Лазеры: понимание основ

Прошло почти 60 лет с момента первой демонстрации лазера в 1960 году. После первого всплеска интереса лазеры какое-то время классифицировались как «решение, ожидающее проблемы», но постепенно диапазон их применения расширился, охватив такие разные области, как секвенирование ДНК, производство бытовой электроники или замораживание движения электронов вокруг атомов. Большинство этих приложений было бы просто невозможно без лазеров. Чтобы понять актуальность лазеров в физике, достаточно отметить, что никакие другие искусственные источники не могут генерировать импульсы (любого типа) такой же короткой, как лазерные импульсы - теперь ниже 10-16 с - или инструменты для измерения абсолютных частот с помощью точности ~ 10-15! Промышленное производство, микроэлектроника, биомедицинские и измерительные приборы, обслуживаемые лазерами, невероятно разнообразны и основаны на уникальных возможностях, таких как создание характеристик ниже предела дифракции света, изменение материалов в их объеме, не затрагивая поверхность, или захват и перемещение отдельных частиц в воздухе.

Все источники света преобразуют входящую энергию в свет. В случае лазера энергия на входе или накачке может принимать разные формы, две из которых наиболее распространены - оптическая и электрическая. Для оптической накачки источником энергии может быть лампа или, чаще, другой лазер. Электрическая накачка может осуществляться постоянным током (как в лазерных диодах), электрическим разрядом (лазеры на благородных газах и эксимерные лазеры) или радиочастотным разрядом (некоторые СО2-лазеры).

В обычном (некогерентном) источнике света, таком как лампочка, светодиод или звезда, каждый атом, возбужденный входной энергией накачки, случайным образом испускает одиночный фотон в соответствии с заданной статистической вероятностью. Это производит излучение во всех направлениях с разбросом длин волн и без взаимосвязи между отдельными фотонами. Это называется спонтанным излучением.

Эйнштейн предсказал, что возбужденные атомы также могут преобразовывать накопленную энергию в свет с помощью процесса, называемого вынужденным излучением. Этот процесс обычно начинается с возбужденного атома, который сначала производит фотон путем спонтанного излучения. Когда этот фотон достигает другого возбужденного атома, взаимодействие побуждает этот атом испустить второй фотон. У этого процесса есть две важные характеристики. Во-первых, он мультипликативный - один фотон становится двумя. Если эти два фотона взаимодействуют с двумя другими возбужденными атомами, это даст в общей сложности четыре фотона и так далее. Во-вторых, что наиболее важно, эти два фотона имеют идентичные свойства: длину волны, направление, фазу и поляризацию. Эта способность «усиливать» свет в присутствии достаточного количества возбужденных атомов приводит к «оптическому усилению», которое является основой работы лазера и оправдывает его аббревиатуру «Усиление света (посредством) стимулированного излучения». Обнаружен широкий спектр твердых, жидких и газофазных материалов, которые демонстрируют усиление при соответствующих условиях откачки.

Сверхбыстрые лазерные материалы

До недавнего времени в научных сверхбыстрых лазерах в основном использовались титан: сапфир (Ti: сапфир) из-за его большой полосы пропускания и широкого диапазона настройки; Коммерческие титан-сапфировые лазеры под ключ могут генерировать импульсы длительностью до 6 фс. Для накачки Ti: сапфировых лазеров обычно используется непрерывный лазер накачки с зеленой длиной волны. Типичная частота повторения титан-сапфировых генераторов составляет от 50 до 100 МГц, а пиковая мощность достигает нескольких сотен киловатт.

Наиболее распространенные системы CPA на основе Ti: сапфира работают на частотах от 1 до 10 кГц с усилительными каскадами, возбуждаемыми наносекундными зелеными лазерами. Системы CPA с титаном и сапфиром уникальны своей способностью генерировать импульсы с энергией в несколько миллиджоулей и длительностью импульса до 20 фс. Пользовательские системы CPA на основе Ti: сапфира могут производить даже пиковую мощность в петаватт.

Промышленным сверхбыстрым лазерам обычно требуется высокая частота следования импульсов и высокая мощность, чтобы поддерживать экономически жизнеспособную производительность в приложении. До недавнего времени большинство из них были системами MOPA на основе объемных материалов, легированных неодимом (например, YAG или стекло), или волокна, или их комбинации. Эти лазеры и усилители хорошо зарекомендовали себя как обеспечивающие необходимое сочетание мощности и промышленной надежности. Однако меньшая ширина полосы усиления Nd означает, что они ограничены режимом ps. Их высокая пиковая мощность и высокая частота повторения находят применение в приложениях прецизионной микрообработки, особенно для тонких пленок и / или для твердых материалов, таких как химически упрочненное стекло, с использованием только что упомянутого метода филаментации.

За последние 10 лет фемтосекундные лазеры и усилители на иттербии (Yb) стали доступны для удовлетворения растущих потребностей рынка как в научном, так и в промышленном секторах. Примером может служить серия моноблочных усилителей компании Coherent Monaco.

Для промышленных применений главная привлекательность Yb-волоконных усилителей - это сочетание высокой пиковой мощности и высокой средней мощности в фемтосекундном режиме, в отличие от Nd-систем с пикосекундной длительностью импульса. Фемтосекундные лазерные импульсы имеют два преимущества перед пикосекундными импульсами при обработке материалов. Во-первых, во взаимодействии материала участвует множество одновременных фотонов, и оно становится достаточно нечувствительным к длине волны, в отличие от наносекундного линейного поглощения. Во-вторых, короткие импульсы и нелинейное взаимодействие означают, что импульсы fs могут обеспечить даже лучшее качество кромки и точность, чем импульсы ps. В результате усилители на основе Yb-волокна быстро находят применение в микрообработке смешанных слоистых подложек (например, полиимида на стекле), например, в электронике и дисплеях.

Удвоение частоты и генерация гармоник

Даже при широком выборе имеющихся в продаже лазеров не всегда можно найти тот, который точно соответствует длине волны, необходимой для конкретного применения. Титан-сапфировые лазеры можно широко настраивать, но в большинстве случаев они слишком сложны для промышленного применения и не могут достичь важнейшей УФ-области спектра. OPSL просты и могут быть разработаны для многих длин волн в диапазоне от 920 до 1160 нм, но не идеальны для импульсного режима. Для достижения желаемой длины волны практически в любом режиме работы - непрерывном, импульсном или сверхбыстром - процессы преобразования гармонической частоты и параметрической генерации обеспечивают гибкость длины волны при использовании в сочетании с лазерами, описанными до сих пор. Все эти процессы связаны между собой и называются нелинейными явлениями, поскольку они нелинейно зависят от пиковой мощности лазера. То есть они пропорциональны квадрату, третьей или большей выходной мощности лазера.

Расширениями процесса ГВГ являются генерация третьей гармоники (ГТГ), где длина волны, составляющая одну треть длины волны входящего излучения, создается взаимодействием луча ГВГ с его основной гармоникой; и генерация четвертой гармоники (FHG), когда луч SHG снова удваивается по частоте. Все эти гармонические процессы можно обобщить как смешение частот, когда два когерентных луча на разных длинах волн смешиваются, чтобы произвести генерацию суммарной и разностной частот (SFG и DFG, соответственно).

Генерация гармоник может применяться к непрерывным, импульсным и сверхбыстрым лазерам, что значительно расширяет диапазон доступных длин волн. Импульсные лазеры имеют достаточную пиковую мощность (киловаттный диапазон) для достижения относительно высокой эффективности преобразования за один проход через гармонический кристалл. С другой стороны, непрерывные лазеры обычно не производят достаточной мощности для эффективной генерации гармоник, поэтому мощность в кристалле необходимо увеличивать, помещая нелинейный кристалл внутрь лазерного резонатора («внутрирезонаторное удвоение») или создавая резонатор до hoc вокруг кристалла («резонансное удвоение»), что соответствует режимам исходного резонатора непрерывного лазера.