ट्यून करने योग्य लेजर: यूवी से आईआर तक तरंग दैर्ध्य का उत्पादन

कई लेजर ऑपरेटर को यूवी में आउटपुट तरंग दैर्ध्य को ट्यून करने या बदलने की अनुमति देते हैं, क्योंकि आवश्यकतानुसार आईआर तरंग दैर्ध्य रेंज में। हमारी पिछली चर्चा के बाद कि कैसे ट्यून करने योग्य लेज़रों को लागू किया जाता है, यह लेख ट्यून करने योग्य लेज़रों के प्रकारों और अनुप्रयोगों पर विस्तार से चर्चा करेगा।

ट्यून करने योग्य लेज़रों का उपयोग करने वाले अनुप्रयोग आम तौर पर दो व्यापक श्रेणियों में आते हैं: वे जिनमें एक एकल या बहु-लाइन फिक्स्ड-वेवलेंथ लेजर लेजर वांछित असतत तरंग दैर्ध्य या तरंग दैर्ध्य प्रदान करने में असमर्थ हैं, और जिनमें लेजर वेवलेंथ को प्रयोगों या परीक्षणों के दौरान लगातार ट्यून किया जाना चाहिए, जैसे कि स्पेक्ट्रोस्कोपी और पंप-प्रोबैम में।

कई प्रकार के ट्यून करने योग्य लेजर ट्यून करने योग्य निरंतर लहर (सीडब्ल्यू), नैनोसेकंड, पिकोसेकंड, या फेमटोसेकंड पल्स आउटपुट का उत्पादन करने में सक्षम हैं। उनकी आउटपुट विशेषताओं को लेजर गेन मीडियम द्वारा निर्धारित किया जाता है।

ट्यून करने योग्य लेज़रों के लिए एक बुनियादी आवश्यकता यह है कि वे तरंग दैर्ध्य की एक विस्तृत श्रृंखला में लेजर प्रकाश का उत्सर्जन करने में सक्षम हैं। विशेष प्रकाशिकी का उपयोग ट्यून करने योग्य लेजर के उत्सर्जन बैंड से एक विशिष्ट तरंग दैर्ध्य या तरंग दैर्ध्य के बैंड का चयन करने के लिए किया जा सकता है।

ट्यून करने योग्य लेज़रों का उत्पादन करने में सक्षम विभिन्न प्रकार की सामग्री हैं, जिनमें से सबसे आम कार्बनिक रंग और टाइटेनियम नीलम क्रिस्टल (TI: नीलम) हैं। इन दो लाभ सामग्रियों के मामले में, आर्गन आयन (एआर+) लेजर या आवृत्ति-डाउल्ड नियोडिमियम आयन (एनडी 3+) लेजर का उपयोग पंप स्रोत के रूप में लगभग 490 एनएम पर पंप प्रकाश के कुशल अवशोषण के कारण किया जाता है।

डाई अणुओं का उपयोग पराबैंगनी में तरंग दैर्ध्य का उत्पादन करने के लिए किया जा सकता है (यूवी-विज़) रेंज में। हालांकि, कई अलग -अलग डाई अणुओं के बीच स्विच करना एक विस्तृत ट्यूनिंग रेंज को प्राप्त करने के लिए आवश्यक है, जिससे प्रक्रिया काफी बोझिल और जटिल हो जाती है। इसके विपरीत, ठोस-राज्य लेजर केवल एक लेजर लाभ सामग्री (जैसे, ढांकता हुआ क्रिस्टल) का उपयोग करके एक विस्तृत ट्यूनिंग रेंज प्राप्त कर सकते हैं, जो लगातार डाई परिवर्तनों की आवश्यकता को समाप्त करते हैं।

वर्तमान में, टाइटेनियम नीलम 680 से 1100 एनएम के व्यापक उत्सर्जन स्पेक्ट्रम के साथ प्राथमिक ट्यून करने योग्य लेजर लाभ सामग्री के रूप में उभरा है, जिसे लगातार ट्यून किया जा सकता है और एक आउटपुट जो यूवी-विज़ स्पेक्ट्रल रेंज में या आईआर स्पेक्ट्रल क्षेत्र में बदल दिया जा सकता है। ये गुण रसायन विज्ञान और जीव विज्ञान में अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला को सक्षम करते हैं।

ट्यून करने योग्य सीडब्ल्यू स्टैंडिंग वेव लेजर

वैचारिक रूप से, सीडब्ल्यू स्टैंडिंग वेव लेजर सबसे सरल लेजर आर्किटेक्चर है। इसमें एक अत्यधिक चिंतनशील दर्पण, लाभ मध्यम और एक आउटपुट युग्मक दर्पण (चित्र 1 देखें) शामिल हैं, जो विभिन्न प्रकार के लेजर लाभ माध्यमों का उपयोग करके सीडब्ल्यू आउटपुट प्रदान करता है। ट्यूनबिलिटी प्राप्त करने के लिए, लक्ष्य तरंग दैर्ध्य रेंज को कवर करने के लिए लाभ माध्यम को चुना जाना चाहिए।

चित्र 1: एक टाइटेनियम नीलम-आधारित सीडब्ल्यू स्टैंडिंग वेव लेजर का योजनाबद्ध। एक birefringent ट्यूनिंग फ़िल्टर दिखाया गया है।

लेजर तरंग दैर्ध्य को वांछित सीमा तक ट्यून करने के लिए कई फ्लोरोसेंट रंजक का उपयोग किया जा सकता है। डाई लेज़रों का मुख्य लाभ यूवी-विज़ बैंड में तरंग दैर्ध्य की एक विस्तृत श्रृंखला को कवर करने की क्षमता है, लेकिन नुकसान यह है कि एकल डाई/विलायक का उपयोग केवल एक संकीर्ण तरंग दैर्ध्य ट्यूनिंग क्षमता प्रदान करता है। इसके विपरीत, ठोस-राज्य टाइटेनियम नीलम लेज़रों को एकल लाभ माध्यम का उपयोग करके एक विस्तृत तरंग दैर्ध्य ट्यूनिंग रेंज प्रदान करने का लाभ होता है, लेकिन केवल 690 से 1100 एनएम तक निकट-अवरक्त (NIR) बैंड में संचालित करने में सक्षम होने का नुकसान होता है।

दोनों लाभ मीडिया के लिए, तरंग दैर्ध्य ट्यूनिंग निष्क्रिय तरंग दैर्ध्य स्थिरीकरण तत्वों द्वारा प्राप्त की जाती है। पहला मल्टी-प्लाट बायरफ्रिंगेंट फ़िल्टर या लियोट फ़िल्टर है। यह फ़िल्टर एक विशिष्ट तरंग दैर्ध्य पर उच्च संचरण प्रदान करके लाभ को नियंत्रित करता है, इस प्रकार लेजर को उस तरंग दैर्ध्य पर संचालित करने के लिए मजबूर करता है।

ट्यूनिंग को इस birefringent फिल्टर को घुमाकर पूरा किया जाता है। हालांकि सरल, CW स्टैंडिंग वेव लेजर कई अनुदैर्ध्य लेजर मोड के लिए अनुमति देता है। यह लगभग 40 गीगाहर्ट्ज पूर्ण-चौड़ाई की एक लाइनविड्थ का उत्पादन करता है (<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.

ट्यून करने योग्य सीडब्ल्यू रिंग लेजर

1980 के दशक की शुरुआत से, रिंग लेज़रों का उपयोग किलोहर्ट्ज़ रेंज में एक स्पेक्ट्रल बैंडविड्थ के साथ एकल अनुदैर्ध्य मोड के माध्यम से ट्यून करने योग्य सीडब्ल्यू आउटपुट को प्राप्त करने के लिए किया गया है। स्टैंडिंग वेव लेज़रों के समान, ट्यून करने योग्य रिंग लेज़र्स लाभ मीडिया के रूप में रंजक और टाइटेनियम नीलम का उपयोग कर सकते हैं। डाई बहुत संकीर्ण लिनड्थ प्रदान करने में सक्षम हैं<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.

हाइजेनबर्ग के अनिश्चितता सिद्धांत के अनुसार, जैसा कि ऊर्जा की परिभाषा अधिक सटीक हो जाती है, पल्स चौड़ाई जो निर्धारित की जा सकती है वह कम सटीक हो जाती है। स्टैंडिंग वेव सीडब्ल्यू लेज़रों के लिए, गुहा की लंबाई एक असतत अनुदैर्ध्य मोड के रूप में अनुमत ऊर्जा की मात्रा को परिभाषित करती है। जब गुहा की लंबाई कम होती है, तो अनुदैर्ध्य मोड की संख्या में वृद्धि होती है, जिसके परिणामस्वरूप एक व्यापक, कम परिभाषित आउटपुट लाइनविड्थ होता है।

रिंग कॉन्फ़िगरेशन में, लेजर गुहा को एक असीम रूप से लंबी गुहा माना जा सकता है और ऊर्जा को सटीक रूप से परिभाषित किया जा सकता है। गुहा में केवल एक अनुदैर्ध्य मोड मौजूद है। एकल-मोड ऑपरेटिंग स्थितियों को प्राप्त करने के लिए, कई ऑप्टिकल तत्वों को विशेष रूप से आवश्यक है (चित्र 2 देखें)।

चित्रा 2: एक बाहरी संदर्भ गुहा के साथ एक रिंग के आकार के टाइटेनियम नीलम लेजर का ऑप्टिकल लेआउट।

सबसे पहले, एक फैराडे आइसोलेटर को यह सुनिश्चित करने के लिए गुहा में डाला जाता है कि इंट्राकैविटी फोटॉन हमेशा एक ही पथ का अनुसरण करते हैं। एक इंट्राकैविटी मानकीकृत स्थिरता का उपयोग आउटपुट लाइनविड्थ को और कम करने के लिए किया जाता है। स्टैंडिंग वेव लेजर कैविटीज के विपरीत, रिंग कॉन्फ़िगरेशन में कोई अंत दर्पण नहीं हैं। फोटॉन लेजर गुहा के भीतर लगातार प्रसारित होते हैं। दूसरा, गुहा की लंबाई को गर्मी या कंपन जैसे पर्यावरणीय उतार -चढ़ाव के कारण किसी भी यांत्रिक परिवर्तनों के लिए सही करने के लिए स्थिर किया जाना चाहिए।

अल्ट्रा-नैरो स्पेक्ट्रल बैंडविड्थ्स को प्राप्त करने के लिए, गुहा को दो तरीकों में से एक का उपयोग करके स्थिर किया जा सकता है: एक विधि किलोहर्ट्ज़ रेंज में प्रतिक्रिया समय के साथ गुहा की लंबाई को स्थिर करने के लिए यांत्रिक पीजोइलेक्ट्रिक-चालित दर्पण का उपयोग करती है, और अन्य विधि इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल (ईओ) मॉड्यूलर का उपयोग करती है। कई विशेष प्रयोगशाला सेटअपों से पता चला है कि स्पेक्ट्रल बैंडविड्थ को हर्ट्ज में मापा जा सकता है। रिंग गुहा के वर्णक्रमीय संकल्प को निर्धारित करने में महत्वपूर्ण कारक बाहरी आवृत्ति संदर्भ गुहा है। जैसा कि चित्र 2 में दिखाया गया है, लेजर गुहा की लंबाई को स्थिर करने के लिए आवश्यक संकेत उत्पन्न करने के लिए एक संदर्भ गुहा का उपयोग किया जाता है। इस बाहरी संदर्भ गुहा को तापमान, यांत्रिक कंपन और ध्वनिक शोर के कारण होने वाले पर्यावरणीय उतार -चढ़ाव से अलग किया जाना चाहिए। संदर्भ गुहा को दोनों के बीच अनजाने युग्मन से बचने के लिए रिंग लेजर गुहा से अच्छी तरह से अलग किया जाना चाहिए। संदर्भ संकेत को पाउंड-ड्रेवर-हॉल विधि का उपयोग करके संसाधित किया जाता है।

मोड-लॉक किया गया क्वासी-कॉन्टिनम लेजर

कई अनुप्रयोगों के लिए, लेजर आउटपुट की सटीक रूप से परिभाषित लौकिक विशेषताएं सटीक रूप से परिभाषित ऊर्जा की तुलना में अधिक महत्वपूर्ण हैं। वास्तव में, छोटे ऑप्टिकल दालों को प्राप्त करने के लिए एक गुहा कॉन्फ़िगरेशन की आवश्यकता होती है जिसमें कई अनुदैर्ध्य मोड एक साथ गूंजते हैं। जब इन परिसंचारी अनुदैर्ध्य मोड का लेजर गुहा के भीतर एक निश्चित चरण संबंध होता है, तो लेजर मोड-लॉक किया जाता है। यह लेजर गुहा की लंबाई द्वारा परिभाषित अवधि के साथ गुहा के भीतर एक एकल नाड़ी का एहसास करेगा।

सक्रिय मोड-लॉकिंग को एक केर लेंस के माध्यम से एक Acousto-Optic मॉड्यूलेटर (AOM) या निष्क्रिय मोड-लॉकिंग का उपयोग करके प्राप्त किया जा सकता है। पूर्व, जो 1980 के दशक में अधिक लोकप्रिय हो गया, इंट्राकैविटी एओएम को एक क्षणिक शटर के रूप में उपयोग करता है जो गुहा की लंबाई की आधी आवृत्ति पर खुलता है और बंद हो जाता है। इस पद्धति का उपयोग करके सैकड़ों पिकोसकंड के दालों को प्राप्त किया जा सकता है। पिछले कुछ दशकों में, वैज्ञानिक अनुप्रयोगों में बेहतर अस्थायी संकल्प और इसलिए कम दालों की आवश्यकता है।

सिंक्रोनस रूप से पंप किए गए डाई लेजर केंद्र तरंग दैर्ध्य को ट्यून करने और परिमाण के एक आदेश (दसियों पिकोसकंड के लिए) द्वारा ऑप्टिकल पल्स को छोटा करने के लिए एक व्यवहार्य विधि प्रदान करते हैं। इसे पूरा करने के लिए, डाई लेजर गुहा में मोड-लॉक किए गए पंप लेजर के समान गुहा की लंबाई होनी चाहिए। पंप और डाई लेजर दालों को डाई अणुओं से उत्साहित विकिरण का उत्पादन करने के लिए लाभ माध्यम में मिलते हैं। लेजर आउटपुट को डाई लेजर गुहा की लंबाई को समायोजित करके स्थिर किया जाता है। सिंक्रोनाइज़्ड पंपिंग कॉन्फ़िगरेशन का उपयोग ऑप्टिकल पैरामीट्रिक ऑसिलेटर (ओपीओ) (नीचे चर्चा की गई) को चलाने के लिए भी किया जा सकता है।

टाइटेनियम नीलम मोड-लॉक लेजर निष्क्रिय केर लेंस मोड-लॉकिंग का एक उदाहरण है (चित्र 3 देखें)। इस दृष्टिकोण में, दालों को लाभ मॉड्यूलेशन द्वारा उत्पन्न किया जाता है और टाइटेनियम नीलम का अपवर्तक सूचकांक तीव्रता पर निर्भर करता है।

सिद्धांत रूप में, जैसा कि पल्स लाभ माध्यम के माध्यम से फैलता है, नाड़ी की उपस्थिति में शिखर की तीव्रता अधिक होती है। यह एक निष्क्रिय लेंस बनाता है जो पल्स बीम को अधिक कसकर केंद्रित करता है और लाभ को अधिक कुशलता से निकालता है जब तक कि गुहा में सीडब्ल्यू मोड के एक साथ अनुनाद का समर्थन करने के लिए कोई लाभ नहीं होता है। गुहा के लिए यांत्रिक गड़बड़ी का उपयोग मोड लॉकिंग शुरू करने के लिए तीव्रता वाले स्पाइक्स को प्रेरित करने के लिए किया जाता है। इस दृष्टिकोण ने टाइटेनियम नीलम को 4 एफएस के रूप में दालों का उत्पादन करने की अनुमति दी।

चित्र 3: एक मोड-लॉक टाइटेनियम नीलम लेजर में, केंद्र तरंग दैर्ध्य को दो फैलाने वाले प्रिज्मों के बीच स्थित ट्यूनिंग स्लिट को स्थानांतरित करके ट्यून किया जाता है।

यह ध्यान देने योग्य है कि 300 एनएम से अधिक के बैंडविड्थ को एक एकल पल्स में जोड़ा जा सकता है। हाइजेनबर्ग के अनिश्चितता सिद्धांत के अनुसार, कम दालों को अधिक अनुदैर्ध्य मोड की आवश्यकता होती है। इसलिए, लेजर गुहा में स्थिर मोड लॉकिंग के लिए आवश्यक चरण संबंध बनाए रखने के लिए गुहा प्रकाशिकी से पर्याप्त फैलाव मुआवजा होना चाहिए। जैसा कि चित्र 3 में दिखाया गया है, एक निरंतर चरण संबंध सुनिश्चित करने के लिए गुहा में प्रिज्मों की भरपाई की जाती है। इस पद्धति का उपयोग करते हुए, 20 एफएस के रूप में कम दालों को प्राप्त किया जा सकता है। कम दालों का उत्पादन करने के लिए, उच्च आदेश फैलाव को भी मुआवजा दिया जाना चाहिए। यह मुआवजा स्थिर मोड-लॉकिंग के लिए आवश्यक चरण संबंध बनाए रखने के लिए एक ऑप्टिकल चिरप लेंस का उपयोग करके प्राप्त किया जाता है।

चूंकि चिरप्ड-लेंस मोड-लॉकिंग छोटी दालों (उच्च तीव्रता) के साथ सबसे प्रभावी है, इसलिए यह विधि मुख्य रूप से फेमटोसेकंड दालों को उत्पन्न करने के लिए अनुकूल है। 100 एफएस ~ 100 पीएस की सीमा में, पुनर्योजी मोड-लॉकिंग नामक एक हाइब्रिड विधि का उपयोग किया जा सकता है। यह विधि इंट्राकैविटी एओएम और केर प्रभाव का उपयोग करती है। AOM ड्राइव आवृत्ति गुहा पुनरावृत्ति आवृत्ति के वास्तविक समय माप से ली गई है, और इसका आयाम पल्स अवधि पर निर्भर है। जैसे -जैसे वांछित पल्स चौड़ाई बढ़ती है और केर प्रभाव कम हो जाता है, मोड लॉकिंग का समर्थन करने के लिए स्थिर AOM आयाम बढ़ता है। नतीजतन, पुनर्योजी मोड-लॉकिंग एकल लेजर सिस्टम का उपयोग करके 20 एफएस से 300 पीएस की एक विस्तृत श्रृंखला पर स्थिर, ट्यून करने योग्य आउटपुट प्रदान कर सकता है।

1990 के दशक के उत्तरार्ध में, पुनर्योजी मोड-लॉकिंग ने पहले ट्यून करने योग्य, ऑल-इन-वन कंप्यूटर-नियंत्रित टाइटेनियम नीलम लेजर को सक्षम किया। इस नवाचार ने प्रौद्योगिकी को शोधकर्ताओं और अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला के लिए अधिक सुलभ बना दिया। मल्टीफोटन इमेजिंग में अग्रिमों को तकनीकी विकास द्वारा बड़े हिस्से में संचालित किया गया है। फेमटोसेकंड लेजर दालें अब जीवविज्ञानी, न्यूरोसाइंटिस्ट और चिकित्सकों के लिए उपलब्ध हैं। वर्षों से कई तकनीकी प्रगति की गई है, जिसके कारण बायोइमेजिंग में टाइटेनियम नीलम लेज़रों का सामान्य उपयोग हुआ है।
अल्ट्राफैस्ट यटेरबियम लेजर

टाइटेनियम नीलम लेज़रों की व्यापक उपयोगिता के बावजूद, कुछ बायोइमेजिंग प्रयोगों को लंबे समय तक तरंग दैर्ध्य की आवश्यकता होती है। विशिष्ट दो-फोटॉन अवशोषण प्रक्रियाएं 900 एनएम के तरंग दैर्ध्य पर फोटॉन द्वारा उत्साहित हैं। क्योंकि लंबी तरंग दैर्ध्य का मतलब कम बिखरना है, लंबे समय तक उत्तेजना तरंग दैर्ध्य अधिक प्रभावी ढंग से जैविक प्रयोगों को चला सकते हैं जिन्हें गहरी इमेजिंग गहराई की आवश्यकता होती है।

जैविक नमूने से जुड़े डाई के बाद के फ्लोरोसेंट फोटॉन की तरंग दैर्ध्य पर विचार करना भी महत्वपूर्ण है। इस तरह के फ्लोरोसेंट फोटॉन की तरंग दैर्ध्य आमतौर पर 450 से 550 एनएम बैंड में होती है, जो बिखरने के लिए अधिक अतिसंवेदनशील होती है। इसलिए, कई फ्लोरोसेंट मार्करों को विकसित किया गया है जो उत्तरोत्तर अवरक्त तरंग दैर्ध्य को अवशोषित करते हैं। इस आवश्यकता को पूरा करने के लिए, उद्योग ने 680 से 1300 एनएम की सीमा में आउटपुट तरंग दैर्ध्य के साथ 1045 एनएम ytterbium लेजर द्वारा संचालित एक ऑल-इन-वन, कंप्यूटर-नियंत्रित, सिंक्रोनस पंप ओपीओ विकसित किया है। मल्टीफोटन इमेजिंग के लिए, यह आर्किटेक्चर टाइटेनियम नीलम लेज़रों के लिए काफी अधिक प्रदर्शन विकल्प प्रदान करता है।

अल्ट्राफास्ट एम्पलीफायरों

उपरोक्त उदाहरण नैनो-जूल (एनजे) ऊर्जा रेंज में अल्ट्राफास्ट दालों का उत्पादन करते हैं। हालांकि, कई अनुप्रयोगों को उच्च ऊर्जा ट्यून करने योग्य प्रकाश स्रोतों की आवश्यकता होती है। चूंकि तरंग दैर्ध्य रूपांतरण एक nonlinear प्रक्रिया है, इसलिए दक्षता उपलब्ध ऊर्जा पर निर्भर करती है। इन अनुप्रयोगों के लिए, अल्ट्राफास्ट लेज़रों की ऊर्जा और ट्यूनबिलिटी को बढ़ाने के लिए कई तकनीकों का उपयोग किया जा सकता है।

अल्ट्राफास्ट दालों के प्रवर्धन को दो मुख्य श्रेणियों में विभाजित किया जा सकता है: मल्टीस्टेज प्रवर्धन और पुनर्योजी प्रवर्धन। पूर्व का लाभ यह है कि बहुत उच्च ऊर्जा (100 एमजे) को बहुत कम इनपुट के साथ प्राप्त किया जा सकता है, लेकिन प्रवर्धन चरण के माध्यम से बार -बार पास आउटपुट बीम गुणवत्ता को नीचा दिखाता है। इसलिए, पुनर्योजी प्रवर्धन microjoule (µj) या मिलिजौले (MJ) पैमाने पर पल्स ऊर्जा उत्पन्न करने के लिए पसंदीदा विधि है।

सामान्य तौर पर, अल्ट्राफास्ट पल्स प्रवर्धन chirped-pulse प्रवर्धन विधियों द्वारा प्राप्त किया जाता है (चित्र 4 देखें)। यह प्रक्रिया फेमटोसेकंड पल्स अवधि, अर्थात, एक बीज लेजर के साथ एक मोड-लॉक किए गए थरथरानवाला के साथ शुरू होती है। सीड लेजर के लिए पर्याप्त बैंडविड्थ होना महत्वपूर्ण है ताकि पल्स की अवधि को समय में बढ़ाया या चहक दिया जा सके। ऑप्टिकल चिरिंग प्रकाश के विभिन्न रंगों के परिणामस्वरूप होती है, अलग -अलग गति से ऑप्टिकल सामग्री के माध्यम से यात्रा करती है। सामान्य तौर पर, लाल बत्ती नीली रोशनी की तुलना में तेजी से यात्रा करती है। उदाहरण के लिए, एक चौड़ी झंझरी समय और स्थान में तरंग दैर्ध्य घटकों को अलग करने के लिए नीली रोशनी से पहले सकारात्मक रूप से लाल प्रकाश का परिचय देती है। मिलिजौले-स्केल फेमटोसेकंड दालों की मजबूत शिखर शक्ति को कम करने के लिए पल्स चौड़ीकरण आवश्यक है। चौड़ीकरण के बाद, लगभग 300 पीएस के दालों को दूसरे चरण के पुनर्योजी लेजर गुहा के लिए निर्देशित किया जाता है। अंतिम चरण एक नकारात्मक चिरप को पेश करने और प्रवर्धित पल्स को फिर से संगठित करने के लिए एक दूसरे झंझरी का उपयोग करना है। पूरी प्रक्रिया अंजीर में दिखाया गया है। 4।

चित्रा 4: चिर्ड पल्स प्रवर्धन

आज, अधिकांश पुनर्योजी एम्पलीफायरों टाइटेनियम नीलम का उपयोग करते हैं, लेकिन अन्य लाभ मीडिया (जैसे ytterbium) अधिक से अधिक लोकप्रिय हो रहे हैं। दोनों लाभ मीडिया के साथ, एम्पलीफायरों में अपेक्षाकृत संकीर्ण ट्यूनबिलिटी होती है, जिसमें टाइटेनियम नीलम होता है, जिसमें लगभग 780 से 820 एनएम की ट्यूनिंग रेंज होती है, जो स्पेक्ट्रोस्कोपी अनुप्रयोगों में उनकी उपयोगिता को सीमित करती है। इस सीमा को पार करने के लिए, कई आवृत्ति रूपांतरण विधियां उपलब्ध हैं।

हार्मोनिक आवृत्ति रूपांतरण, एक अल्ट्राफास्ट ऑसिलेटर या अल्ट्राफास्ट एम्पलीफायर सिस्टम की तरंग दैर्ध्य को ट्यून करने का सबसे सरल तरीका है। सिद्धांत रूप में, घटना फोटॉन मौलिक आवृत्ति के एक पूर्णांक कई के लिए अपकेंद्रित हैं। टाइटेनियम नीलम (मौलिक ट्यूनिंग रेंज 700 ~ 1000 एनएम) के लिए, दूसरे हार्मोनिक की ट्यूनिंग रेंज 350 ~ 500 एनएम है, तीसरा हार्मोनिक 233 ~ 333 एनएम है, और चौथा हार्मोनिक 175 ~ 250 एनएम है। व्यवहार में, हार्मोनिक क्रिस्टल द्वारा अवशोषण के कारण, चौथे हार्मोनिक की ट्यूनिंग 200 एनएम तक सीमित है। इस सीमा के बाहर एक तरंग दैर्ध्य की आवश्यकता वाले अनुप्रयोगों के लिए, इस सीमा से परे तरंग दैर्ध्य की आवश्यकता वाले अनुप्रयोगों के लिए पैरामीटर, पैरामीटर रूपांतरण विकल्पों की आवश्यकता होती है।

अल्ट्राफास्ट ओपो और ओपीए

यद्यपि अल्ट्राफास्ट पल्स आउटपुट को गुणा या तीन गुना भी किया जा सकता है, टाइटेनियम नीलम की 700 से 1000 एनएम ट्यूनिंग रेंज यूवी-विज़ और आईआर स्पेक्ट्रल क्षेत्रों में एक तरंग दैर्ध्य अंतर छोड़ देती है। उन प्रयोगों के लिए जिन्हें "इन 'रिक्त' क्षेत्रों में" तरंग दैर्ध्य के साथ अल्ट्राफास्ट दालों की आवश्यकता होती है, मापदंडों का डाउन-रूपांतरण आवश्यक है। यह विधि एक एकल उच्च-ऊर्जा फोटॉन को दो कम-ऊर्जा फोटॉन में परिवर्तित करती है: एक सिग्नल फोटॉन और एक आइडलर फोटॉन (चित्र 5 देखें)।

चित्रा 5: पैरामीट्रिक डाउन-कनवर्जन का योजनाबद्ध।

इन दो फोटॉनों के बीच ऊर्जा वितरण को उपयोगकर्ता द्वारा कॉन्फ़िगर किया जा सकता है। टाइटेनियम नीलम के आधार पर एक विशिष्ट पैरामीट्रिक कॉन्फ़िगरेशन में, 800 एनएम की तरंग दैर्ध्य पर घटना फोटॉन को लगातार 1200 एनएम से 2600 एनएम से लगातार ट्यून किया जा सकता है। इस सीमा को पार करने के लिए, नैनोफोकल ऊर्जा स्तर पर एक ऑप्टिकल पैरामीट्रिक ऑसिलेटर (ओपीओ) का उपयोग किया जाता है और मिलिफ़ोकल ऊर्जा स्तर पर एक ऑप्टिकल पैरामीट्रिक एम्पलीफायर (ओपीए) का उपयोग किया जाता है।

ओपो गुहा में, प्रकाश में एक छोटी नाड़ी होती है जो गुहा के माध्यम से आगे और पीछे फैलता है। हालांकि, ऊपर वर्णित डाई लेजर कॉन्फ़िगरेशन के विपरीत, सक्रियण माध्यम एक nonlinear क्रिस्टल है और लाभ स्टोर नहीं करता है। ओपो क्रिस्टल केवल एक पंप पल्स की उपस्थिति में फोटॉन को परिवर्तित करता है। एक अल्ट्राफास्ट ओपीओ के सफल संचालन के लिए आवश्यक है कि पंप स्रोत से दालों को क्रिस्टल पर उसी समय पहुंचे जैसे कि बेकार और सिग्नल फोटॉन ओपो गुहा के चारों ओर घूमते हैं। दूसरे शब्दों में, एक निश्चित-तरंग दैर्ध्य टाइटेनियम नीलम लेजर और एक अल्ट्राफास्ट ओपो में बिल्कुल एक ही गुहा की लंबाई होनी चाहिए।

एक विशिष्ट अल्ट्राफास्ट ओपीओ का लेआउट चित्र 6 में दिखाया गया है। चरण मिलान और गुहा की लंबाई स्वचालित रूप से वांछित तरंग दैर्ध्य का चयन करती है और यह सुनिश्चित करती है कि उस तरंग दैर्ध्य के लिए इंट्राकैविटी राउंड-ट्रिप समय 80 मेगाहर्ट्ज पर रखा जाता है, जो कि टाइटेनियम नीलम पंप लेजर के लिए समान है। इस उदाहरण में, ओपीओ टाइटेनियम नीलम पंप लेजर के दूसरे हार्मोनिक द्वारा संचालित है। परिणामस्वरूप 400 एनएम बीम 490 से 750 एनएम (सिग्नल आउटपुट) और 930 एनएम से 2.5 माइक्रोन (लोइटर आउटपुट) के कुल तरंग दैर्ध्य कवरेज के साथ सिग्नल और लोइटर आउटपुट का उत्पादन करता है, जिसमें 200 एफएस से कम की पल्स चौड़ाई होती है। जब टाइटेनियम नीलम फंडामेंटल की ट्यूनिंग रेंज 690 से 1040 एनएम के साथ संयुक्त है, तो सिस्टम में 485 एनएम से 2.5 माइक्रोन की तरंग दैर्ध्य सीमा शामिल है। श्रेणी। विशिष्ट अनुप्रयोगों में सोलिटॉन अध्ययन, समय-संकल्पित कंपन स्पेक्ट्रोस्कोपी और अल्ट्राफास्ट पंप-जांच प्रयोग शामिल हैं।

चित्रा 6: एक समकालिक रूप से पंप किए गए ऑप्टिकल पैरामीट्रिक ऑसिलेटर (ओपीओ) में, केंद्र तरंग दैर्ध्य नॉनलाइनर क्रिस्टल के चरण-मिलान कोण को समायोजित करके भिन्न होता है।

ओपीए एक ही नॉनलाइनियर ऑप्टिकल प्रक्रिया का उपयोग करता है, लेकिन क्योंकि पंप पल्स में एक उच्च शिखर शक्ति होती है, कुशल तरंग दैर्ध्य रूपांतरण के लिए एक ऑप्टिकल रेज़ोनेटर की आवश्यकता नहीं होती है। अल्ट्राफास्ट एम्पलीफायर से बीम का एक छोटा सा हिस्सा एक सफेद प्रकाश सातत्य स्पेक्ट्रम का उत्पादन करने के लिए एक नीलम प्लेट पर केंद्रित है। सफेद प्रकाश सातत्य स्पेक्ट्रम को एक ओपीए क्रिस्टल (आमतौर पर एक बेरियम बोरेट क्रिस्टल) में रखा जाता है और बाकी अल्ट्राफास्ट एम्पलीफायर बीम के साथ पंप किया जाता है। ओपीए के माध्यम से बीम का एक एकल पास परिमाण प्रवर्धित सिग्नल और आवारा प्रकाश का एक आदेश पैदा करता है। आउटपुट लाइट के केंद्र तरंग दैर्ध्य को फिर से क्रिस्टल के चरण-मिलान स्थितियों द्वारा नियंत्रित किया जाता है, और वर्णक्रमीय बैंडविड्थ आमतौर पर पंप और बीज बीम के बैंडविड्थ या क्रिस्टल के प्राप्त बैंडविड्थ द्वारा निर्धारित किया जाता है।

यह ओपीए फेमटोसेकंड या पिकोसेकंड रेंज में संचालित हो सकता है, जिसमें प्रति पल्स कुछ मिलिजाउल तक की ऊर्जा है। इन ऊर्जा स्तरों पर, परिणामस्वरूप सिग्नल और आइडलर लाइट को उनके हार्मोनिक्स या योग और/या अंतर आवृत्ति मिश्रण में परिवर्तित किया जा सकता है।

मिलिजौले पल्स ऊर्जा के साथ पंप किया गया ओपास 190 एनएम गहरे पराबैंगनी से सुदूर अवरक्त वर्णक्रमीय क्षेत्र तक फोटॉन उत्पन्न करने में सक्षम है। ये डिवाइस कई स्पेक्ट्रोस्कोपिक अनुप्रयोगों जैसे कि क्षणिक अवशोषण स्पेक्ट्रोस्कोपी, प्रतिदीप्ति अपकॉनवर्जन, 2 डी इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रोस्कोपी और उच्च हार्मोनिक पीढ़ी जैसे कई स्पेक्ट्रोस्कोपिक अनुप्रयोगों की सुविधा प्रदान करते हैं।

निष्कर्ष
ट्यून करने योग्य लेज़रों का उपयोग अब बुनियादी विज्ञान अनुसंधान से लेकर लेजर विनिर्माण और जीवन और स्वास्थ्य विज्ञान तक के कई महत्वपूर्ण अनुप्रयोगों में किया जाता है। वर्तमान में उपलब्ध प्रौद्योगिकियों की सीमा विशाल है। सरल सीडब्ल्यू ट्यून करने योग्य प्रणालियों के साथ शुरू करते हुए, उनके संकीर्ण लाइनविड्स का उपयोग उच्च-रिज़ॉल्यूशन स्पेक्ट्रोस्कोपी, आणविक और परमाणु ट्रैपिंग, और क्वांटम ऑप्टिक्स प्रयोगों के लिए किया जा सकता है, जो आधुनिक शोधकर्ताओं को महत्वपूर्ण जानकारी प्रदान करता है।

अधिक परिष्कृत अल्ट्राफास्ट एम्पलीफायर सिस्टम यूवी में लेजर आउटपुट का उत्पादन करने के लिए उच्च-ऊर्जा, पिकोसेकंड और फेमटोसेकंड लेजर दालों का उपयोग करते हैं। ये अल्ट्राफास्ट लेजर उच्च-ऊर्जा भौतिकी, उच्च हार्मोनिक्स और क्षणिक स्पेक्ट्रोस्कोपी को समझने के लिए महत्वपूर्ण हैं। विस्तृत ट्यूनिंग रेंज का मतलब है कि इलेक्ट्रॉनिक और कंपन स्पेक्ट्रोस्कोपी में प्रयोगों की एक अनंत सीमा का अध्ययन करने के लिए एक ही लेजर प्रणाली का उपयोग किया जा सकता है। आज के लेजर निर्माता एक-स्टॉप-शॉप प्रकार के समाधान प्रदान करते हैं, जो नैनोफोकल एनर्जी रेंज में 300 एनएम से अधिक फैले लेजर आउटपुट प्रदान करता है। अधिक परिष्कृत सिस्टम 200 से 20, 000 एनएम को माइक्रोफोकस और मिलिफ़ोकस एनर्जी रेंज में एक प्रभावशाली व्यापक वर्णक्रमीय सीमा प्रदान करते हैं।