Banyak laser memungkinkan operator untuk menyetel atau mengubah panjang gelombang output di kisaran panjang gelombang UV ke IR sesuai kebutuhan. Mengikuti dari diskusi kami sebelumnya tentang bagaimana laser yang dapat diimplementasikan, artikel ini akan membahas secara rinci jenis dan aplikasi laser yang dapat merdu.
Aplikasi yang menggunakan laser yang dapat disetel umumnya termasuk dalam dua kategori luas: di mana laser panjang gelombang tetap tunggal atau multi-line tidak dapat memberikan panjang gelombang diskrit yang diinginkan atau panjang gelombang, dan yang di mana panjang gelombang laser harus terus disetel selama percobaan atau tes, seperti dalam eksperimen spektrum dan pompa-probe.
Banyak jenis laser yang dapat merdu mampu memproduksi gelombang kontinu (CW), nanosecond, picosecond, atau output pulsa femtosecond. Karakteristik output mereka ditentukan oleh media penguatan laser yang digunakan.
Persyaratan dasar untuk laser yang dapat merdu adalah bahwa mereka mampu memancarkan cahaya laser di berbagai panjang gelombang. Optik khusus dapat digunakan untuk memilih panjang gelombang atau pita panjang gelombang tertentu dari pita emisi laser yang dapat disunting.
Ada berbagai bahan gain yang mampu menghasilkan laser yang dapat merdu, yang paling umum adalah pewarna organik dan kristal titanium safir (TI: safir). Dalam kasus dua bahan gain ini, laser argon ion (AR+) atau laser neodymium-gubled (nd {{2}) digunakan sebagai sumber pompa karena penyerapan cahaya pompa yang efisien sekitar 490 nm.
Molekul pewarna dapat digunakan untuk menghasilkan panjang gelombang dalam kisaran ultraviolet hingga (UV-vis). Namun, beralih di antara berbagai molekul pewarna yang berbeda diperlukan untuk mencapai rentang tuning yang luas, membuat proses ini cukup rumit dan kompleks. Sebaliknya, laser solid-state dapat mencapai rentang tuning lebar hanya menggunakan satu bahan gain laser (misalnya, kristal dielektrik), menghilangkan kebutuhan untuk perubahan pewarna yang sering.
Saat ini, titanium safir telah muncul sebagai bahan gain laser yang dapat di-tunable, dengan spektrum emisi luas 680 hingga 1100 nm yang dapat terus disetel dan output yang dapat dikonversi ke kisaran spektral UV-VIS atau downverted ke wilayah spektral IR. Sifat -sifat ini memungkinkan berbagai aplikasi dalam kimia dan biologi.
Laser gelombang berdiri CW yang dapat disunting
Secara konseptual, CW Standing Wave Laser adalah arsitektur laser paling sederhana. Ini terdiri dari cermin yang sangat reflektif, medium gain, dan cermin coupler output (lihat Gambar 1), yang menyediakan output CW menggunakan berbagai media penguatan laser. Untuk mencapai tunabilitas, media penguatan perlu dipilih untuk menutupi rentang panjang gelombang target.
Gambar 1: Skema laser gelombang berdiri Titanium Sapphire Sapphire. Filter tuning birefringent ditampilkan.
Banyak pewarna fluorescent dapat digunakan untuk menyetel panjang gelombang laser ke rentang yang diinginkan. Keuntungan utama laser pewarna adalah kemampuan untuk menutupi berbagai panjang gelombang di pita UV-vis, tetapi kerugiannya adalah bahwa penggunaan pewarna/pelarut tunggal hanya menyediakan kemampuan penyetelan panjang gelombang yang sempit. Sebaliknya, laser safir titanium solid-state memiliki keuntungan menyediakan rentang tuning panjang gelombang yang luas menggunakan media penguatan tunggal, tetapi memiliki kelemahan hanya untuk dapat beroperasi di pita inframerah-dekat (NIR) dari 690 hingga 1100 nm.
Untuk kedua media gain, penyetelan panjang gelombang dicapai oleh elemen stabilisasi panjang gelombang pasif. Yang pertama adalah filter birefringent multi-pelat atau filter Lyot. Filter ini memodulasi gain dengan memberikan transmisi tinggi pada panjang gelombang tertentu, sehingga memaksa laser untuk beroperasi pada panjang gelombang itu.
Tuning dilakukan dengan memutar filter birefringent ini. Meskipun sederhana, laser gelombang berdiri CW memungkinkan untuk beberapa mode laser longitudinal. Ini menghasilkan linewidth sekitar 40 GHz penuh lebar lebar (<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.
Laser cincin CW yang dapat disewa
Sejak awal 1980 -an, laser cincin telah digunakan untuk mencapai output CW yang dapat merdu melalui mode longitudinal tunggal dengan bandwidth spektral dalam kisaran kilohertz. Mirip dengan laser gelombang berdiri, laser cincin yang dapat merdu dapat menggunakan pewarna dan titanium safir sebagai media gain. Pewarna mampu memberikan linewidth yang sangat sempit<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.
Menurut prinsip ketidakpastian Heisenberg, karena definisi energi menjadi lebih tepat, lebar pulsa yang dapat ditentukan menjadi kurang tepat. Untuk laser CW gelombang berdiri, panjang rongga mendefinisikan jumlah energi yang diizinkan sebagai mode longitudinal diskrit. Ketika panjang rongga lebih pendek, jumlah mode longitudinal memungkinkan meningkat, menghasilkan linewidth output yang lebih luas dan kurang terdefinisi.
Dalam konfigurasi cincin, rongga laser dapat dianggap sebagai rongga yang sangat panjang dan energi dapat didefinisikan secara tepat. Hanya satu mode longitudinal tunggal yang ada di rongga. Untuk mencapai kondisi operasi mode tunggal, beberapa elemen optik sangat diperlukan (lihat Gambar. 2).
Gambar 2: Tata letak optik dari laser titanium safir berbentuk cincin dengan rongga referensi eksternal.
Pertama, isolator Faraday dimasukkan ke dalam rongga untuk memastikan bahwa foton intracavity selalu mengikuti jalur yang sama. Perlengkapan standar intracavity digunakan untuk lebih mengurangi output linewidth. Tidak seperti rongga laser gelombang berdiri, tidak ada cermin ujung dalam konfigurasi cincin. Foton beredar terus menerus di dalam rongga laser. Kedua, panjang rongga harus distabilkan untuk memperbaiki perubahan mekanis yang disebabkan oleh fluktuasi lingkungan seperti panas atau getaran.
Untuk mencapai bandwidth spektral ultra-narrow, rongga dapat distabilkan menggunakan salah satu dari dua metode: satu metode menggunakan cermin mekanik yang digerakkan oleh piezoelektrik untuk menstabilkan panjang rongga dengan waktu respons dalam kisaran kilohertz, dan metode lainnya menggunakan kisaran elektro-optik (EO) untuk mencapai waktu respons di mega. Beberapa pengaturan laboratorium khusus telah menunjukkan bahwa bandwidth spektral dapat diukur di Hertz. Faktor kunci dalam menentukan resolusi spektral rongga cincin adalah rongga referensi frekuensi eksternal. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2, rongga referensi digunakan untuk menghasilkan sinyal yang diperlukan untuk menstabilkan panjang rongga laser. Rongga referensi eksternal ini harus diisolasi dari fluktuasi lingkungan yang disebabkan oleh suhu, getaran mekanik, dan kebisingan akustik. Rongga referensi harus dipisahkan dengan baik dari rongga laser cincin itu sendiri untuk menghindari kopling yang tidak disengaja di antara keduanya. Sinyal referensi diproses menggunakan metode pound-drever-hall.
Laser quasi-continuum yang terkunci
Untuk banyak aplikasi, karakteristik temporal yang didefinisikan secara tepat dari output laser lebih penting daripada energi yang ditentukan secara tepat. Bahkan, mencapai pulsa optik pendek membutuhkan konfigurasi rongga di mana banyak mode longitudinal beresonansi secara bersamaan. Ketika mode longitudinal yang bersirkulasi ini memiliki hubungan fase tetap di dalam rongga laser, laser dikunci mode. Ini akan mewujudkan satu pulsa yang berosilasi di dalam rongga dengan periode yang ditentukan oleh panjang rongga laser.
Penguncian mode aktif dapat dicapai dengan menggunakan Acousto-Optic Modulator (AOM) atau penguncian mode pasif melalui lensa Kerr. Yang pertama, yang menjadi lebih populer di tahun 1980 -an, menggunakan intracavity AOM sebagai rana sementara yang membuka dan menutup pada setengah frekuensi panjang rongga. Pulsa ratusan picoseconds dapat dicapai dengan menggunakan metode ini. Dalam beberapa dekade terakhir, aplikasi ilmiah membutuhkan resolusi temporal yang lebih baik dan karenanya pulsa yang lebih pendek.
Laser pewarna yang dipompa secara sinkron memberikan metode yang layak untuk menyetel panjang gelombang tengah dan memperpendek pulsa optik dengan urutan besarnya (hingga puluhan picoseconds). Untuk mencapai hal ini, rongga laser pewarna harus memiliki panjang rongga yang sama dengan laser pompa yang dikunci mode. Pulsa laser pompa dan pewarna bertemu pada media penguatan untuk menghasilkan radiasi tereksitasi dari molekul pewarna. Output laser distabilkan dengan menyesuaikan panjang rongga laser pewarna. Konfigurasi pemompaan yang disinkronkan juga dapat digunakan untuk mendorong osilator parametrik optik (OPOS) (dibahas di bawah).
Laser terkunci mode titanium safir adalah contoh penguncian mode lensa Kerr Kerr (lihat Gambar 3). Dalam pendekatan ini, pulsa dihasilkan oleh modulasi gain dan indeks bias titanium safir tergantung pada intensitasnya.
Pada prinsipnya, karena denyut nadi merambat melalui media penguatan, intensitas puncak lebih tinggi di hadapan pulsa. Ini menciptakan lensa pasif yang memfokuskan sinar pulsa lebih erat dan mengekstraksi gain secara lebih efisien sampai tidak ada gain untuk mendukung resonansi simultan dari mode CW di rongga. Gangguan mekanis pada rongga digunakan untuk menginduksi lonjakan intensitas untuk memulai penguncian mode. Pendekatan ini memungkinkan titanium safir untuk menghasilkan pulsa sesingkat 4 fs.
Gambar 3: Dalam laser titanium safir yang terkunci mode, panjang gelombang tengah disetel dengan menggerakkan celah tuning yang terletak di antara dua prisma dispersif.
Perlu dicatat bahwa bandwidth lebih dari 300 nm dapat digabungkan menjadi satu pulsa. Menurut prinsip ketidakpastian Heisenberg, pulsa yang lebih pendek membutuhkan lebih banyak mode longitudinal. Oleh karena itu, rongga laser harus memiliki kompensasi dispersi yang cukup dari optik rongga untuk mempertahankan hubungan fase yang diperlukan untuk penguncian mode yang stabil. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3, prisma kompensasi ditambahkan ke rongga untuk memastikan hubungan fase yang konstan. Dengan menggunakan metode ini, pulsa sesingkat 20 fs dapat diperoleh. Untuk menghasilkan pulsa yang lebih pendek, dispersi pesanan lebih tinggi juga harus dikompensasi. Kompensasi ini dicapai dengan menggunakan lensa kicauan optik untuk mempertahankan hubungan fase yang diperlukan untuk penguncian mode yang stabil.
Karena penguncian mode lensa berkicau paling efektif dengan pulsa yang lebih pendek (intensitas lebih tinggi), metode ini terutama cocok untuk menghasilkan pulsa femtosecond. Dalam kisaran 100 fs ~ 100 ps, metode hibrida yang disebut penguncian mode regeneratif dapat digunakan. Metode ini menggunakan AOM intracavity dan efek Kerr. Frekuensi drive AOM berasal dari pengukuran waktu nyata dari frekuensi pengulangan rongga, dan amplitudonya tergantung pada durasi pulsa. Ketika lebar pulsa yang diinginkan meningkat dan efek Kerr berkurang, amplitudo AOM yang stabil meningkat untuk mendukung penguncian mode. Akibatnya, penguncian mode regeneratif dapat memberikan output yang stabil dan dapat merdu pada beragam 20 fs hingga 300 ps menggunakan sistem laser tunggal.
Pada akhir 1990-an, penguncian mode regeneratif memungkinkan laser titanium safir safir yang dikendalikan komputer all-in-one. Inovasi ini membuat teknologi lebih mudah diakses oleh peneliti dan aplikasi yang lebih luas. Kemajuan dalam pencitraan multiphoton telah didorong sebagian besar oleh kemajuan teknologi. Pulsa laser femtosecond sekarang tersedia untuk ahli biologi, ahli saraf dan dokter. Sejumlah kemajuan teknologi telah dibuat selama bertahun -tahun yang telah menyebabkan penggunaan umum laser titanium safir dalam bioimaging.
Laser Ytterbium Ultrafast
Terlepas dari kegunaan luas laser titanium safir, beberapa percobaan bioimaging membutuhkan panjang gelombang yang lebih lama. Proses penyerapan dua foton yang khas tereksitasi oleh foton pada panjang gelombang 900 nm. Karena panjang gelombang yang lebih panjang berarti lebih sedikit hamburan, panjang gelombang eksitasi yang lebih lama dapat lebih efektif mendorong eksperimen biologis yang membutuhkan kedalaman pencitraan yang lebih dalam.
Penting juga untuk mempertimbangkan panjang gelombang foton fluorescent berikutnya dari pewarna yang melekat pada sampel biologis. Panjang gelombang foton fluorescent tersebut biasanya dalam pita 450 hingga 550 nm, yang lebih rentan terhadap hamburan. Oleh karena itu, beberapa penanda neon telah dikembangkan yang secara progresif menyerap panjang gelombang inframerah. Untuk memenuhi persyaratan ini, industri ini telah mengembangkan OPO all-in-one, yang dikendalikan komputer, secara serempak dipompa digerakkan oleh laser Ytterbium 1045 nm dengan panjang gelombang output dalam kisaran 680 hingga 1300 nm. Untuk pencitraan multiphoton, arsitektur ini menawarkan alternatif kinerja yang jauh lebih tinggi untuk laser titanium safir.
Amplifier ultrafast
Contoh-contoh di atas menghasilkan pulsa ultrafast dalam rentang energi nano-joule (NJ). Namun, banyak aplikasi membutuhkan sumber cahaya yang dapat disetel energi yang lebih tinggi. Karena konversi panjang gelombang adalah proses nonlinier, efisiensi tergantung pada energi yang tersedia. Untuk aplikasi ini, beberapa teknik dapat digunakan untuk meningkatkan energi dan tunabilitas laser ultrafast.
Amplifikasi pulsa ultrafast dapat dibagi menjadi dua kategori utama: amplifikasi multistage dan amplifikasi regeneratif. Yang pertama memiliki keunggulan bahwa energi yang sangat tinggi (100 MJ) dapat dicapai dengan input yang sangat rendah, tetapi berulang kali melewati tahap amplifikasi menurunkan kualitas balok output. Oleh karena itu, amplifikasi regeneratif adalah metode yang lebih disukai untuk menghasilkan energi pulsa pada skala microjoule (μJ) atau Millijoule (MJ).
Secara umum, amplifikasi pulsa ultrafast dicapai dengan metode amplifikasi pulsa berkicau (lihat Gambar. 4). Prosesnya dimulai dengan osilator terkunci mode dengan durasi pulsa femtosecond, yaitu, laser benih. Sangat penting bagi laser biji untuk memiliki bandwidth yang cukup sehingga durasi pulsa dapat diregangkan atau berkicau tepat waktu. Kikik optik terjadi sebagai akibat dari berbagai warna cahaya, bepergian melalui bahan optik dengan kecepatan yang berbeda. Secara umum, lampu merah bergerak lebih cepat dari cahaya biru. Misalnya, kisi yang melebar memperkenalkan lampu merah berkicau positif sebelum lampu biru untuk memisahkan komponen panjang gelombang dalam waktu dan ruang. Perluasan pulsa diperlukan untuk mengurangi kekuatan puncak yang kuat dari pulsa femtosecond skala milijoule. Setelah perluasan, pulsa hampir 300 PS diarahkan ke rongga laser regeneratif tahap kedua. Langkah terakhir adalah menggunakan kisi kedua untuk memperkenalkan kicauan negatif dan merekonstruksi pulsa yang diamplifikasi. Seluruh proses ditunjukkan pada Gambar. 4.
Gambar 4: amplifikasi pulsa berkicau
Saat ini, sebagian besar amplifier regeneratif menggunakan titanium sapphire, tetapi media gain lainnya (misalnya ytterbium) menjadi semakin populer. Dengan kedua media gain, amplifier memiliki tunabilitas yang relatif sempit, dengan titanium safir memiliki jangkauan tuning sekitar 780 hingga 820 nm, yang membatasi kegunaannya dalam aplikasi spektroskopi. Untuk mengatasi batasan ini, beberapa metode konversi frekuensi tersedia.
Konversi frekuensi harmonik, adalah cara paling sederhana untuk menyesuaikan panjang gelombang osilator ultrafast atau sistem penguat ultrafast. Pada prinsipnya, foton insiden ditingkatkan menjadi kelipatan bilangan bulat dari frekuensi fundamental. Untuk titanium safir (rentang tuning fundamental 700 ~ 1000 nm), rentang tuning harmonik kedua adalah 350 ~ 500 nm, harmonik ketiga adalah 233 ~ 333 nm, dan harmonik keempat adalah 175 ~ 250 nm. Dalam praktiknya, karena penyerapan oleh kristal harmonik, penyetelan harmonik keempat dibatasi hingga 200 nm. Untuk aplikasi yang membutuhkan panjang gelombang di luar kisaran ini, parameter untuk aplikasi yang membutuhkan panjang gelombang di luar kisaran ini, diperlukan opsi konversi parameter.
OPO dan OPA Ultrafast
Meskipun output pulsa ultrafast dapat dikalikan atau bahkan tiga kali lipat, rentang tuning 700 hingga 1000 nm dari titanium safir meninggalkan celah panjang gelombang di wilayah spektral UV-VIS dan IR. Untuk percobaan yang membutuhkan pulsa ultrafast dengan panjang gelombang "di daerah 'kosong' ini, diperlukan konversi parameter. Metode ini mengubah satu foton berenergi tinggi menjadi dua foton berenergi rendah: foton sinyal dan foton pemalas (lihat Gambar 5).
Gambar 5: Skema konversi down-conversion parametrik.
Distribusi energi antara kedua foton ini dapat dikonfigurasi oleh pengguna. Dalam konfigurasi parametrik yang khas berdasarkan titanium safir, foton insiden pada panjang gelombang 800 nm, dapat disetel secara terus menerus dari sekitar 1.200 nm hingga 2600 nM. Karena konversi parameter turun adalah proses nonlinier, efisiensi konversi dapat menjadi masalah. Untuk mengatasi keterbatasan ini, osilator parametrik optik (OPO) digunakan pada tingkat energi nanofokal dan penguat parametrik optik (OPA) digunakan pada tingkat energi milifokal.
Di rongga opo, cahaya terdiri dari denyut nadi pendek yang merambat bolak -balik melalui rongga. Namun, tidak seperti konfigurasi laser pewarna yang dijelaskan di atas, media aktivasi adalah kristal nonlinier dan tidak menyimpan gain. OPO Crystal mengkonversi foton hanya di hadapan pulsa pompa. Keberhasilan pengoperasian OPO ultrafast mensyaratkan bahwa pulsa dari sumber pompa tiba di kristal pada saat yang sama dengan foton idle dan sinyal yang beredar di sekitar rongga OPO. Dengan kata lain, laser titanium safir panjang gelombang tetap dan opo ultrafast harus memiliki panjang rongga yang persis sama.
Tata letak OPO ultrafast khas ditunjukkan pada Gambar 6. Pencocokan fase dan panjang rongga secara otomatis memilih panjang gelombang yang diinginkan dan memastikan bahwa waktu perjalanan bulat intracavity untuk panjang gelombang tersebut disimpan pada 80 MHz, yang sama dengan laser pompa titanium saphire. Dalam contoh ini, OPO didorong oleh harmonik kedua dari laser pompa titanium safir. Balok 400 nm yang dihasilkan menghasilkan output sinyal dan loiter dengan cakupan panjang gelombang total 490 hingga 750 nm (output sinyal) dan 930 nm hingga 2,5 μm (output loiter), dengan lebar pulsa kurang dari 200 fs. Ketika dikombinasikan dengan rentang tuning fundamental titanium sapphire 690 hingga 1040 nm, sistem ini mencakup rentang panjang gelombang 485 nm hingga 2,5 μm. jangkauan. Aplikasi yang khas meliputi studi soliton, spektroskopi getaran yang diselesaikan waktu dan percobaan probe pompa ultrafast.
Gambar 6: Dalam osilator parametrik optik yang dipompa secara sinkron (OPO), panjang gelombang tengah bervariasi dengan menyesuaikan sudut pencocokan fase kristal nonlinier.
OPA menggunakan proses optik nonlinier yang sama, tetapi karena pulsa pompa memiliki daya puncak yang lebih tinggi, resonator optik tidak diperlukan untuk konversi panjang gelombang yang efisien. Sebagian kecil dari balok dari amplifier ultrafast difokuskan pada piring safir untuk menghasilkan spektrum kontinum cahaya putih. Spektrum kontinum cahaya putih diunggulkan menjadi kristal OPA (biasanya kristal borat basium) dan dipompa dengan sisa balok penguat ultrafast. Pass tunggal balok melalui OPA menghasilkan urutan sinyal yang diamplifikasi dan cahaya liar. Panjang gelombang tengah lampu output sekali lagi dikendalikan oleh kondisi pencocokan fase kristal, dan bandwidth spektral biasanya ditentukan oleh bandwidth pompa dan balok biji atau bandwidth kristal yang diterima.
OPA ini dapat beroperasi di rentang femtosecond atau picosecond dengan energi hingga beberapa milijoul per pulsa. Pada tingkat energi ini, sinyal yang dihasilkan dan cahaya pemalas dapat dikonversi menjadi harmonik mereka atau dengan jumlah dan/atau pencampuran frekuensi perbedaan.
OPAS yang dipompa dengan energi pulsa millijoule mampu menghasilkan foton dari ultraviolet sedalam 190 nm ke daerah spektral inframerah yang jauh. Perangkat ini memfasilitasi banyak aplikasi spektroskopi seperti spektroskopi serapan transien, konversi fluoresensi, spektroskopi inframerah 2D, dan generasi harmonik yang tinggi.
Kesimpulan
Laser Tunable sekarang digunakan dalam banyak aplikasi penting mulai dari penelitian sains dasar hingga manufaktur laser dan ilmu kehidupan dan kesehatan. Kisaran teknologi yang saat ini tersedia sangat luas. Dimulai dengan sistem Tunable CW sederhana, linewidth sempitnya dapat digunakan untuk spektroskopi resolusi tinggi, perangkap molekuler dan atom, dan eksperimen optik kuantum, memberikan informasi penting bagi para peneliti modern.
Sistem penguat ultrafast yang lebih canggih menggunakan pulsa laser berenergi tinggi, picosecond dan femtosecond untuk menghasilkan output laser di UV ke pita merah jauh. Laser ultrafast ini sangat penting untuk memahami fisika berenergi tinggi, harmonik tinggi, dan spektroskopi sementara. Rentang tuning lebar berarti bahwa sistem laser yang sama dapat digunakan untuk mempelajari rentang percobaan yang tak terbatas dalam spektroskopi elektronik dan getaran. Produsen laser saat ini menawarkan solusi tipe satu atap, memberikan output laser yang mencakup lebih dari 300 nm dalam rentang energi nanofokal. Sistem yang lebih canggih menjangkau rentang spektral luas 200 hingga 20, 000 nm dalam rentang energi mikrofokus dan millifocus.
