Лазеры: понимание основ

Настоящее устройство добротности представляет собой акустооптический модулятор или электрооптический модулятор (ЭОМ). Оба используют кристаллы, в которых приложенное электрическое поле вызывает некоторые возмущения оптических свойств кристалла. В случае акустооптических модуляторов приложенное электрическое поле представляет собой радиочастотное напряжение, которое создает в кристалле высокочастотную звуковую волну. Эта звуковая волна преломляет фотоны лазера и предотвращает лазерное усиление. Вместо этого в EOM используется приложенное высокое напряжение, которое изменяет показатель преломления кристалла и поляризацию падающего света; в резонатор можно поместить соответствующую комбинацию поляризационно-чувствительной оптики, чтобы предотвратить циркуляцию света с измененной поляризацией. Другие типы лазеров, такие как эксимерные лазеры, не требуют добротности для создания наносекундных импульсов, а скорее полагаются на переходный процесс. Импульс накачки: Импульсы эксимерного лазера создаются путем возбуждения смеси благородного газа и галогена мощным и коротким электрическим разрядом. Титан-сапфировые лазеры также могут генерировать наносекундные импульсы, если они накачиваются наносекундным импульсом зеленого света, создаваемым YAG-лазером с удвоенной частотой и модуляцией добротности. Этот метод называется переключением усиления, потому что напрямую изменяется усиление резонатора, а не потери в резонаторе. Помимо огромного количества промышленных применений, лазеры с модуляцией добротности имеют важные применения в научных исследованиях. Один из них — накачка сверхбыстрых усилителей на титан-сапфире (описанных в следующем разделе) с использованием удвоенного по частоте (зеленого) выхода Nd:YAG или Nd:YLF с модуляцией добротности на частоте 1–10 кГц. Другой вариант — использование лазера YAG или YLF для получения энергии за импульс в диапазоне джоулей при частоте 1–100 Гц. Эти лазеры часто используются с нелинейными оптическими генераторами, которые могут генерировать перестраиваемые длины волн в УФ, видимом и ИК-диапазоне, что позволяет проводить исследования с разрешением по времени и длине волны. В настоящее время большинство лазеров YAG или YLF, работающих на частоте > 100 Гц, имеют диодную накачку, тогда как высокоэнергетические системы с частотой 10 Гц требуют накачки лампой-вспышкой, поскольку диоды не подходят для создания выходных импульсов высокой энергии. Для некоторых научных приложений это может быть желательно иметь лазер с модуляцией добротности с узкой шириной линии. В ряде случаев это можно осуществить с помощью комбинации оптических решеток и эталонов; в других случаях лазер можно «затравить» маломощным лазером непрерывного действия или узкой шириной линии с модуляцией добротности, которым легче управлять, чем каскадом большей мощности. Этот подход, называемый «инжекционным засевом», использует MOPA (задающий генератор, усилитель мощности), концептуально разделяя выбор ширины линии и генерацию высокой мощности на два этапа, которые оптимально предназначены для этих двух целей.Сверхбыстрые лазеры Сверхбыстрые лазеры обычно определяются как лазеры, которые производят импульсы в диапазоне от 5 фс до 100 пс (1 фемтосекунда = 10–15 секунд). Если лазер способен генерировать множество продольных мод, такие короткие импульсы можно создавать с помощью так называемой техники синхронизации мод. При использовании этого метода моды синхронизируются по фазе (режим синхронизации мод), и их когерентная интерференция приводит к коллапсу внутрирезонаторного оптического поля в одиночный импульс, перемещающийся вперед и назад в резонаторе лазера. Каждый раз, когда импульс достигает выходного зеркала, часть его передается и становится доступной.

Физика показывает, что чем больше мод мешают, тем короче длительность импульса (рис. 7). Поскольку большая полоса пропускания генерации поддерживает большее количество колебательных мод, длительность импульса обратно пропорциональна ширине полосы пропускания материала лазерного усиления. В отсутствие дисперсии эти импульсы ограничены по временной полосе пропускания, т. е. имеют минимально возможную длину для данной полосы пропускания.

Сверхбыстрые импульсы очень полезны в исследованиях; Благодаря короткой длительности импульса и высокой пиковой мощности появление фемтосекундных лазеров в 1990-х годах позволило провести революционные исследования, приведшие к Нобелевским премиям в области фемтохимии (спектроскопия накачки-зонда) и генерации оптических гребен. Фемтосекундные лазеры также позволили использовать методы многофотонного возбуждения (MPE), которые обеспечивают трехмерное изображение живых тканей. МПЭ в настоящее время широко используется в нескольких областях биологических исследований, особенно в нейробиологии.