Margir leysir leyfa rekstraraðilanum að stilla eða breyta framleiðsla bylgjulengd í UV í IR bylgjulengdarsvið eins og krafist er. Í framhaldi af fyrri umfjöllun okkar um hvernig stillanlegir leysir eru útfærðir, mun þessi grein fjalla í smáatriðum um gerðir og notkun stillanlegra leysir.
Forrit sem nota stillanleg leysir falla yfirleitt í tvo breiða flokka: þær þar sem stakur eða fjölnota fasta bylgjulengd leysir er ekki fær um að veita æskilega stakri bylgjulengd eða bylgjulengdir, og þau sem leysir bylgjulengd verður að vera stillt stöðugt við tilraunir eða próf, svo sem í litrófsgreiningar og dælu tilraunum.
Margar tegundir af stillanlegum leysir eru færar um að framleiða samfellda bylgju (CW), nanósekúndu, picosecond eða femtosecond pulse framleiðsla. Útgangseinkenni þeirra eru ákvörðuð af leysigagnamiðlinum sem notaður er.
Grunnkrafa um stillanleg leysir er að þeir eru færir um að gefa frá sér leysir ljós yfir breitt úrval bylgjulengda. Hægt er að nota sérstaka ljósfræði til að velja ákveðna bylgjulengd eða bylgjulengdir úr losunarbandinu á stillanlegu leysinum.
Það eru margs konar ávinningur efni sem geta framleitt stillanlegan leysir, sem algengastir eru lífræn litarefni og títan safírkristallar (Ti: Sapphire). Þegar um er að ræða þessi tvö græða efni, eru argon jón (ar+) leysir eða tíðni tvöfaldast neodymium jón (nd 3+) leysir notaðir sem dælugjafi vegna skilvirkrar frásogs dæluljóss við um það bil 490 nm.
Hægt er að nota litarsameindir til að framleiða bylgjulengdir í útfjólubláu til sýnilegs (UV-VIS) sviðs. Samt sem áður er krafist að skipta á milli margra mismunandi litarefnasameinda til að ná breitt stillingarsvið, sem gerir ferlið nokkuð fyrirferðarmikið og flókið. Aftur á móti geta leysir í fastri ástandi náð breitt stillingarsvið með því að nota aðeins eitt leysigagnsefni (td rafkristalla) og útrýma þörfinni fyrir tíðar litarbreytingar.
Eins og er hefur Titanium Sapphire komið fram sem aðal stillanleg leysiritið, með breitt losunarróf 680 til 1100 nm sem hægt er að stilla stöðugt og framleiðsla sem hægt er að umbreytast við UV-VIS svið eða niðurhverfið að IR litrófssvæðinu. Þessir eiginleikar gera kleift að nota fjölbreytt úrval af notkun í efnafræði og líffræði.
Stillanleg CW standandi bylgju leysir
Hugsanlega er CW standandi bylgju leysirinn einfaldasti leysir arkitektúr. Það samanstendur af mjög hugsandi spegli, ávinningsmiðli og framleiðsla tengispegli (sjá mynd 1), sem veitir CW framleiðsla með því að nota margs konar leysigagnamiðla. Til að ná fram stillanleika þarf að velja ávinningsmiðilinn til að ná til bylgjulengdar sviðsins.
Mynd 1: Teikning af títanasafír-undirstaða CW standandi bylgju leysir. Sýnt er fram á túlkunarstillingarsíun.
Hægt er að nota mörg flúrperur til að stilla leysir bylgjulengdina á viðkomandi svið. Helsti kosturinn við litarefni leysir er hæfileikinn til að hylja breitt úrval bylgjulengda í UV-Vis bandinu, en ókosturinn er að notkun eins litarefnis/leysiefnis veitir aðeins þröngan bylgjulengdargetu. Aftur á móti hafa títan-safír leysir með fastri ástandi að veita breitt bylgjulengdarstillingarsvið með því að nota einn ávinnings miðil, en hafa þann ókost að geta aðeins starfað í nær-innrauða (NIR) hljómsveitinni frá 690 til 1100 nm.
Fyrir báða Gain Media er bylgjulengdarstilling náð með óbeinum bylgjulengdarþáttum. Sú fyrsta er fjögurra plata birefringent sían eða lyot sían. Þessi sía mótar hagnaðinn með því að veita mikla sendingu á ákveðinni bylgjulengd og neyðir þannig leysinum til að starfa á þeirri bylgjulengd.
Stilling er náð með því að snúa þessari bufringent síu. Þrátt fyrir að vera einfalt gerir CW standandi bylgju leysirinn kleift að gera margar lengdar leysir. Þetta framleiðir línubreidd um 40 GHz fullan breiddar hálfhæð (<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.
Stillanleg CW hring leysir
Síðan snemma á níunda áratugnum hafa hring leysir verið notaðir til að ná stillanlegri CW framleiðsla um einn lengdarstillingu með litrófsbandbreidd í Kilohertz sviðinu. Svipað og standandi bylgju leysir, geta stillanlegir hring leysir notað litarefni og títan safír sem Gain Media. Litarefni eru fær um að veita mjög þröngar línubreidd<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.
Samkvæmt óvissureglu Heisenbergs, eftir því sem skilgreiningin á orku verður nákvæmari, verður púlsbreiddin sem hægt er að ákvarða minna nákvæm. Til að standandi bylgju CW leysir skilgreinir hola lengdin magn orku sem leyfilegt er sem stakur lengdarstilling. Þegar hola lengdin er styttri eykst fjöldi lengdarstillinga sem leyfður er, sem leiðir til breiðari, minna skilgreindrar framleiðsla línubreiddar.
Í hringstillingu getur leysirholið talist óendanlega langt hola og hægt er að skilgreina orkuna nákvæmlega. Aðeins einn lengdarhamur er til staðar í holrýminu. Til að ná fram rekstrarskilyrðum eins háttar eru sérstaklega krafist nokkur sjónþættir (sjá mynd 2).
Mynd 2: Ljósskipulag á hringlaga títan safír leysir með utanaðkomandi viðmiðunarholi.
Í fyrsta lagi er Faraday einangrun sett inn í holrýmið til að tryggja að ljóseindir í innanfrumu fari alltaf sömu leið. Staðlað innrétting í innanverði er notuð til að draga enn frekar úr framleiðsla línubreidd. Ólíkt standandi bylgjuholum eru engir endaspeglar í hringstillingu. Ljóseindirnar dreifast stöðugt innan leysirholsins. Í öðru lagi verður að koma á stöðugleika í holrýminu til að leiðrétta fyrir allar vélrænar breytingar af völdum umhverfissveiflna eins og hita eða titrings.
Til að ná fram öfgafullum spectral bandbreiddum er hægt að koma á stöðugleika í holrýminu með því að nota eina af tveimur aðferðum: ein aðferð notar vélrænni piezoelectric-ekið spegla til að koma á stöðugleika í hola lengdinni með viðbragðstíma í kilohertz sviðinu, og önnur aðferðin notar raf-ljósleiðara (EO) stuðull til að ná svörunartímum á Megahertz sviðinu. Nokkrar sérhæfðar rannsóknarstofuuppsetningar hafa sýnt að hægt er að mæla litróf bandbreiddar í Hertz. Lykilatriðið við að ákvarða litrófsupplausn hringholsins er ytri tíðni viðmiðunarholið. Eins og sýnt er á mynd 2 er viðmiðunarhola notað til að búa til merki sem þarf til að koma á stöðugleika á leysirholinu. Þessa ytri viðmiðunarhol verður að einangra frá umhverfissveiflum af völdum hitastigs, vélrænna titrings og hljóðeinangrun. Viðmiðunarholið ætti að vera vel aðgreint frá hring leysirholinu sjálfu til að forðast óviljandi tengingu milli þeirra tveggja. Viðmiðunarmerkið er unnið með því að nota Pund-Drever-Hall aðferðina.
Mode-læst hálf-samfellt leysir
Fyrir mörg forrit eru nákvæmlega skilgreind tímabundin einkenni leysirafköstanna mikilvægari en nákvæmlega skilgreind orka. Reyndar, að ná stuttum sjónpúlsum krefst hola stillingar þar sem margar lengdarstillingar hljóma samtímis. Þegar þessar lengdarstillingar í blóðrás eru með fast fasa samband innan leysirholsins er leysirinn læstur. Þetta mun gera sér grein fyrir því að einn púls sveiflast innan holrýmisins með tímabili sem skilgreint er af leysirholinu.
Hægt er að ná virkum hamslæsingu með því að nota Acousto-ljósleiðara (AOM) eða óvirka ham sem læsa í gegnum Kerr linsu. Sá fyrrnefndi, sem varð vinsælli á níunda áratugnum, notar AOM innanverslun sem tímabundinn gluggahleri sem opnast og lokar við helming tíðni hola lengdarinnar. Púls af hundruðum picoseconds er hægt að ná með þessari aðferð. Síðustu áratugi hafa vísindaleg forrit krafist bættrar tímabundinnar upplausnar og því styttri belgjurtir.
Samstillt dælt litarefni leysir veita raunhæfan aðferð til að stilla miðju bylgjulengdina og stytta sjónpúlsinn með stærðargráðu (til tugir picoseconds). Til að ná þessu verður litarefni leysirholið að hafa sömu hola lengd og stillt dælu leysir. Dælan og litarefni leysir pulsar hittast á Gain Medium til að framleiða spennt geislun frá litareiningunum. Laserafköstin eru stöðug með því að stilla lengd litar leysirholsins. Einnig er hægt að nota samstilltar dælustillingar til að keyra sjón -parametric sveiflur (OPOS) (fjallað um hér að neðan).
Títan Sapphire Mode-læst leysir er dæmi um óvirka Kerr linsu-læsingu (sjá mynd 3). Í þessari nálgun eru púlsar búnir til með Gain Modulation og ljósbrotsvísitala títan safír fer eftir styrkleika.
Í meginatriðum, þegar púlsinn breiðist út í gegnum ávinningsmiðilinn, er hámarksstyrkur hærri í viðurvist púlsins. Þetta skapar óbeinar linsu sem einbeitir púlsgeislanum þéttari og dregur út hagnaðinn á skilvirkari hátt þar til enginn ávinningur er til að styðja samtímis ómun CW -stillinga í holrýminu. Vélrænar truflanir á holrýminu eru notaðar til að örva styrkleika til að hefja læsi fyrir stillingu. Þessi aðferð gerði títaníum safír kleift að framleiða púls allt að 4 fs.
Mynd 3: Í stillingu á títan-safír leysir er miðju bylgjulengdin stillt með því að færa stillingargluggann sem staðsettur er á milli tveggja dreifandi prisma.
Þess má geta að hægt er að sameina bandbreidd sem er meira en 300 nm í einn púls. Samkvæmt óvissureglu Heisenbergs þurfa styttri púlsar fleiri lengdaraðferðir. Þess vegna verður leysirholið að hafa nægar dreifingarbætur frá ljósleiðaranum til að viðhalda fasasambandi sem þarf til að læsa stöðugri stillingu. Eins og sýnt er á mynd 3 er bætandi prísum bætt við holrýmið til að tryggja stöðugt fasa samband. Með því að nota þessa aðferð er hægt að fá belgjurtir allt að 20 fs. Til þess að framleiða styttri púls verður einnig að bæta dreifingu á hærri röð. Þessum bótum er náð með því að nota sjón-chirplinsu til að viðhalda fasasambandi sem þarf til stöðugrar stillingar.
Þar sem chirped-linsu-læsing er áhrifaríkust með styttri púlsum (hærri styrkleiki), hentar þessi aðferð fyrst og fremst til að búa til femtosecond púls. Á bilinu 100 fs ~ 100 ps er hægt að nota blendingaaðferð sem kallast endurnýjunarstillingarlæsing. Þessi aðferð notar AM og Kerr áhrif. AOM driftíðni er fengin frá rauntíma mælingum á tíðni hola endurtekninga og amplitude þess er háð lengd púls. Eftir því sem æskileg púlsbreidd eykst og Kerr -áhrifin minnka, eykst stöðugleika AOM amplitude til að styðja við læsingu. Fyrir vikið getur endurnýjunarstillingarlæsing veitt stöðugan, stillanleg framleiðsla yfir breitt svið 20 fs til 300 PS með því að nota eitt leysiskerfi.
Seint á tíunda áratugnum gerði endurnýjunarstillingarlæsing fyrsta stillanleg, allt-í-einn tölvustýrt títan safír leysir. Þessi nýsköpun gerði tæknina aðgengilegri fyrir fjölbreyttari vísindamenn og forrit. Framfarir í fjölþættum myndgreiningum hafa að stórum hluta verið eknar af tækniframförum. Femtosecond leysir púlsar eru nú tiltækir líffræðingum, taugavísindamönnum og læknum. Fjöldi tækniframfara hefur verið gerður í gegnum árin sem hafa leitt til almennrar notkunar títan safírs leysir við lífríki.
Ultrafast Ytterbium leysir
Þrátt fyrir víðtæka notagildi títan safírs leysir, þurfa sumar lífríki tilrauna lengri bylgjulengdir. Dæmigerð tveggja ljósmynda frásogsferli er spennt með ljóseindum á bylgjulengd 900 nm. Vegna þess að lengri bylgjulengdir þýða minna dreifingu, geta lengri örvunarbylgjulengdir áhrif á líffræðilegar tilraunir sem þurfa dýpri myndgreiningardýpt.
Það er einnig mikilvægt að huga að bylgjulengd síðari flúrperu ljóseindir litarins sem fest er við líffræðilega sýnið. Bylgjulengd slíkra flúrperu ljóseindir er venjulega í 450 til 550 nm bandinu, sem er næmara fyrir dreifingu. Þess vegna hafa nokkrir flúrperur verið þróaðir sem taka smám saman innrauða bylgjulengdir. Til að uppfylla þessa kröfu hefur iðnaðurinn þróað allt í einu, tölvustýrt, samstillt dælt OPO ekið með 1045 nm Ytterbium leysir með framleiðsla bylgjulengdir á bilinu 680 til 1300 nm. Fyrir fjölmótun, þessi arkitektúr býður upp á verulega hærri frammistöðu valkosti við títan safír leysir.
Ultrafast magnarar
Ofangreind dæmi framleiða öfgafullt púls í nanó-joule (NJ) orkusviðinu. Hins vegar þurfa mörg forrit hærri orku stillanlegar ljósgjafar. Þar sem umbreyting bylgjulengdar er ólínulegt ferli fer skilvirkni eftir orku sem til er. Fyrir þessi forrit er hægt að nota nokkrar aðferðir til að auka orku og stillanleika öfgafullra leysir.
Skipta má mögnun á öfgafullum púlsum í tvo meginflokka: fjölþrepa mögnun og endurnýjunarmögnun. Sá fyrrnefndi hefur þann kost að hægt er að ná mjög mikilli orku (100 mJ) með mjög litlum inntaki, en endurtekin fer í gegnum magnunarstigið brotnar út gæði framleiðslunnar. Þess vegna er endurnýjunarmögnun ákjósanlegasta aðferðin til að búa til púlsorku á örkvarðanum (µJ) eða Millijoule (MJ) kvarðanum.
Almennt er ultrafast pulse mögnun náð með chirped-pules mögnun aðferðum (sjá mynd 4). Ferlið byrjar með stillingu sveiflu með femtosecond pulse, þ.e. fræ leysir. Það er mikilvægt fyrir fræ leysirinn að hafa nægjanlegan bandbreidd svo hægt sé að teygja eða teygja púlslengdina í tíma. Optískt kvitun á sér stað vegna mismunandi ljósslita og ferðast um sjónefnið á mismunandi hraða. Almennt ferðast rautt ljós hraðar en blátt ljós. Sem dæmi má nefna að breikkandi grind kynnir jákvætt kvitað rautt ljós fyrir bláu ljósi til að aðgreina bylgjulengdarhluta í tíma og rúm. Púls breikkun er nauðsynleg til að draga úr sterkum hámarksafli Millijoule-kvarða femtosecond púls. Eftir breikkun beinast púls sem er tæplega 300 ps beint til annarra stigs endurnýjunar leysirholsins. Lokaskrefið er að nota annað rif til að kynna neikvæða kvitni og endurgera magnaða púlsinn. Allt ferlið er sýnt á mynd 4.
Mynd 4: Kæld púls mögnun
Í dag nota flestir endurnýjunar magnarar títan safír, en aðrir Gain Media (td Ytterbium) verða sífellt vinsælli. Með báðum Gain Media hafa magnararnir tiltölulega þröngan stillanleika, þar sem títan safír er með stillingarsvið um 780 til 820 nm, sem takmarkar notagildi þeirra í litrófsgreiningarforritum. Til að vinna bug á þessari takmörkun eru nokkrar tíðnibreytingaraðferðir tiltækar.
Harmonísk tíðnibreyting, er einfaldasta leiðin til að stilla bylgjulengd öfgafulls sveiflu eða öfgafulls magnara. Í grundvallaratriðum eru ljóseindir atviksins umbreyttar í heiltölu margfeldi grundvallartíðni. Fyrir Títan Sapphire (grundvallarstillingarsvið 700 ~ 1000 nm) er stillingarsviðið á öðru harmoníunni 350 ~ 500 nm, þriðja harmonikkan er 233 ~ 333 nm, og fjórði harmonikkan er 175 ~ 250 nm. Í reynd, vegna frásogs af harmonískum kristöllum, er stilling fjórða harmonikkunnar takmörkuð við 200 nm. Fyrir forrit sem krefjast bylgjulengdar utan þessa sviðs er færibreytan fyrir forrit sem krefjast bylgjulengda umfram þetta svið, er krafist valkosta umbreytinga á færibreytum.
Ultrafast Opo og Opa
Þrátt fyrir að hægt sé að margfalda ultrafast púlsframleiðslu eða jafnvel þrefaldast, þá skilur 700 til 1000 nm stillingarsvið títan safír bylgjulengdar bil í UV-VIS og IR litrófssvæðum. Fyrir tilraunir sem krefjast öfgafullra púlsa með bylgjulengdir „á þessum„ auðu “svæðum“ er niðurbrot á breytum nauðsynleg. Þessi aðferð breytir einni orku ljóseind í tvær lágorku ljóseindir: merki ljóseind og lausagangi ljóseind (sjá mynd 5).
Mynd 5: Teikning af parametric down-umbreytingu.
Notandinn er hægt að stilla orkudreifingu milli þessara tveggja ljóseinda. Í dæmigerðri parametric stillingu sem byggist á títan safír, er hægt að stilla atvikið ljóseind með bylgjulengd 800 nm, stöðugt frá um það bil 1200 nm til 2600 nm. Til að vinna bug á þessari takmörkun er sjón -parametric oscillator (OPO) notaður við nanofocal orkustig og sjón -parametric magnari (OPA) er notað á millifocal orkustiginu.
Í Opo -holunni samanstendur ljós af stuttum púlsi sem breiðist fram og til baka í gegnum holrýmið. Hins vegar, ólíkt litarefnisstillingunni sem lýst er hér að ofan, er virkjunarmiðillinn ólínulegur kristal og geymir ekki ávinning. Opo kristalinn breytir ljóseindum aðeins í viðurvist dælupúls. Árangursrík rekstur Ultrafast OPO krefst þess að púlsarnir frá dælunni komi að kristalnum á sama tíma og aðgerðalausir og merki ljóseindir sem streyma um OPO -holuna. Með öðrum orðum, föst bylgjulengd títan safír leysir og öfgafullt OPO verður að hafa nákvæmlega sömu hola lengd.
Skipulag dæmigerðs ultrafast OPO er sýnt á mynd 6. Fasasamsetning og hola lengd velur sjálfkrafa æskilega bylgjulengd og tryggir að hringferðartími innanfrumu fyrir þá bylgjulengd er haldið við 80 MHz, sem er það sama og fyrir títaníum safírdælu leysir. Í þessu dæmi er OPO ekið af öðrum harmonic af títan safírdælu leysir. 400 nm geisla sem myndast framleiðir merki og loiter framleiðsla með heildar bylgjulengd umfjöllun 490 til 750 nm (merkisútgang) og 930 nm til 2,5 µm (loiter framleiðsla), með púlsbreidd undir 200 fs. Þegar kerfið er sameinað Titanium Sapphire Fundamental 690 til 1040 nm, nær kerfið yfir bylgjulengdarsviðið 485 nm til 2,5 µm. svið. Dæmigerð forrit fela í sér Soliton rannsóknir, tímalausn titrings litrófsgreiningar og tilraunir með öfgafullar dælu.
Mynd 6: Í samstilltu dældu sjón-parametric oscillator (OPO) er miðju bylgjulengdin breytileg með því að stilla fasa-samsvörunarhornið á ólínulegu kristalnum.
OPA notar sama ólínulega sjónferlið, en vegna þess að dælupúlsinn hefur hærri hámarksafl er ekki krafist sjónresonator fyrir skilvirka bylgjulengdarbreytingu. Lítill hluti geislans frá útfjólubláum magnara er einbeittur á safírplötu til að framleiða hvítt ljós samfellu litróf. Hvíta ljósið samfellu litrófið er sáð í Opa kristal (venjulega baríumbóratkristal) og dælt með afganginum af ultrafast magnargeislanum. Ein leið geislans í gegnum OPA framleiðir stærðargráðu magnað merki og villandi ljós. Bylgjulengd framleiðsluljóssins er aftur stjórnað af fasasamsvörunarskilyrðum kristalsins og litrófsbandbreiddin er venjulega ákvörðuð af bandbreidd dælunnar og fræ geislar eða móttekinn bandbreidd kristalsins.
Þessi OPA getur starfað í femtosecond eða picosecond svið með orku allt að nokkrum millíjoules á púls. Á þessum orkustigum er hægt að breyta merkinu og lausagangaljósinu í samhljóða þeirra eða með summa og/eða mismunblöndun.
OPA sem dælt með Millijoule púlsorku er fær um að búa til ljóseindir frá 190 nm djúpum útfjólubláu til langt innrauða litrófssvæðisins. Þessi tæki auðvelda mörg litrófsgreiningar eins og tímabundna frásogs litrófsgreiningu, flúrljómun, 2D innrauða litrófsgreiningu og mikla harmonísk myndun.
Niðurstaða
Stillanleg leysir eru nú notaðir í mörgum mikilvægum forritum, allt frá grunnvísindarannsóknum til leysiraframleiðslu og lífs- og heilsuvísinda. Svið tækni sem nú er í boði er mikið. Byrjað er á einföldum CW stillanlegum kerfum, er hægt að nota þröngar línubreiddir þeirra við háupplausnar litrófsgreiningar, sameinda- og atómgildrur og skammtafræðilegar tilraunir, sem veita nútíma vísindamönnum mikilvægar upplýsingar.
Flóðari ultrafast magnara kerfi nota háorku, picosecond og femtosecond leysir púls til að framleiða leysirafköst í UV til langtrautt hljómsveitir. Þessir öfgafullu leysir eru mikilvægir til að skilja mikla orku eðlisfræði, mikla samhæfingu og tímabundna litrófsgreiningu. Breiðstillingarsviðið þýðir að hægt er að nota sama leysiskerfi til að rannsaka óendanlegt svið tilrauna í rafrænni og titrings litrófsgreiningu. Laserframleiðendur í dag bjóða upp á lausnir á stöðvunarbúðum og veita leysirafköst sem spannar meira en 300 nm í nanofocal orkusviðinu. Flóknara kerfin spanna á áhrifamikið breitt svið á bilinu 200 til 20, 000 nm í örfrumu- og Millifocus orku sviðinu.
