Ti -safir laser - Ti-sapphire laser
Ti: safirlasere (også kjent som Ti: Al 2 O 3 lasere , titan-safir lasere eller Ti: safirer ) er avstembare lasere som avgir rødt og nær-infrarødt lys i området fra 650 til 1100 nanometer. Disse laserne brukes hovedsakelig i vitenskapelig forskning på grunn av deres avstembarhet og deres evne til å generere ultrakortpulser . Lasere basert på Ti: safir ble først konstruert og oppfunnet i juni 1982 av Peter Moulton ved MIT Lincoln Laboratory .
Titan-safir henviser til lasermediet , en krystall av safir (Al 2 O 3 ) som er dopet med Ti- 3+ ioner . A Ti: safir laser blir vanligvis pumpet med en annen laser med en bølgelengde på 514-532 nm, hvor argon - ion-laser (514,5 nm) og frekvens-doblet Nd: YAG , Nd: YLF , og Nd: YVO lasere (527- 532 nm) brukes. De er i stand til laseroperasjon fra 670 nm til 1100 nm bølgelengde. Ti: safirlasere opererer mest effektivt ved bølgelengder nær 800 nm.
Typer av Ti: safirlasere
Moduslåste oscillatorer
Moduslåste oscillatorer genererer ultrakortpulser med en typisk varighet mellom noen få pikosekunder og 10 femtosekunder , i spesielle tilfeller til og med rundt 5 femtosekunder. Pulsrepetisjonsfrekvensen er i de fleste tilfeller i området rundt 70 til 90 MHz. Ti: safiroscillatorer pumpes normalt med en kontinuerlig bølgelaserstråle fra en argon- eller frekvensdobblet Nd: YVO4- laser. Vanligvis har en slik oscillator en gjennomsnittlig utgangseffekt på 0,4 til 2,5 watt .
Chirped-pulsforsterkere
Disse enhetene genererer ultrakorte , ultrahøye intensitetspulser med en varighet på 20 til 100 femtosekunder. En typisk en -trinns forsterker kan produsere pulser på opptil 5 millijoule i energi ved en repetisjonsfrekvens på 1000 hertz , mens et større flertrinnsanlegg kan produsere pulser opp til flere joule , med en repetisjonshastighet på opptil 10 Hz. Vanligvis pumpes forsterkerkrystaller med en pulserende frekvensdobbel Nd: YLF- laser ved 527 nm og opererer ved 800 nm. Det finnes to forskjellige design for forsterkeren: regenerativ forsterker og flerpassforsterker.
Regenerative forsterkere opererer ved å forsterke enkeltpulser fra en oscillator (se ovenfor). I stedet for et normalt hulrom med et delvis reflekterende speil, inneholder de høyhastighetsoptiske brytere som setter en puls inn i et hulrom og tar pulsen ut av hulrommet nøyaktig i riktig øyeblikk når den har blitt forsterket til en høy intensitet.
Begrepet ' chirped -puls' refererer til en spesiell konstruksjon som er nødvendig for å forhindre at pulsen skader komponentene i laseren. Pulsen strekkes i tid slik at energien ikke alle er lokalisert på samme tidspunkt og tid. Dette forhindrer skade på optikken i forsterkeren. Deretter blir pulsen optisk forsterket og komprimert i tide for å danne en kort, lokalisert puls. All optikk etter dette punktet bør velges for å ta høyde for høy energitetthet.
I en flerpassforsterker er det ingen optiske brytere. I stedet leder speil strålen et fast antall ganger (to eller flere) gjennom Ti: safirkrystallet med litt forskjellige retninger. En pulserende pumpestråle kan også flerpasses gjennom krystallet, slik at flere og flere passeringer pumper krystallet. Først pumper pumpestrålen et sted i forsterkningsmediet. Deretter passerer signalstrålen først gjennom sentrum for maksimal forsterkning, men i senere passeringer økes diameteren for å holde seg under skadegrensen, for å unngå forsterkning av de ytre delene av strålen, og dermed øke strålekvaliteten og kutte av noe forsterket spontan emisjon og for å fullstendig tømme inversjonen i forsterkningsmediet.
Pulser fra chirped-pulsforsterkere konverteres ofte til andre bølgelengder ved hjelp av forskjellige ikke-lineære optiske prosesser.
Ved 5 mJ på 100 femtosekunder er toppeffekten til en slik laser 50 gigawatt. Når de fokuseres av en linse, vil disse laserpulsene ionisere alt materiale som er plassert i fokuset, inkludert luftmolekyler.
Avstembare kontinuerlige bølgelasere
Titan-safir er spesielt egnet for pulserende lasere siden en ultrakortpuls iboende inneholder et bredt spekter av frekvenskomponenter. Dette skyldes det omvendte forholdet mellom frekvensbåndbredden til en puls og tidens varighet, på grunn av at de er konjugerte variabler . Men med en passende design kan titan-safir også brukes i kontinuerlige bølgelasere med ekstremt smale linjebredder som kan justeres over et bredt område.
Historie og applikasjoner
Ti: safirlaseren ble oppfunnet av Peter Moulton i juni 1982 ved MIT Lincoln Laboratory i sin kontinuerlige bølgeversjon. Deretter ble disse laserene vist å generere ultrakortpulser gjennom Kerr-objektivmodellocking . Strickland og Mourou , i tillegg til andre, som jobbet ved University of Rochester , viste kvitrende pulsforsterkning av denne laseren i løpet av få år, som disse to delte i Nobelprisen i fysikk 2018 (sammen med Arthur Ashkin for optisk pinsett). Det kumulative produktsalget av Ti: safirlaseren har beløp seg til mer enn $ 600 millioner dollar, noe som gjør det til en stor kommersiell suksess som har opprettholdt solid state laserindustrien i mer enn tre tiår.
Ultrakortpulsene generert av Ti: safirlasere i tidsdomenet tilsvarer moduslåste optiske frekvenskammer i spektraldomenet. Både de tidsmessige og spektrale egenskapene til disse laserne gjør dem svært ønskelige for frekvensmetrologi, spektroskopi eller for pumping av ikke -lineære optiske prosesser . Halvparten av Nobelprisen for fysikk i 2005 ble tildelt utviklingen av den optiske frekvenskammeteknikken, som i stor grad var avhengig av Ti: safirlaseren og dens selvmodellerende egenskaper. Den kontinuerlige bølgens versjoner av disse laserne kan utformes for å ha nesten kvantebegrenset ytelse, noe som resulterer i lav støy og en smal linjebredde, noe som gjør dem attraktive for kvanteoptiske eksperimenter. Den reduserte forsterkede spontane emisjonsstøyen i strålingen av Ti: safirlasere gir stor styrke i deres anvendelse som optiske gitter for drift av toppmoderne atomur. Bortsett fra grunnleggende vitenskapelige applikasjoner i laboratoriet, har denne laseren funnet biologiske applikasjoner som dypvevsmultiphotonavbildning og industrielle applikasjoner kald mikromaskinering . Når de brukes i chirped pulsforsterkningsmodus, kan de brukes til å generere ekstremt høye toppkrefter i terawatt -området, som finner bruk i kjernefusjonsforskning .