Laser ajustável - Tunable laser
Um laser sintonizável é um laser cujo comprimento de onda de operação pode ser alterado de maneira controlada. Enquanto todos os meios de ganho de laser permitem pequenas mudanças no comprimento de onda de saída, apenas alguns tipos de lasers permitem o ajuste contínuo em uma faixa significativa de comprimento de onda.
Existem muitos tipos e categorias de lasers ajustáveis. Eles existem no estado gasoso, líquido e sólido. Entre os tipos de lasers sintonizáveis são lasers excimer , lasers de gás (tal como CO 2 e de He-Ne lasers), lasers de corante (estado líquido e sólido), de metal de transição lasers de estado sólido , de semicondutor de cristal e de diodo laser , e lasers de electrões livres . Os lasers ajustáveis encontram aplicações em espectroscopia , fotoquímica , separação de isótopos de laser de vapor atômico e comunicações ópticas .
Tipos de sintonia
Afinação de linha única
Como nenhum laser real é verdadeiramente monocromático , todos os lasers podem emitir luz em uma faixa de frequências, conhecida como largura de linha da transição do laser. Na maioria dos lasers, essa largura de linha é bastante estreita (por exemplo, a transição de comprimento de onda de 1.064 nm de um laser Nd: YAG tem uma largura de linha de aproximadamente 120 GHz, ou 0,45 nm). O ajuste da saída do laser através desta faixa pode ser alcançado colocando elementos ópticos seletivos do comprimento de onda (como um etalon ) na cavidade óptica do laser , para fornecer a seleção de um modo longitudinal específico da cavidade.
Afinação multi-linha
A maioria dos meios de ganho de laser tem vários comprimentos de onda de transição nos quais a operação do laser pode ser alcançada. Por exemplo, assim como a linha de saída principal de 1.064 nm, Nd: YAG tem transições mais fracas em comprimentos de onda de 1.052 nm, 1.074 nm, 1.112 nm, 1.319 nm e várias outras linhas. Normalmente, essas linhas não operam a menos que o ganho da transição mais forte seja suprimido; por exemplo, pelo uso de espelhos dielétricos seletivos de comprimento de onda . Se um elemento dispersivo , como um prisma , for introduzido na cavidade óptica, a inclinação dos espelhos da cavidade pode causar o ajuste do laser, uma vez que ele "salta" entre as diferentes linhas de laser. Estes regimes são comuns em árgon - lasers de ião , permitindo ajustes do laser para um número de linhas a partir do ultravioleta e azul através de verde comprimentos de onda.
Sintonia de banda estreita
Para alguns tipos de lasers, o comprimento da cavidade do laser pode ser modificado e, portanto, eles podem ser continuamente ajustados em uma faixa significativa de comprimento de onda. Lasers semicondutores de feedback distribuído (DFB) e lasers emissores de superfície de cavidade vertical (VCSELs) usam estruturas de refletor de Bragg distribuídas periódicas (DBR) para formar os espelhos da cavidade óptica. Se a temperatura do laser for alterada, a alteração do índice da estrutura DBR causa uma mudança em seu comprimento de onda reflexivo de pico e, portanto, no comprimento de onda do laser. A faixa de sintonia de tais lasers é tipicamente de alguns nanómetros, até um máximo de cerca de 6 nm, enquanto a temperatura do laser é alterada ao longo de ~ 50 K . Como regra geral, o comprimento de onda é ajustado em 0,08 nm / K para lasers DFB operando no regime de comprimento de onda de 1.550 nm. Esses lasers são comumente usados em aplicações de comunicações ópticas, como sistemas DWDM para permitir o ajuste do comprimento de onda do sinal. Para obter sintonia de banda larga usando esta técnica, alguns como Santur Corporation ou Nippon Telegraph and Telephone (NTT Corporation) contêm uma série de tais lasers em um único chip e concatenam as faixas de sintonia.
Lasers amplamente ajustáveis
Os lasers de Bragg Reflector com grade de amostra (SG-DBR) têm uma faixa ajustável muito maior, pelo uso de espelhos Bragg ajustáveis de vernier e uma seção de fase, uma faixa de saída de modo único de> 50 nm pode ser selecionada. Outras tecnologias para atingir amplas faixas de ajuste para sistemas DWDM são:
- Lasers de cavidade externa usando uma estrutura MEMS para ajustar o comprimento da cavidade, como os dispositivos comercializados pela Iolon .
- Lasers de cavidade externa usando arranjos de grade de prisma múltiplo para ajuste de amplo alcance.
- Matrizes de laser DFB baseadas em vários lasers DFB sintonizados termicamente: O ajuste grosso é obtido selecionando a barra de laser correta. O ajuste fino é então feito termicamente, como os dispositivos comercializados pela Santur Corporation .
- VCSEL ajustável: uma das duas pilhas de espelhos é móvel. Para obter potência de saída suficiente de uma estrutura VCSEL, os lasers no domínio de 1.550 nm são geralmente bombeados opticamente ou têm um amplificador óptico adicional embutido no dispositivo.
Em dezembro de 2008, não havia mais VCSEL amplamente ajustável disponível comercialmente para aplicativos do sistema DWDM .
Alega-se que o primeiro laser infravermelho com sintonia de mais de uma oitava foi um laser de cristal de germânio.
Formulários
A gama de aplicações dos lasers sintonizáveis é extremamente ampla. Quando acoplada ao filtro certo, uma fonte sintonizável pode ser sintonizada em algumas centenas de nanômetros com uma resolução espectral que pode ir de 4 nm a 0,3 nm, dependendo da faixa de comprimento de onda . Com um isolamento bom o suficiente (> OD4), a fonte sintonizável pode ser usada para absorção básica e estudo de fotoluminescência . Ele pode ser usado para caracterização de células solares em um experimento de corrente induzida por feixe de luz (LBIC) a partir do qual a eficiência quântica externa (EQE) de um dispositivo pode ser mapeada. Ele também pode ser usado para a caracterização de nanopartículas de ouro e termopilha de nanotubo de carbono de parede única, onde uma ampla faixa ajustável de 400 nm a 1.000 nm é essencial. Fontes ajustáveis foram recentemente usadas para o desenvolvimento de imagens hiperespectrais para detecção precoce de doenças retinais onde uma ampla faixa de comprimento de onda, uma pequena largura de banda e um excelente isolamento são cruciais para alcançar uma iluminação eficiente de toda a retina . A fonte ajustável pode ser uma ferramenta poderosa para espectroscopia de reflexão e transmissão , fotobiologia , calibração de detector, imagem hiperespectral e experimento com bomba de estado estacionário, para citar apenas alguns.
História
O primeiro laser verdadeiramente amplamente ajustável foi o laser de corante em 1966. Hänsch introduziu o primeiro laser sintonizável de largura de linha estreita em 1972. Os lasers de corante e alguns lasers vibrônicos de estado sólido têm larguras de banda extremamente grandes, permitindo o ajuste em uma faixa de dezenas a centenas de nanômetros . A safira dopada com titânio é o laser de estado sólido sintonizável mais comum, capaz de operar a laser de comprimento de onda de 670 nm a 1.100 nm. Normalmente, esses sistemas de laser incorporam um filtro Lyot na cavidade do laser, que é girado para ajustar o laser. Outras técnicas de ajuste envolvem grades de difração, prismas, etalons e combinações destes. Arranjos de grade de prisma múltiplo , em várias configurações, conforme descrito por Duarte , são usados em lasers de diodo, corante, gás e outros sintonizáveis.
Veja também
Referências
Leitura adicional
- Koechner, Walter (1988). Solid-State Laser Engineering (2ª ed.). Springer-Verlag. ISBN 978-3-540-18747-9.