De nombreux lasers permettent à l'opérateur de régler ou de modifier la longueur d'onde de sortie dans la plage de longueurs d'onde UV vers IR au besoin. Suivant notre discussion précédente sur la façon dont les lasers accordables sont mis en œuvre, cet article discutera en détail des types et des applications des lasers réglables.
Les applications utilisant des lasers accordables se répartissent généralement en deux grandes catégories: celles dans lesquelles un laser à longueur d'onde fixe unique ou multi-lignes ne peut pas fournir la longueur d'onde ou les longueurs d'onde discrète souhaitée, et celles dans lesquelles la longueur d'onde laser doit être réglée en continu pendant les expériences ou les tests, tels que dans les expériences de spectroscopie et de suppression de pompe.
De nombreux types de lasers réglables sont capables de produire des ondes d'onde continu (CW), nanosecondes, picosecondes ou fémtosecondes. Leurs caractéristiques de sortie sont déterminées par le milieu de gain laser utilisé.
Une exigence de base pour les lasers accordables est qu'ils sont capables d'émettre la lumière laser sur une large gamme de longueurs d'onde. Une optique spéciale peut être utilisée pour sélectionner une longueur d'onde spécifique ou une bande de longueurs d'onde dans la bande d'émission du laser accordable.
Il existe une variété de matériaux de gain capables de produire des lasers accordables, dont les plus courants sont des colorants organiques et des cristaux de saphir de titane (Ti: Saphir). Dans le cas de ces deux matériaux de gain, des lasers argon ion (AR +) ou des lasers néodymétriques doublés en fréquence (nd 3+) sont utilisés comme source de pompe en raison de leur absorption efficace de la lumière de la pompe à environ 490 nm.
Les molécules de colorant peuvent être utilisées pour produire des longueurs d'onde dans la gamme ultraviolette à visible (UV-vis). Cependant, la commutation entre de nombreuses molécules de colorant différentes est nécessaire pour obtenir une large plage de réglage, ce qui rend le processus assez lourd et complexe. En revanche, les lasers à l'état solide peuvent obtenir une large plage de réglage en utilisant un seul matériau de gain laser (par exemple, les cristaux diélectriques), éliminant le besoin de changements de colorant fréquents.
Actuellement, le saphir de titane est devenu le principal matériau de gain laser accordable, avec un large spectre d'émission de 680 à 1100 nm qui peut être réglé en continu et une sortie qui peut être converti à la plage spectrale UV-vis ou converti à la région spectrale IR. Ces propriétés permettent un large éventail d'applications en chimie et en biologie.
Lasers à ondes debout CW accordables
Conceptuellement, le laser à ondes permanentes CW est l'architecture laser la plus simple. Il se compose d'un miroir hautement réfléchissant, d'un milieu de gain et d'un miroir de coupleur de sortie (voir figure 1), qui fournit une sortie CW en utilisant une variété de médiums de gain laser. Pour obtenir une accordabilité, le milieu de gain doit être sélectionné pour couvrir la plage de longueur d'onde cible.
Figure 1: Schéma d'un laser à ondes debout CW à base de saphir en titane. Un filtre de réglage biréfringent est montré.
De nombreux colorants fluorescents peuvent être utilisés pour régler la longueur d'onde laser à la plage souhaitée. Le principal avantage des lasers de colorant est la capacité de couvrir une large gamme de longueurs d'onde dans la bande UV-vis, mais l'inconvénient est que l'utilisation d'un seul colorant / solvant ne fournit qu'une capacité de réglage de longueur d'onde étroite. En revanche, les lasers en saphir en titane à l'état solide ont l'avantage de fournir une large gamme de réglage de longueur d'onde en utilisant un milieu de gain unique, mais ont l'inconvénient de ne pouvoir fonctionner dans la bande proche infrarouge (NIR) de 690 à 1100 nm.
Pour les deux milieux de gain, le réglage de la longueur d'onde est obtenu par des éléments de stabilisation passif de la longueur d'onde. Le premier est le filtre biréfringent multi-plaque ou le filtre Lyot. Ce filtre module le gain en fournissant une transmission élevée à une longueur d'onde spécifique, forçant ainsi le laser à fonctionner à cette longueur d'onde.
Le réglage est accompli en tournant ce filtre biréfringent. Bien que simple, le laser à ondes debout CW permet plusieurs modes laser longitudinaux. Cela produit une largeur de ligne d'environ 40 GHz à demi-taille (<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.
Lasers à anneaux CW accordables
Depuis le début des années 1980, les lasers en anneau ont été utilisés pour obtenir une sortie CW accordable via un seul mode longitudinal avec une bande passante spectrale dans la gamme Kilohertz. Semblable aux lasers à ondes debout, les lasers à anneaux réglables peuvent utiliser des colorants et du saphir de titane comme support de gain. Les colorants sont capables de fournir des largeurs de lignes très étroites de<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.
Selon le principe de l'incertitude de Heisenberg, à mesure que la définition de l'énergie devient plus précise, la largeur d'impulsion qui peut être déterminée devient moins précise. Pour les lasers CW à onde debout, la longueur de la cavité définit la quantité d'énergie autorisée comme un mode longitudinal discret. Lorsque la longueur de la cavité est plus courte, le nombre de modes longitudinaux a permis une augmentation, ce qui entraîne une largeur de ligne de sortie plus large et moins définie.
Dans la configuration du cycle, la cavité laser peut être considérée comme une cavité infiniment longue et l'énergie peut être définie avec précision. Un seul mode longitudinal est présent dans la cavité. Afin d'atteindre des conditions de fonctionnement monomode, plusieurs éléments optiques sont particulièrement nécessaires (voir Fig. 2).
Figure 2: Disposition optique d'un laser en saphir en titane en forme d'anneau avec une cavité de référence externe.
Premièrement, un isolateur Faraday est inséré dans la cavité pour s'assurer que les photons d'intracavité suivent toujours le même chemin. Un luminaire standardisé d'intracavité est utilisé pour réduire davantage la largeur de ligne de sortie. Contrairement aux cavités laser à ondes debout, il n'y a pas de miroirs d'extrémité dans la configuration de l'anneau. Les photons circulent en continu dans la cavité laser. Deuxièmement, la longueur de la cavité doit être stabilisée pour corriger les changements mécaniques causés par les fluctuations environnementales telles que la chaleur ou les vibrations.
Pour obtenir des bandes passantes spectrales ultra-rawrow, la cavité peut être stabilisée à l'aide de l'une des deux méthodes: une méthode utilise des miroirs mécaniques pilotés par piézoélectrique pour stabiliser la longueur de la cavité avec un temps de réponse dans la plage de Kilohertz, et l'autre méthode utilise des modulateurs électro-optiques (EO) pour atteindre les temps de réponse dans la gamme Megahertz. Plusieurs configurations de laboratoire spécialisées ont montré que la bande passante spectrale peut être mesurée à Hertz. Le facteur clé dans la détermination de la résolution spectrale de la cavité de l'anneau est la cavité de référence de fréquence externe. Comme le montre la figure 2, une cavité de référence est utilisée pour générer le signal nécessaire pour stabiliser la longueur de la cavité laser. Cette cavité de référence externe doit être isolée des fluctuations environnementales causées par la température, les vibrations mécaniques et le bruit acoustique. La cavité de référence doit être bien séparée de la cavité laser annulaire elle-même pour éviter le couplage involontaire entre les deux. Le signal de référence est traité à l'aide de la méthode Pound-Drever-Hall.
Lasers quasi-continum verrouillés en mode
Pour de nombreuses applications, les caractéristiques temporelles définies avec précision de la sortie laser sont plus importantes que l'énergie définie avec précision. En fait, la réalisation d'impulsions optiques courtes nécessite une configuration de cavité dans laquelle de nombreux modes longitudinaux résonnent simultanément. Lorsque ces modes longitudinaux circulants ont une relation de phase fixe dans la cavité laser, le laser est verrouillé en mode. Cela réalisera une seule impulsion oscillant dans la cavité avec une période définie par la longueur de la cavité laser.
Le verrouillage de mode actif peut être obtenu en utilisant un modulateur acousto-optique (AOM) ou un verrouillage de mode passif via une lentille Kerr. Le premier, qui est devenu plus populaire dans les années 1980, utilise l'intracavité AOM comme un volet transitoire qui ouvre et ferme à la moitié de la fréquence de la longueur de la cavité. Des impulsions de centaines de picosecondes peuvent être réalisées en utilisant cette méthode. Au cours des dernières décennies, les applications scientifiques ont nécessité une meilleure résolution temporelle et donc des impulsions plus courtes.
Les lasers de colorants pompés de manière synchrone fournissent une méthode viable pour régler la longueur d'onde centrale et raccourcir l'impulsion optique par ordre de grandeur (à des dizaines de picosecondes). Pour ce faire, la cavité laser de colorant doit avoir la même longueur de cavité que le laser de pompe verrouillé en mode. Les impulsions laser de la pompe et du colorant se réunissent au milieu de gain pour produire un rayonnement excité à partir des molécules de colorant. La sortie laser est stabilisée en ajustant la longueur de la cavité laser du colorant. Les configurations de pompage synchronisées peuvent également être utilisées pour entraîner des oscillateurs paramétriques optiques (OPO) (discuté ci-dessous).
Le laser verrouillé en mode Sapphire en titane est un exemple de verrouillage de mode de lentilles Kerr passif (voir figure 3). Dans cette approche, les impulsions sont générées par modulation de gain et l'indice de réfraction du saphir de titane dépend de l'intensité.
En principe, à mesure que l'impulsion se propage à travers le milieu de gain, l'intensité de pointe est plus élevée en présence de l'impulsion. Cela crée une lentille passive qui concentre le faisceau d'impulsions plus étroitement et extrait le gain plus efficacement jusqu'à ce qu'il n'y ait pas de gain pour soutenir la résonance simultanée des modes CW dans la cavité. Les perturbations mécaniques de la cavité sont utilisées pour induire des pointes d'intensité pour initier le verrouillage du mode. Cette approche a permis au saphir de titane de produire des impulsions aussi courtes que 4 fs.
Figure 3: Dans un laser en saphir en titane verrouillé en mode, la longueur d'onde centrale est réglée en déplaçant la fente de réglage située entre les deux prismes dispersifs.
Il convient de noter que la bande passante de plus de 300 nm peut être combinée en une seule impulsion. Selon le principe de l'incertitude de Heisenberg, les impulsions plus courtes nécessitent des modes plus longitudinaux. Par conséquent, la cavité laser doit avoir une compensation de dispersion suffisante de l'optique de la cavité pour maintenir la relation de phase requise pour le verrouillage de mode stable. Comme le montre la figure 3, des prismes compensateurs sont ajoutés à la cavité pour assurer une relation de phase constante. En utilisant cette méthode, des impulsions aussi courtes que 20 fs peuvent être obtenues. Afin de produire des impulsions plus courtes, une dispersion d'ordre supérieur doit également être compensée. Cette compensation est obtenue à l'aide d'une lentille optique du CHIRP pour maintenir la relation de phase requise pour le verrouillage de mode stable.
Étant donné que le verrouillage du mode de lentilles gazouillis est plus efficace avec des impulsions plus courtes (intensité plus élevée), cette méthode est principalement adaptée à la génération d'impulsions féminales. Dans la plage de 100 fs ~ 100 ps, une méthode hybride appelée verrouillage de mode régénératif peut être utilisée. Cette méthode utilise l'intracavité AOM et l'effet Kerr. La fréquence d'entraînement AOM est dérivée des mesures en temps réel de la fréquence de répétition de la cavité, et son amplitude dépend de la durée de l'impulsion. À mesure que la largeur d'impulsion souhaitée augmente et que l'effet Kerr diminue, l'amplitude AOM stabilisée augmente pour le verrouillage du mode de support. En conséquence, le verrouillage de mode régénératif peut fournir une sortie stable et accordable sur une large plage de 20 fs à 300 ps en utilisant un seul système laser.
À la fin des années 1990, le verrouillage du mode régénératif a permis le premier laser en saphir titane à un seul contrôlé par ordinateur. Cette innovation a rendu la technologie plus accessible à un plus large éventail de chercheurs et d'applications. Les progrès de l'imagerie multiphoton ont été motivés en grande partie par des avancées technologiques. Des impulsions laser fémtosecondes sont désormais disponibles pour les biologistes, les neuroscientifiques et les médecins. Un certain nombre d'avancées technologiques ont été réalisées au fil des ans qui ont conduit à l'utilisation générale des lasers en saphir en titane dans la bioimagerie.
Lasers Ytterbium ultra-rapides
Malgré l'utilité large des lasers saphir de titane, certaines expériences de bioimagerie nécessitent des longueurs d'onde plus longues. Les processus d'absorption typiques à deux photons sont excités par les photons à une longueur d'onde de 900 nm. Parce que les longueurs d'onde plus longues signifient moins de diffusion, des longueurs d'onde d'excitation plus longues peuvent entraîner plus efficacement des expériences biologiques qui nécessitent des profondeurs d'imagerie plus profondes.
Il est également essentiel de considérer la longueur d'onde des photons fluorescents ultérieurs du colorant attaché à l'échantillon biologique. La longueur d'onde de ces photons fluorescents se situe généralement dans la bande de 450 à 550 nm, ce qui est plus sensible à la diffusion. Par conséquent, plusieurs marqueurs fluorescents ont été développés qui absorbent progressivement les longueurs d'onde infrarouges. Pour répondre à cette exigence, l'industrie a développé un OPO pompé à un ordinateur, contrôlé par ordinateur, entraîné par un laser Ytterbium de 1045 nm avec des longueurs d'onde de sortie dans la plage de 680 à 1300 nm. Pour l'imagerie multiphotons, cette architecture offre une alternative de performance beaucoup plus élevée aux lasers saphir en titane.
Amplificateurs ultrafast
Les exemples ci-dessus produisent des impulsions ultra-rapides dans la plage d'énergie Nano-Joule (NJ). Cependant, de nombreuses applications nécessitent des sources lumineuses à réglage réglable d'énergie plus élevée. Étant donné que la conversion de la longueur d'onde est un processus non linéaire, l'efficacité dépend de l'énergie disponible. Pour ces applications, plusieurs techniques peuvent être utilisées pour augmenter l'énergie et l'accordabilité des lasers ultra-rapides.
L'amplification des impulsions ultra-rapides peut être divisée en deux catégories principales: l'amplification à plusieurs étages et l'amplification régénérative. Le premier a l'avantage que des énergies très élevées (100 mJ) peuvent être obtenues avec une entrée très faible, mais les passes répétées à travers l'étape d'amplification dégradent la qualité du faisceau de sortie. Par conséquent, l'amplification régénérative est la méthode préférée pour générer des énergies d'impulsion sur l'échelle Microjoule (µJ) ou Millijoule (MJ).
En général, l'amplification d'impulsion ultra-rapide est obtenue par des méthodes d'amplification à impulsion gazouillis (voir Fig. 4). Le processus commence par un oscillateur verrouillé en mode avec une durée d'impulsion fémtoseconde, c'est-à-dire un laser de graines. Il est essentiel que le laser des graines ait une bande passante suffisante afin que la durée de l'impulsion puisse être étirée ou gazouillée dans le temps. Le gazouillis optique se produit à la suite de différentes couleurs de lumière, voyageant à travers le matériau optique à différentes vitesses. En général, la lumière rouge se déplace plus rapidement que la lumière bleue. Par exemple, une élargissement du réseau introduit une lumière rouge gazouillie positivement avant la lumière bleue pour séparer les composants de longueur d'onde dans le temps et l'espace. L'élargissement des impulsions est nécessaire pour réduire la forte puissance de pointe des impulsions féminines à l'échelle de Millijoule. Après élargissement, des impulsions de près de 300 ps sont dirigées vers la cavité laser régénérative de deuxième étape. La dernière étape consiste à utiliser un deuxième réseau pour introduire un CHIRP négatif et à reconstruire l'impulsion amplifiée. L'ensemble du processus est illustré à la figure 4.
Figure 4: Amplification d'impulsion gazouillie
Aujourd'hui, la plupart des amplificateurs régénératifs utilisent du saphir de titane, mais d'autres médias gain (par exemple ytterbium) deviennent de plus en plus populaires. Avec les deux milieux de gain, les amplificateurs ont une accordabilité relativement étroite, le saphir en titane ayant une plage de réglage d'environ 780 à 820 nm, ce qui limite leur utilité dans les applications de spectroscopie. Pour surmonter cette limitation, plusieurs méthodes de conversion de fréquence sont disponibles.
La conversion de fréquence harmonique est le moyen le plus simple de régler la longueur d'onde d'un oscillateur ultrafast ou d'un système d'amplificateur ultrafast. En principe, les photons incidents sont convertis en un multiple entier de la fréquence fondamentale. Pour le saphir de titane (plage de réglage fondamentale de 700 à 1000 nm), la plage de réglage de la deuxième harmonique est de 350 ~ 500 nm, la troisième harmonique est de 233 ~ 333 nm et la quatrième harmonique est de 175 ~ 250 nm. En pratique, en raison de l'absorption par les cristaux harmoniques, le réglage de la quatrième harmonique est limité à 200 nm. Pour les applications qui nécessitent une longueur d'onde en dehors de cette plage, le paramètre pour les applications nécessitant des longueurs d'onde au-delà de cette plage, des options de conversion de paramètres sont nécessaires.
Ultrafast OPO et OPA
Bien que la sortie d'impulsion ultra-rapide puisse être multipliée ou même triplée, la plage de réglage de 700 à 1000 nm du saphir de titane laisse un espace de longueur d'onde dans les régions spectrales UV-Vis et IR. Pour les expériences qui nécessitent des impulsions ultra-rapides avec des longueurs d'onde "dans ces régions" vides "", une conversion en baisse des paramètres est nécessaire. Cette méthode convertit un seul photon à haute énergie en deux photons à basse énergie: un photon de signal et un photon idiot (voir figure 5).
Figure 5: Schéma de la conversion paramétrique.
La distribution d'énergie entre ces deux photons peut être configurée par l'utilisateur. Dans une configuration paramétrique typique basée sur le saphir de titane, le photon incident à une longueur d'onde de 800 nm, peut être réglé en continu d'environ 1200 nm à 2600 nm.Ceci la conversion de paramètre en aval est un processus non linéaire, l'efficacité de conversion peut devenir un problème. Pour surmonter cette limitation, un oscillateur paramétrique optique (OPO) est utilisé au niveau d'énergie nanofocal et un amplificateur paramétrique optique (OPA) est utilisé au niveau d'énergie millifocal.
Dans la cavité OPO, la lumière se compose d'un impulsion courte qui se propage dans les deux sens dans la cavité. Cependant, contrairement à la configuration du laser de colorant décrit ci-dessus, le milieu d'activation est un cristal non linéaire et ne stocke pas le gain. Le cristal OPO convertit les photons uniquement en présence d'une impulsion de pompe. Le fonctionnement réussi d'un OPO ultrafast nécessite que les impulsions de la source de la pompe arrivent au cristal en même temps que les photons inactifs et signalés circulant autour de la cavité OPO. En d'autres termes, un laser en saphir de titane à longueur d'onde fixe et un OPO ultrafast doivent avoir exactement la même longueur de cavité.
La disposition d'un OPO ultra-rapide typique est illustrée à la figure 6. La correspondance de phase et la longueur de la cavité sélectionnent automatiquement la longueur d'onde souhaitée et garantit que le temps aller-retour intracavité pour cette longueur d'onde est conservé à 80 MHz, ce qui est le même que pour un laser de pompe à saphir de titane. Dans cet exemple, l'OPO est entraîné par la deuxième harmonique du laser de pompe en saphir de titane. Le faisceau résultant de 400 nm produit des sorties de signal et de flânant avec une couverture de longueur d'onde totale de 490 à 750 nm (sortie de signal) et de 930 nm à 2,5 µm (sortie de pêcheur), avec une largeur d'impulsion inférieure à 200 fs. Lorsqu'il est combiné avec la plage de réglage du Titanium Sapphire Fundamental de 690 à 1040 nm, le système couvre une plage de longueurs d'onde de 485 nm à 2,5 µm. gamme. Les applications typiques comprennent des études de soliton, une spectroscopie vibrationnelle résolue dans le temps et des expériences de sondage de pompe ultra-rapide.
Figure 6: Dans un oscillateur paramétrique optique pompé de manière synchrone (OPO), la longueur d'onde centrale est variée en ajustant l'angle de correspondance de phase du cristal non linéaire.
L'OPA utilise le même processus optique non linéaire, mais comme l'impulsion de pompe a une puissance de crête plus élevée, un résonateur optique n'est pas requis pour une conversion efficace de la longueur d'onde. Une petite partie du faisceau de l'amplificateur ultrafast est concentrée sur une plaque saphir pour produire un spectre de continuum de lumière blanche. Le spectre du continuum léger blanc est ensemencé dans un cristal OPA (généralement un cristal borate de baryum) et pompé avec le reste du faisceau d'amplificateur ultra-rapide. Un seul passage du faisceau à travers l'OPA produit un signal amplifié d'ordre de magnitude et une lumière parasite. La longueur d'onde centrale de la lumière de sortie est à nouveau contrôlée par les conditions de correspondance de phase du cristal, et la bande passante spectrale est généralement déterminée par la bande passante de la pompe et des faisceaux de graines ou la bande passante reçue du cristal.
Cet OPA peut fonctionner dans la gamme Femtoseconde ou Picoseconde avec des énergies allant jusqu'à quelques millijoules par impulsion. À ces niveaux d'énergie, le signal résultant et la lumière ouverte peuvent être convertis en leurs harmoniques ou par un mélange de fréquence de somme et / ou de différence.
Les OPAS pompés avec des énergies d'impulsions Millijoule sont capables de générer des photons de l'ultraviolet profond de 190 nm à la région spectrale infrarouge lointaine. Ces dispositifs facilitent de nombreuses applications spectroscopiques telles que la spectroscopie d'absorption transitoire, la conversion positive à la fluorescence, la spectroscopie infrarouge 2D et la génération harmonique élevée.
Conclusion
Les lasers accordables sont désormais utilisés dans de nombreuses applications importantes allant de la recherche scientifique fondamentale à la fabrication laser et aux sciences de la vie et de la santé. La gamme de technologies actuellement disponibles est vaste. En commençant par de simples systèmes accordables CW, leurs largeurs de ligne étroites peuvent être utilisées pour la spectroscopie à haute résolution, le piégeage moléculaire et atomique et les expériences d'optique quantique, fournissant des informations critiques aux chercheurs modernes.
Les systèmes d'amplificateurs ultra-rapides plus sophistiqués utilisent des impulsions laser à haute énergie, picoseconde et fémlond pour produire une sortie laser dans les bandes UV à Far-Red. Ces lasers ultra-rapides sont essentiels pour comprendre la physique à haute énergie, les harmoniques élevées et la spectroscopie transitoire. La large plage de réglage signifie que le même système laser peut être utilisé pour étudier une gamme infinie d'expériences dans la spectroscopie électronique et vibratoire. Les fabricants laser d'aujourd'hui proposent des solutions de type à guichet unique, fournissant des sorties laser couvrant plus de 300 nm dans la gamme d'énergie nanofocale. Des systèmes plus sophistiqués s'étendent sur une plage spectrale impressionnante de 200 à 20, 000 nm dans les plages d'énergie microfocus et Millifocus.
