เลเซอร์จำนวนมากอนุญาตให้ผู้ปฏิบัติงานปรับแต่งหรือเปลี่ยนความยาวคลื่นเอาต์พุตในช่วง UV เป็นช่วงความยาวคลื่น IR ตามที่ต้องการ จากการอภิปรายก่อนหน้านี้ของเราเกี่ยวกับวิธีการใช้เลเซอร์ที่ปรับได้บทความนี้จะหารือในรายละเอียดประเภทและแอพพลิเคชั่นของเลเซอร์ที่ปรับได้
แอพพลิเคชั่นที่ใช้เลเซอร์ที่ปรับได้โดยทั่วไปจะอยู่ในสองหมวดหมู่กว้าง: แอลเซอร์ที่มีความยาวคลื่นคงที่เดียวหรือหลายบรรทัดไม่สามารถให้ความยาวคลื่นหรือความยาวคลื่นที่ต้องการได้และความยาวคลื่นที่ต้องการความยาวคลื่นเลเซอร์อย่างต่อเนื่องในระหว่างการทดลองหรือการทดสอบเช่นใน Spectroscopy
เลเซอร์ที่ปรับได้หลายประเภทมีความสามารถในการผลิตคลื่นต่อเนื่อง (CW), นาโนวินาที, picosecond หรือ femtosecond พัลส์เอาท์พุท ลักษณะการส่งออกของพวกเขาจะถูกกำหนดโดยตัวกลางที่ได้รับเลเซอร์ที่ใช้
ข้อกำหนดพื้นฐานสำหรับเลเซอร์ที่ปรับได้คือพวกเขาสามารถเปล่งแสงเลเซอร์ในช่วงความยาวคลื่นที่หลากหลาย เลนส์พิเศษสามารถใช้ในการเลือกความยาวคลื่นเฉพาะหรือแถบความยาวคลื่นจากแถบการปล่อยของเลเซอร์ที่ปรับได้
มีวัสดุที่ได้รับความหลากหลายที่สามารถผลิตเลเซอร์ที่ปรับได้ซึ่งพบได้บ่อยที่สุดคือสีย้อมอินทรีย์และคริสตัลแซฟไฟร์ไทเทเนียม (TI: ไพลิน) ในกรณีของวัสดุที่ได้รับทั้งสองนี้เลเซอร์อาร์กอนไอออน (AR+) หรือนีโอไดเมียมไอออน (ND 3+) ใช้เลเซอร์เป็นแหล่งปั๊มเนื่องจากการดูดซับแสงปั๊มที่มีประสิทธิภาพประมาณ 490 นาโนเมตร
โมเลกุลสีย้อมสามารถใช้ในการผลิตความยาวคลื่นในช่วงอัลตราไวโอเลตจนถึงช่วงที่มองเห็นได้ (UV-Vis) อย่างไรก็ตามการสลับระหว่างโมเลกุลสีย้อมที่แตกต่างกันเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อให้ได้ช่วงการปรับแต่งที่กว้างทำให้กระบวนการค่อนข้างยุ่งยากและซับซ้อน ในทางตรงกันข้ามเลเซอร์โซลิดสเตตสามารถบรรลุช่วงการปรับจูนที่กว้างโดยใช้วัสดุเกนเลเซอร์เดียว (เช่นคริสตัลอิเล็กทริก) ซึ่งไม่จำเป็นต้องมีการเปลี่ยนแปลงสีย้อมบ่อยครั้ง
ปัจจุบัน Titanium Sapphire ได้กลายเป็นวัสดุเกนเลเซอร์ที่ปรับได้หลักโดยมีสเปกตรัมการปล่อยก๊าซในวงกว้าง 680 ถึง 1100 นาโนเมตรซึ่งสามารถปรับได้อย่างต่อเนื่องและเอาต์พุตที่สามารถเปลี่ยนไปยังช่วงสเปกตรัม UV-vis คุณสมบัติเหล่านี้ช่วยให้การใช้งานที่หลากหลายในวิชาเคมีและชีววิทยา
เลเซอร์คลื่นยืน CW ที่ปรับได้
แนวคิดเลเซอร์คลื่นยืน CW เป็นสถาปัตยกรรมเลเซอร์ที่ง่ายที่สุด มันประกอบด้วยกระจกสะท้อนแสงสูง, รับสื่อและกระจกเอาต์พุต (ดูรูปที่ 1) ซึ่งให้เอาต์พุต CW โดยใช้สื่อการรับเลเซอร์ที่หลากหลาย เพื่อให้บรรลุความสามารถในการปรับแต่งต้องเลือกสื่อ Gain เพื่อให้ครอบคลุมช่วงความยาวคลื่นเป้าหมาย
รูปที่ 1: แผนผังของเลเซอร์คลื่น CW ที่ใช้ไทเทเนียมแซฟไฟร์ ตัวกรองการปรับจูน birefringent จะปรากฏขึ้น
สีย้อมฟลูออเรสเซนต์จำนวนมากสามารถใช้ในการปรับความยาวคลื่นเลเซอร์ในช่วงที่ต้องการ ข้อได้เปรียบหลักของเลเซอร์สีย้อมคือความสามารถในการครอบคลุมความยาวคลื่นที่หลากหลายในแถบ UV-Vis แต่ข้อเสียคือการใช้สีย้อม/ตัวทำละลายเดี่ยวให้ความสามารถในการปรับความยาวคลื่นแคบ ในทางตรงกันข้ามเลเซอร์ไทเทเนียมของโซลิดสเตตแซฟไฟร์มีข้อได้เปรียบในการให้ช่วงการปรับความยาวคลื่นที่กว้างโดยใช้สื่อการรับเพียงครั้งเดียว แต่มีข้อเสียของการทำงานในแถบใกล้อินฟราเรด (NIR) จาก 690 ถึง 1100 นาโนเมตร
สำหรับสื่อ Gain ทั้งสองการปรับความยาวคลื่นสามารถทำได้โดยองค์ประกอบการทำให้เสถียรของความยาวคลื่นแบบพาสซีฟ อย่างแรกคือตัวกรอง birefringent multi-plate หรือตัวกรอง Lyot ตัวกรองนี้จะปรับเพิ่มกำไรโดยการส่งสัญญาณสูงที่ความยาวคลื่นเฉพาะดังนั้นจึงบังคับให้เลเซอร์ทำงานที่ความยาวคลื่นนั้น
การปรับแต่งทำได้โดยการหมุนตัวกรอง birefringent นี้ แม้ว่าจะง่าย แต่เลเซอร์คลื่นยืน CW ก็อนุญาตให้ใช้โหมดเลเซอร์ตามยาวหลายโหมด สิ่งนี้ผลิต linewidth ประมาณ 40 GHz เต็มความกว้างครึ่งความสูง (<1.5 cm-1), which can be a limiting factor for some applications such as Raman spectroscopy. To achieve narrower linewidths, a ring configuration is required.
เลเซอร์แหวน CW ที่ปรับได้
ตั้งแต่ต้นทศวรรษ 1980 เลเซอร์แหวนถูกนำมาใช้เพื่อให้ได้เอาต์พุต CW ที่ปรับได้ผ่านโหมดยาวเดี่ยวที่มีแบนด์วิดท์สเปกตรัมในช่วงกิโลเฮิร์ตซ์ เช่นเดียวกับเลเซอร์คลื่นยืนเลเซอร์แหวนที่ปรับได้สามารถใช้สีย้อมและไทเทเนียมแซฟไฟร์เป็นสื่อได้รับ สีย้อมมีความสามารถในการจัดหา linewidths ที่แคบมาก<100 kHz, while titanium sapphire provides linewidths of <30 kHz. Dye lasers have a tuning range of 550 to 760 nm and titanium sapphire lasers have a tuning range of 680 to 1035 nm, and the outputs of both lasers can be frequency-doubled to the UV band.
ตามหลักการความไม่แน่นอนของไฮเซนเบิร์กเมื่อคำจำกัดความของพลังงานมีความแม่นยำมากขึ้นความกว้างของชีพจรที่สามารถกำหนดได้จะมีความแม่นยำน้อยลง สำหรับเลเซอร์คลื่นยืน CW ความยาวของโพรงจะกำหนดปริมาณพลังงานที่อนุญาตให้เป็นโหมดตามยาวที่ไม่ต่อเนื่อง เมื่อความยาวของโพรงสั้นกว่าจำนวนโหมดตามยาวที่อนุญาตจะเพิ่มขึ้นส่งผลให้ขนาดที่กว้างขึ้น
ในการกำหนดค่าวงแหวนโพรงเลเซอร์ถือได้ว่าเป็นโพรงที่ยาวอย่างไม่สิ้นสุดและสามารถกำหนดพลังงานได้อย่างแม่นยำ มีเพียงโหมดตามยาวเพียงโหมดเดียวที่มีอยู่ในโพรง เพื่อให้ได้สภาพการทำงานแบบโหมดเดี่ยวจำเป็นต้องมีองค์ประกอบทางแสงหลายอย่างโดยเฉพาะ (ดูรูปที่ 2)
รูปที่ 2: เลย์เอาต์ออปติคัลของเลเซอร์ไทเทเนียมรูปวงแหวนที่มีโพรงอ้างอิงภายนอก
อย่างแรกตัวแยกฟาราเดย์จะถูกแทรกเข้าไปในโพรงเพื่อให้แน่ใจว่าโฟตอนใน intracavity จะทำตามเส้นทางเดียวกันเสมอ การติดตั้งที่เป็นมาตรฐานใน intracavity ใช้เพื่อลดการส่งออก linewidth ซึ่งแตกต่างจากโพรงเลเซอร์คลื่นยืนไม่มีกระจกท้ายในการกำหนดค่าวงแหวน โฟตอนหมุนเวียนอย่างต่อเนื่องภายในโพรงเลเซอร์ ประการที่สองความยาวของโพรงจะต้องมีความเสถียรเพื่อแก้ไขสำหรับการเปลี่ยนแปลงทางกลไกใด ๆ ที่เกิดจากความผันผวนของสิ่งแวดล้อมเช่นความร้อนหรือการสั่นสะเทือน
เพื่อให้ได้แบนด์วิดธ์สเปกตรัมอัลตร้า-นาร์โรว์โพรงสามารถเสถียรโดยใช้หนึ่งในสองวิธี: วิธีหนึ่งใช้กระจกกลไกที่ขับเคลื่อนด้วยเครื่องจักรกลเพื่อรักษาเสถียรภาพความยาวของโพรงกับช่วงเวลาตอบสนองในระยะทางกิโลเฮิร์ตซ์ การตั้งค่าในห้องปฏิบัติการพิเศษหลายแห่งแสดงให้เห็นว่าสามารถวัดแบนด์วิดธ์สเปกตรัมได้ใน Hertz ปัจจัยสำคัญในการกำหนดความละเอียดสเปกตรัมของโพรงแหวนคือช่องอ้างอิงความถี่ภายนอก ดังที่แสดงในรูปที่ 2 โพรงอ้างอิงจะใช้เพื่อสร้างสัญญาณที่จำเป็นในการรักษาเสถียรภาพความยาวของโพรงเลเซอร์ โพรงอ้างอิงภายนอกนี้จะต้องแยกออกจากความผันผวนของสิ่งแวดล้อมที่เกิดจากอุณหภูมิการสั่นสะเทือนเชิงกลและเสียงอคูสติก โพรงอ้างอิงควรแยกออกจากโพรงเลเซอร์แหวนอย่างดีเพื่อหลีกเลี่ยงการมีเพศสัมพันธ์โดยไม่ได้ตั้งใจระหว่างทั้งสอง สัญญาณอ้างอิงจะถูกประมวลผลโดยใช้วิธีปอนด์-เดรเวอร์ฮอล
เลเซอร์เสมือนกึ่งล็อคโหมด
สำหรับแอพพลิเคชั่นจำนวนมากลักษณะทางโลกที่กำหนดไว้อย่างแม่นยำของเอาท์พุทเลเซอร์มีความสำคัญมากกว่าพลังงานที่กำหนดไว้อย่างแม่นยำ ในความเป็นจริงการบรรลุพัลส์ออพติคอลสั้นต้องใช้การกำหนดค่าโพรงซึ่งโหมดยาวหลายโหมดดังก้องไปพร้อม ๆ กัน เมื่อโหมดระยะยาวเหล่านี้มีความสัมพันธ์เฟสคงที่ภายในโพรงเลเซอร์เลเซอร์จะถูกล็อคโหมด สิ่งนี้จะตระหนักถึงการสั่นของชีพจรเดียวภายในโพรงโดยมีระยะเวลาที่กำหนดโดยความยาวโพรงเลเซอร์
การล็อคโหมดที่ใช้งานอยู่สามารถทำได้โดยใช้โมดูเลเตอร์อะคูสติก-ออปติก (AOM) หรือการล็อคโหมดพาสซีฟผ่านเลนส์ Kerr อดีตซึ่งกลายเป็นที่นิยมมากขึ้นในปี 1980 ใช้ประโยชน์จาก intracavity AOM เป็นชัตเตอร์ชั่วคราวที่เปิดและปิดครึ่งความถี่ของความยาวของโพรง พัลส์ของ picoseconds หลายร้อยสามารถทำได้โดยใช้วิธีนี้ ในช่วงไม่กี่ทศวรรษที่ผ่านมาการใช้งานทางวิทยาศาสตร์จำเป็นต้องมีการปรับปรุงความละเอียดทางโลกและพัลส์ที่สั้นกว่า
เลเซอร์สีย้อมที่ปั๊มแบบซิงโครนัสให้วิธีการที่ทำงานได้สำหรับการปรับความยาวคลื่นกลางและทำให้พัลส์ออพติคอลสั้นลงตามลำดับของขนาด (ถึง picoseconds หลายสิบ) เพื่อให้บรรลุสิ่งนี้โพรงเลเซอร์สีย้อมจะต้องมีความยาวของโพรงเดียวกันกับเลเซอร์ปั๊มที่ล็อคโหมด พัลส์ปั๊มและสีย้อมพัลส์พบกันที่ Gain Medium เพื่อผลิตรังสีที่ตื่นเต้นจากโมเลกุลสีย้อม เอาต์พุตเลเซอร์มีความเสถียรโดยการปรับความยาวโพรงเลเซอร์สีย้อม การกำหนดค่าการสูบน้ำแบบซิงโครไนซ์ยังสามารถใช้ในการขับเคลื่อนออสติ้งออสตริกออสซิลเลเตอร์ (OPOs) (กล่าวถึงด้านล่าง)
เลเซอร์ที่ล็อคโหมดไทเทเนียมแซฟไฟร์เป็นตัวอย่างของการล็อคโหมดเลนส์เคอร์แบบพาสซีฟ (ดูรูปที่ 3) ในวิธีการนี้พัลส์จะถูกสร้างขึ้นโดยการปรับอัตราขยายและดัชนีการหักเหของไทเทเนียมแซฟไฟร์ขึ้นอยู่กับความเข้ม
โดยหลักการแล้วเมื่อพัลส์แพร่กระจายผ่านตัวกลางที่ได้รับความเข้มสูงสุดจะสูงขึ้นเมื่อมีชีพจร สิ่งนี้จะสร้างเลนส์แบบพาสซีฟที่มุ่งเน้นลำแสงชีพจรให้แน่นขึ้นและสกัดกำไรได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นจนกว่าจะไม่มีกำไรที่จะรองรับเสียงสะท้อนพร้อมกันของโหมด CW ในโพรง การก่อกวนเชิงกลไปยังโพรงถูกนำมาใช้เพื่อชักนำให้เกิดความเข้มแหลมเพื่อเริ่มการล็อคโหมด วิธีการนี้อนุญาตให้ไทเทเนียมแซฟไฟร์ผลิตพัลส์สั้นถึง 4 fs
รูปที่ 3: ในเลเซอร์ไทเทเนียมแซฟไฟร์ที่ล็อคโหมดล็อคความยาวคลื่นกลางจะถูกปรับโดยการเคลื่อนย้ายร่องปรับที่อยู่ระหว่างปริซึมสองแบบกระจาย
เป็นที่น่าสังเกตว่าแบนด์วิดท์มากกว่า 300 นาโนเมตรสามารถรวมกันเป็นชีพจรเดียว ตามหลักการความไม่แน่นอนของไฮเซนเบิร์กพัลส์ที่สั้นกว่าต้องการโหมดยาวมากขึ้น ดังนั้นโพรงเลเซอร์จะต้องมีการชดเชยการกระจายตัวที่เพียงพอจากเลนส์โพรงเพื่อรักษาความสัมพันธ์เฟสที่จำเป็นสำหรับการล็อคโหมดที่มั่นคง ดังที่แสดงในรูปที่ 3 การชดเชยปริซึมจะถูกเพิ่มเข้าไปในโพรงเพื่อให้แน่ใจว่ามีความสัมพันธ์เฟสคงที่ สามารถใช้วิธีนี้พัลส์สั้นที่สุดเท่าที่ 20 Fs ในการผลิตพัลส์ที่สั้นกว่าการกระจายตัวของคำสั่งซื้อที่สูงขึ้นจะต้องได้รับการชดเชย การชดเชยนี้ทำได้โดยใช้เลนส์เจี๊ยบออปติคัลเพื่อรักษาความสัมพันธ์เฟสที่จำเป็นสำหรับการล็อคโหมดที่มั่นคง
เนื่องจากการล็อคโหมดเลนส์ chirped มีประสิทธิภาพมากที่สุดกับพัลส์ที่สั้นกว่า (ความเข้มสูงกว่า) วิธีนี้จึงเหมาะสำหรับการสร้างพัลส์ femtosecond ในช่วง 100 fs ~ 100 ps สามารถใช้วิธีการไฮบริดที่เรียกว่าการล็อคโหมดการปฏิรูป วิธีนี้ใช้ Intracavity AOM และ Kerr Effect ความถี่ของไดรฟ์ AOM นั้นมาจากการวัดแบบเรียลไทม์ของความถี่การทำซ้ำโพรงและแอมพลิจูดของมันขึ้นอยู่กับระยะเวลาของพัลส์ เมื่อความกว้างของพัลส์ที่ต้องการเพิ่มขึ้นและเอฟเฟกต์เคอร์ลดลงแอมพลิจูด AOM ที่เสถียรจะเพิ่มขึ้นเพื่อรองรับการล็อคโหมด เป็นผลให้การล็อคโหมดการปฏิรูปสามารถให้เอาต์พุตที่มีความเสถียรและปรับได้ในช่วงกว้าง 20 Fs ถึง 300 ps โดยใช้ระบบเลเซอร์เดียว
ในช่วงปลายทศวรรษ 1990 การล็อคโหมดการปฏิรูปเปิดใช้งานเลเซอร์ไทเทเนียมที่ควบคุมได้แบบครบวงจรครั้งแรก นวัตกรรมนี้ทำให้เทคโนโลยีเข้าถึงได้ง่ายขึ้นสำหรับนักวิจัยและแอพพลิเคชั่นที่หลากหลาย ความก้าวหน้าในการถ่ายภาพหลายชั่วโมงได้รับแรงผลักดันส่วนใหญ่โดยความก้าวหน้าทางเทคโนโลยี พัลส์เลเซอร์ Femtosecond มีให้บริการสำหรับนักชีววิทยานักประสาทวิทยาและแพทย์ มีความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีจำนวนมากในช่วงหลายปีที่ผ่านมาซึ่งนำไปสู่การใช้เลเซอร์ไทเทเนียมแซฟไฟร์ทั่วไปในการสร้างชีวภาพ
เลเซอร์ Ytterbium ที่เร็วมาก
แม้จะมีการใช้ประโยชน์จากเลเซอร์ไทเทเนียมแซฟไฟร์ในวงกว้าง กระบวนการดูดซับแบบสองโฟตอนทั่วไปตื่นเต้นกับโฟตอนที่ความยาวคลื่น 900 นาโนเมตร เนื่องจากความยาวคลื่นที่ยาวขึ้นหมายถึงการกระเจิงน้อยลงความยาวคลื่นการกระตุ้นที่ยาวขึ้นสามารถขับเคลื่อนการทดลองทางชีวภาพได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นซึ่งต้องใช้ความลึกการถ่ายภาพที่ลึกกว่า
นอกจากนี้ยังเป็นสิ่งสำคัญที่จะต้องพิจารณาความยาวคลื่นของโฟตอนฟลูออเรสเซนต์ที่ตามมาของสีย้อมที่ติดอยู่กับตัวอย่างชีวภาพ ความยาวคลื่นของโฟตอนฟลูออเรสเซนต์ดังกล่าวมักจะอยู่ในแถบ 450 ถึง 550 นาโนเมตรซึ่งมีความไวต่อการกระเจิงมากขึ้น ดังนั้นเครื่องหมายเรืองแสงหลายตัวได้รับการพัฒนาซึ่งดูดซับความยาวคลื่นอินฟราเรดอย่างต่อเนื่อง เพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดนี้อุตสาหกรรมได้พัฒนา OPO แบบครบวงจรที่ควบคุมด้วยคอมพิวเตอร์และแบบซิงโครนัสซึ่งขับเคลื่อนด้วยเลเซอร์ Ytterbium 1045 นาโนเมตรพร้อมความยาวคลื่นเอาท์พุทในช่วง 680 ถึง 1300 นาโนเมตร สำหรับการถ่ายภาพแบบหลายชั่วโมงสถาปัตยกรรมนี้มีทางเลือกที่มีประสิทธิภาพสูงกว่าอย่างมีนัยสำคัญสำหรับเลเซอร์ไทเทเนียมแซฟไฟร์
แอมพลิฟายเออร์
ตัวอย่างข้างต้นผลิตพัลส์ที่เร็วมากในช่วงพลังงาน Nano-Joule (NJ) อย่างไรก็ตามแอปพลิเคชันจำนวนมากต้องการแหล่งกำเนิดแสงที่ปรับได้สูงกว่า เนื่องจากการแปลงความยาวคลื่นเป็นกระบวนการไม่เชิงเส้นประสิทธิภาพจึงขึ้นอยู่กับพลังงานที่มีอยู่ สำหรับแอพพลิเคชั่นเหล่านี้สามารถใช้เทคนิคต่าง ๆ เพื่อเพิ่มพลังงานและความสามารถในการปรับแต่งของเลเซอร์ที่เร็วมาก
การขยายของพัลส์ที่เร็วมากสามารถแบ่งออกเป็นสองประเภทหลัก: การขยายแบบหลายขั้นตอนและการขยายการปฏิรูป อดีตมีข้อได้เปรียบที่พลังงานที่สูงมาก (100 MJ) สามารถทำได้ด้วยอินพุตที่ต่ำมาก แต่ผ่านขั้นตอนการขยายซ้ำซ้ำ ๆ ลดคุณภาพของลำแสงเอาท์พุท ดังนั้นการขยายการปฏิรูปจึงเป็นวิธีที่ต้องการสำหรับการสร้างพลังงานพัลส์ในระดับ microjoule (µJ) หรือ millijoule (MJ)
โดยทั่วไปแล้วการขยายพัลส์แบบเร็วเกินไปทำได้โดยวิธีการขยายพัลส์พัลส์ (ดูรูปที่ 4) กระบวนการเริ่มต้นด้วยออสซิลเลเตอร์ที่ล็อคโหมดที่มีระยะเวลาการเต้นของชีพจร femtosecond เช่นเลเซอร์เมล็ด มันเป็นสิ่งสำคัญสำหรับเลเซอร์เมล็ดที่จะมีแบนด์วิดท์เพียงพอเพื่อให้ระยะเวลาชีพจรสามารถยืดหรือร้องเจี๊ยก ๆ ได้ในเวลา เสียงร้องเจี๊ยก ๆ เกิดขึ้นเนื่องจากสีที่แตกต่างกันของแสงเดินทางผ่านวัสดุออพติคอลด้วยความเร็วที่แตกต่างกัน โดยทั่วไปแสงสีแดงจะเดินทางเร็วกว่าแสงสีน้ำเงิน ตัวอย่างเช่นตะแกรงที่กว้างขึ้นจะแนะนำแสงสีแดงร้องในเชิงบวกก่อนแสงสีน้ำเงินเพื่อแยกส่วนประกอบความยาวคลื่นในเวลาและพื้นที่ การขยายพัลส์เป็นสิ่งจำเป็นเพื่อลดพลังสูงสุดที่แข็งแกร่งของพัลส์ femtosecond ขนาด millijoule หลังจากขยายพัลส์เกือบ 300 PS จะถูกนำไปยังโพรงเลเซอร์ใหม่ขั้นที่สอง ขั้นตอนสุดท้ายคือการใช้ตะแกรงที่สองเพื่อแนะนำเสียงร้องเจือปนเชิงลบและสร้างพัลส์ที่ขยายออก กระบวนการทั้งหมดแสดงในรูปที่ 4
รูปที่ 4: การขยายพัลส์
วันนี้แอมพลิฟายเออร์ที่ปฏิรูปส่วนใหญ่ใช้ไทเทเนียมไพลิน แต่สื่อ Gain อื่น ๆ (เช่น Ytterbium) กำลังได้รับความนิยมมากขึ้นเรื่อย ๆ ด้วยสื่อที่ได้รับทั้งสองเครื่องขยายเสียงมีความสามารถในการปรับแต่งค่อนข้างแคบโดยมีไทเทเนียมแซฟไฟร์มีช่วงการปรับจูนประมาณ 780 ถึง 820 นาโนเมตรซึ่ง จำกัด ประโยชน์ในการใช้งานสเปกโทรสโกปี เพื่อเอาชนะข้อ จำกัด นี้มีวิธีการแปลงความถี่หลายอย่าง
การแปลงความถี่ฮาร์มอนิกเป็นวิธีที่ง่ายที่สุดในการปรับความยาวคลื่นของออสซิลเลเตอร์ที่เร็วมากหรือระบบแอมพลิฟายเออร์ Ultrafast โดยหลักการแล้วโฟตอนของเหตุการณ์จะถูกยกขึ้นเป็นจำนวนเต็มของความถี่พื้นฐาน สำหรับไทเทเนียมแซฟไฟร์ (ช่วงการปรับแต่งพื้นฐาน 700 ~ 1,000 นาโนเมตร) ช่วงการปรับค่าของฮาร์มอนิกที่สองคือ 350 ~ 500 นาโนเมตรฮาร์มอนิกที่สามคือ 233 ~ 333 นาโนเมตรและฮาร์มอนิกที่สี่คือ 175 ~ 250 นาโนเมตร ในทางปฏิบัติเนื่องจากการดูดซึมโดยคริสตัลฮาร์มอนิกการปรับฮาร์มอนิกที่สี่นั้น จำกัด อยู่ที่ 200 นาโนเมตร สำหรับแอปพลิเคชันที่ต้องใช้ความยาวคลื่นนอกช่วงนี้พารามิเตอร์สำหรับแอปพลิเคชันที่ต้องการความยาวคลื่นเกินช่วงนี้จำเป็นต้องมีตัวเลือกการแปลงพารามิเตอร์
OPO และ OPA ที่เร็วมาก
แม้ว่าเอาต์พุตพัลส์ที่เร็วมากสามารถคูณหรือเพิ่มขึ้นเป็นสามเท่าได้ แต่ช่วงการปรับแต่ง 700 ถึง 1,000 นาโนเมตรของแซฟไฟร์ไทเทเนียมจะทำให้เกิดช่องว่างความยาวคลื่นในภูมิภาค UV-Vis และ IR สำหรับการทดลองที่ต้องใช้พัลส์ที่มีความยาวคลื่น "ในภูมิภาค 'ว่างเปล่า' เหล่านี้จำเป็นต้องมีการแปลงพารามิเตอร์ลง วิธีนี้จะแปลงโฟตอนพลังงานสูงเดียวเป็นโฟตอนพลังงานต่ำสองโฟตอน: โฟตอนสัญญาณและโฟตอนที่เป็นคนขี้เกียจ (ดูรูปที่ 5)
รูปที่ 5: แผนผังของการแปลงพารามิเตอร์
การกระจายพลังงานระหว่างโฟตอนทั้งสองนี้สามารถกำหนดค่าได้โดยผู้ใช้ ในการกำหนดค่าพารามิเตอร์ทั่วไปตามไทเทเนียมไพลินโฟตอนเหตุการณ์ที่ความยาวคลื่น 800 นาโนเมตรสามารถปรับได้อย่างต่อเนื่องจากประมาณ 1200 นาโนเมตรถึง 2600 นาโนเมตรเนื่องจากการแปลงพารามิเตอร์ลงเป็นกระบวนการที่ไม่เชิงเส้นประสิทธิภาพการแปลงอาจกลายเป็นปัญหา ในการเอาชนะข้อ จำกัด นี้จะใช้ Optical Parametric Oscillator (OPO) ที่ระดับพลังงานนาโนและแอมพลิฟายเออร์แบบออพติคอล (OPA) ที่ระดับพลังงานมิลลิโกล
ในโพรง OPO แสงประกอบด้วยชีพจรสั้น ๆ ที่แพร่กระจายไปมาผ่านช่อง อย่างไรก็ตามแตกต่างจากการกำหนดค่าเลเซอร์สีย้อมที่อธิบายไว้ข้างต้นสื่อการเปิดใช้งานเป็นคริสตัลที่ไม่เชิงเส้นและไม่เก็บกำไรที่ได้ผลคริสตัล OPO แปลงโฟตอนเฉพาะในที่ที่มีพัลส์ปั๊ม การทำงานที่ประสบความสำเร็จของ OPO ที่เร็วมากนั้นต้องการให้พัลส์จากแหล่งปั๊มมาถึงคริสตัลในเวลาเดียวกันกับโฟตอนที่ไม่ได้ใช้งานและสัญญาณที่ไหลเวียนรอบ ๆ โพรง OPO กล่าวอีกนัยหนึ่งเลเซอร์ไทเทเนียมความยาวคลื่นคงที่และ OPO ที่เร็วมากต้องมีความยาวโพรงเดียวกัน
เค้าโครงของ OPO Ultrafast โดยทั่วไปจะแสดงในรูปที่ 6. การจับคู่เฟสและความยาวโพรงจะเลือกความยาวคลื่นที่ต้องการโดยอัตโนมัติและทำให้มั่นใจได้ว่าเวลาเดินทางไปกลับของ intracavity สำหรับความยาวคลื่นนั้นจะถูกเก็บไว้ที่ 80 MHz ในตัวอย่างนี้ OPO ถูกขับเคลื่อนโดยฮาร์มอนิกที่สองของเลเซอร์ปั๊มไทเทเนียมแซฟไฟร์ ลำแสง 400 นาโนเมตรทำให้เกิดสัญญาณและเอาต์พุต Loiter ด้วยความยาวคลื่นรวม 490 ถึง 750 นาโนเมตร (เอาต์พุตสัญญาณ) และ 930 nm ถึง 2.5 µm (เอาต์พุต Loiter) โดยมีความกว้างพัลส์น้อยกว่า 200 fs เมื่อรวมกับช่วงการปรับแต่งพื้นฐานของไทเทเนียมแซฟไฟร์ที่ 690 ถึง 1040 นาโนเมตรระบบจะครอบคลุมช่วงความยาวคลื่น 485 นาโนเมตรถึง 2.5 µm พิสัย. แอปพลิเคชั่นทั่วไป ได้แก่ การศึกษาโซลิตัน, สเปกโทรสโกปีการสั่นสะเทือนที่ได้รับการแก้ไขเวลาและการทดลองปั๊มปั๊มที่เร็วมาก
รูปที่ 6: ในออสซิลเลเตอร์แบบออพติคอลแบบซิงโครนัส (OPO) แบบซิงโครนัส (OPO) ความยาวคลื่นตรงกลางจะเปลี่ยนแปลงโดยการปรับมุมการจับคู่เฟสของคริสตัลไม่เชิงเส้น
OPA ใช้กระบวนการออปติคัลแบบไม่เชิงเส้นเดียวกัน แต่เนื่องจากพัลส์ปั๊มมีกำลังสูงสุดที่สูงกว่า ส่วนเล็ก ๆ ของลำแสงจากแอมพลิฟายเออร์ Ultrafast มุ่งเน้นไปที่แผ่นแซฟไฟร์เพื่อผลิตสเปกตรัมต่อเนื่องของแสงสีขาว สเปกตรัมต่อเนื่องของแสงสีขาวจะถูกเพาะในผลึก OPA (โดยปกติจะเป็นผลึกแบเรียม borate) และสูบด้วยส่วนที่เหลือของลำแสงแอมพลิฟายเออร์ที่เหลือเฟือ การผ่านลำแสงผ่าน OPA เพียงครั้งเดียวจะสร้างลำดับของสัญญาณขยายขนาดและแสงจรจัด ความยาวคลื่นตรงกลางของแสงเอาต์พุตจะถูกควบคุมอีกครั้งโดยเงื่อนไขการจับคู่เฟสของคริสตัลและแบนด์วิดท์สเปกตรัมมักจะถูกกำหนดโดยแบนด์วิดท์ของปั๊มและคานเมล็ดหรือแบนด์วิดท์ที่ได้รับของคริสตัล
OPA นี้สามารถทำงานในช่วง femtosecond หรือ picosecond ด้วยพลังงานสูงถึงไม่กี่มิลลิจูลต่อพัลส์ ในระดับพลังงานเหล่านี้สัญญาณที่เกิดขึ้นและแสงที่ไม่ทำงานสามารถแปลงเป็นฮาร์มอนิกส์หรือโดยการผสมความถี่ผลรวมและ/หรือความแตกต่าง
OPAs ที่สูบด้วยพลังงานชีพจร millijoule สามารถสร้างโฟตอนจากอัลตราไวโอเลตลึก 190 นาโนเมตรไปยังพื้นที่สเปกตรัมอินฟราเรดไกล อุปกรณ์เหล่านี้อำนวยความสะดวกในการใช้งานสเปกโทรสโกปีหลายอย่างเช่นสเปกโทรสโกปีการดูดกลืนแสงชั่วคราว, การตรวจสอบการเรืองแสง, สเปกโทรสโกปีอินฟราเรด 2D และการสร้างฮาร์มอนิกสูง
บทสรุป
ตอนนี้เลเซอร์ที่ปรับแต่งได้ถูกนำมาใช้ในการใช้งานที่สำคัญมากมายตั้งแต่การวิจัยวิทยาศาสตร์ขั้นพื้นฐานไปจนถึงการผลิตเลเซอร์และวิทยาศาสตร์เพื่อชีวิตและสุขภาพ ช่วงของเทคโนโลยีที่มีอยู่ในปัจจุบันมีมากมาย เริ่มต้นด้วยระบบ CW ที่ปรับได้อย่างง่าย linewidth แคบของพวกเขาสามารถใช้สำหรับสเปกโทรสโกปีความละเอียดสูงการดักจับโมเลกุลและอะตอมและการทดลองควอนตัมเลนส์ควอนตัมให้ข้อมูลที่สำคัญแก่นักวิจัยสมัยใหม่
ระบบแอมพลิฟายเออร์ Ultrafast ที่ซับซ้อนมากขึ้นใช้พลังงานสูงพลังงานสูง picosecond และ femtosecond พัลส์เพื่อผลิตเอาต์พุตเลเซอร์ใน UV ไปยังแถบสีแดงไกล เลเซอร์ที่เร็วมากเหล่านี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการทำความเข้าใจฟิสิกส์พลังงานสูงฮาร์มอนิกสูงและสเปกโทรสโกปีชั่วคราว ช่วงการปรับแต่งที่กว้างหมายความว่าระบบเลเซอร์เดียวกันสามารถใช้ในการศึกษาช่วงการทดลองที่ไม่มีที่สิ้นสุดในสเปกโทรสโกปีอิเล็กทรอนิกส์และการสั่นสะเทือน ผู้ผลิตเลเซอร์ในวันนี้นำเสนอโซลูชั่นแบบครบวงจรแบบครบวงจรโดยให้เอาต์พุตเลเซอร์ซึ่งครอบคลุมมากกว่า 300 นาโนเมตรในช่วงพลังงานนาโน ระบบที่มีความซับซ้อนมากขึ้นครอบคลุมช่วงสเปกตรัมที่กว้างอย่างน่าประทับใจของ 200 ถึง 20, 000 nm ในช่วงพลังงานไมโครโฟกัสและมิลลิพอร์
