD4) перестраиваемый источник может использоваться для базовых исследований по абсорбции и фотолюминесценции. Его можно применять для характеризации солнечных элементов в эксперименте с индуцированным световым пучком током (LBIC), позволяющем отобразить внешнюю квантовую эффективность (EQE) устройства. Он также подходит для характеризации наночастиц золота и термоэлементов из одностенных углеродных нанотрубок, где требуется широкий диапазон перестройки от 400 нм до… нм. Недавно перестраиваемые источники применялись при разработке гиперспектральной визуализации для раннего выявления заболеваний сетчатки, где широкий диапазон длин волн, малая полоса пропускания и высокая изоляция критически важны для эффективного освещения всей сетчатки. Перестраиваемый источник может быть мощным инструментом для спектроскопии отражения и пропускания, фотобиологии, калибровки детекторов, гиперспектральной визуализации и экспериментов типа накачка-зонд в стационарном режиме, и это лишь некоторые примеры.

История

Первым действительно широко настраиваемым лазером был лазер на красителях в 1966 году. Хенш представил первый лазер с узкой шириной спектральной линии в 1972 году. Лазеры на красителях и некоторые вибронические твердотельные лазеры обладают чрезвычайно большой полосой пропускания, что позволяет настраивать их в диапазоне от десятков до сотен нанометров. Сапфир, легированный титаном, является наиболее распространенным настраиваемым твердотельным лазером, способным к генерации в диапазоне длин волн от 670 нм до нм. Обычно в таких лазерных системах в резонатор встраивается фильтр Лио, который вращается для настройки длины волны лазера. Другие методы настройки включают дифракционные решетки, призмы, эталоны и их комбинации. Многопризменные решетчатые системы, в различных конфигурациях, как описано Дуарте, используются в диодных, лазерных на красителях, газовых и других настраиваемых лазерах.