לייזר טיטניום-ספיר

לייזרים של טיטניום-ספיר הם לייזרים ניתנים לכוונון הפולטים אור אדום ותת-אדום קרוב בטווח שבין 650 ל-1,100 ננומטר. לייזרים אלה שימשו בעיקר במחקר מדעי בגלל יכולת כיוון אורך הגל שלהם ויכולתם ליצור פעימות קצרות במיוחד. לייזרים המבוססים על טיטניום-ספיר נבנו לראשונה ביוני 1982 על ידי פיטר מולטון במעבדת לינקולן במכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס.[1] במרוצת שנות ה-20 של המאה ה-21 הוחלפו לייזרים אלה בלייזרים יציבים יותר הניתנים לכוונון ומבוססים על שאיבה אופטית מלייזר סיב מאולח איטרביום.

חלק של מתנד טיטניום-ספיר. גביש טיטניום ספיר הוא מקור האור האדום הבוהק בצד שמאל. האור הירוק הוא מדיודת לייזר השואבת.

טיטניום-ספיר מתייחס לתווך לזירה של גביש ספיר (Al2O3) המאולח ביוני טיטניום, 3+ Ti. לייזר טיטניום-ספיר נשאב בדרך כלל על ידי לייזר אחר באורך גל של 514 עד 532 ננומטר, לייזר ארגון - יון (514.5 ננומטר) או לייזרי ניאודימיום Nd:YAG, Nd:YLF ו-Nd:YVO מוכפלי תדר (527–532 ננומטר). לייזרי טיטניום ספיר לוזרים בתחום אורכי הגל שבין 670 ננומטר עד 1,100 אורך גל ננומטר,[2] והם מיטביים סביב 800 נ"מ.[3]

סוגי לייזרי טיטניום ספיר עריכה

 
המערך האופטי הפנימי של לייזר טיטניום- ספיר הפועל בדפקים של פמטו-שניות.
 
אלומת לייזר טיטניום-ספיר באורך גל 920 ננומטר (תת-אדום קרוב) חולפת דרך צמצם, תוך כדי סגירה ופתיחה של צמצם אחר במעלה המסלול האופטי, ושל הצמצם המופיע בסרטון.

מתנדים נעולי אופן עריכה

מתנדים נעולי אופן מפיקים דפקים קצרים במיוחד עם משך אופייני בין כמה פיקו-שניות ל-10 פמטו-שניות, ואפילו סביב 5 פמטו-שניות. תדר הדפקים היא ברוב המקרים בתחום 70 עד 90 מגה-הרץ, תדר המוכתב על ידי זמן הלוך ושוב בנתיב האופטי של המתנד, אשר אורכו בדרך כלל מספר מטרים. מתנדי טיטניום ספיר נשאבים בדרך כלל על ידי אלומת לייזר רציפה מלייזר ארגון-יון או מלייזר Nd:YVO4 מוכפל תדר. בדרך כלל, למתנד נעול אופן יש הספק ממוצע של 0.4 עד 2.5 וואט.

מגברי דופק ציוץ עריכה

התקנים אלה מייצרים דפקים קצרים בעוצמה גבוהה במיוחד עם משך זמן של 20 עד 100 פמטו-שניות מגבר חד-שלבי טיפוסי יכול להפיק דפקים של עד 5 מיליג'אול בתדר של 1000 הרץ, בעוד שמתקן רב-שלבי גדול יותר יכול לייצר פולסים של עד מספר ג'ול, בתדר של עד 10 הרץ. בדרך כלל, גבישי המגברים נשאבים עם לייזר Nd:YLF כפול תדר מוכפל ב-527 ננומטר ופועלים ב-800 נ"מ. קיימים שני עיצובים שונים עבור המגבר: מגבר רגנרטיבי ומגבר רב-מעברי.

מגברים רגנרטיביים פועלים על ידי הגברה של פולסים בודדים ממתנד (ראה לעיל). הם מכילים מתגים אופטיים מהירים המכניסים דופק למהוד המגבר ומוציאים את הדופק מהמהוד בדיוק לאחר שהוגבר לעוצמה גבוהה.

המונח "דופק ציוץ" מתייחס למבנה מיוחד הנחוץ כדי למנוע מהפולס לפגוע ברכיבים בלייזר. הדופק נמתח בזמן כך שהאנרגיה לא ממוקמת כולה באותה נקודת זמן ומרחב. סדור זה מונע נזק לאופטיקה במגבר. לאחר מכן, הדופק מוגבר אופטית ונדחס מחדש בזמן ליצירת דופק קצר. כל האופטיקה לאחר נקודה זו צריכה להיבחר כדי לקחת את צפיפות האנרגיה הגבוהה בחשבון.

ב"מגבר רב-מעברי", אין מתגים אופטיים. במקום זאת, מראות מובילות את האלומה מספר קבוע של פעמים (שתיים או יותר) דרך גביש טיטניום ספיר עם כיוונים מעט שונים. אלומה שואבת בדפקים עוברת מספר פעמים דרך הגביש, כך שבכל פעם היא שואבת את הגביש עוד ועוד ומעלה את רמת היפוך האוכלוסייה. אזי, אלומת האות עוברת תחילה דרך המרכז להגברה מקסימלית, ובמעברים נוספים גדל קוטר אלומת האות כדי להישאר מתחת לסף הנזק, ולמנוע הגברה של החלקים החיצוניים של האלומה. כך, משתפרת איכות האלומה, נמנעת פליטה ספונטנית מוגברת ומתאפשר ריקון גמור של היפוך האוכלוסייה בתווך הפעיל.

 
גביש טיטניום ספיר במרכזו של מגבר רב-מעברי Quantronix Odin נשאב באמצעות אלומה ירוקה של 5W (מגיע מימין), מגביר דפקים של פמטו-שנייה שעוברים אותו מספר פעמים בזוויות שונות (בלתי נראות בתמונה) ומאבד חלק מהאנרגיה כאור פלואורסצנטי אדום

האלומות בדפקים המופקות מהמגבר הרב-מעברי עם דופק ציוץ מומרים לרוב לאורכי גל אחרים באמצעות תהליכים אופטיים לא ליניאריים שונים.

עם אנרגיה של 5 מילי-ג'אול ומשך דופק של 100 פמטו-שניות, שיא ההספק של הלייזר הוא 50 ג'יגה וואט.[4] כשהם ממוקדים על ידי עדשה, פולסי הלייזר הללו מיוננים כל חומר הממוקם במוקד, כולל מולקולות אוויר, ומובילות להתפשטות נימה קצרה והשפעות אופטיות לא ליניאריות חזקות שיוצרות ספקטרום רחב של אורכי גל.

 
פעימות פמטו-שנייה מייצרות תבניות צבע מרובות בזווית רחבה כאשר ממקדים את האלומה. שים לב שזווית המניפה הנוצרת גדולה אפילו מזו של קרן הלייזר הממוקדת

לייזר רציף מתכוונן אורך גל עריכה

טיטניום-ספיר מתאים במיוחד ללייזרים פולסים שכן דופק אולטרה קצר מכיל מטבעו ספקטרום רחב של רכיבי תדר. זה נובע מהקשר ההפוך בין רוחב הפס של התדר של הדופק ומשך הזמן שלו, בשל היותם משתנים מצומדים. עם זאת, בעיצוב מתאים, לייזרי טיטניום-ספיר יכול לשמש גם בלייזרים רציפים עם רוחבי קו צרים במיוחד הניתנים לכוונון בטווח רחב.

היסטוריה ויישומים עריכה

לייזר טיטניום-ספיר הומצא על ידי פיטר מולטון ביוני 1982 במעבדת לינקולן במכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס בגרסה של פעולה רציפה. לאחר מכן, הוכח כי לייזרים אלה מייצרים דפקים קצרים במיוחד באמצעות נעילת אופן תוך שימוש בתוצא קר.[5] סטריקלנד, מורו ואחרים, באוניברסיטת רוצ'סטר, הראו הגברת דופק ציוץ של הלייזר הזה,[6] הישג אשר זיכה אותם בפרס נובל לפיזיקה לשנת 2018[7] (יחד עם ארתור אשקין אשר זכה על תרומתו החלוצית למלקחיים אופטיים). מכירות לייזרי טיטניום-ספיר מסתכמות במצטבר ביותר מ-600 מיליון דולר, הצלחה מסחרית גדולה התורמת רבות לתעשיית הלייזר המוצק במשך יותר משלושה עשורים.[8]

הדפקים האולטרה קצרים של לייזרי טיטניום ספיר בתחום הזמן מתאימים למסרקי תדר אופטיים נעולי אופן בתחום הספקטרלי. הן המאפיינים הזמניים והן המאפיינים ספקטרליים של לייזרים אלה הופכים אותם לנחשקים ביותר עבור מטרולוגיה בתדרים, ספקטרוסקופיה או לשאיבת תהליכים אופטיים לא ליניאריים. מחצית מפרס נובל לפיזיקה לשנת 2005 הוענק לפיתוח טכניקת מסרק התדרים האופטי, שהסתמכה במידה רבה על לייזר טיטניום ספיר ותכונות הנעילה העצמית שלו.[9][10][11] ניתן לעצב את הגרסאות הרציפות של לייזרי טיטניום ספיר הללו לביצועים על גבול האפשרי מבחינה קוונטית מבחינת רעש נמוך ורוחב קו צר, דבר שהופך אותם לאטרקטיביים עבור ניסויים באופטיקה קוונטית.[12] רעש הפליטה הספונטני המופחת בקרינה של לייזרי טיטניום ספיר מאפשר ליישם סריג אופטי לפעולת שעונים אטומיים חדישים. מלבד יישומי מדע בסיסיים במעבדה, לליזר טיטניום-ספיר יש יישומים ביולוגיים כגון הדמיה רב-פוטונית ברקמות עמוקות ויישומים תעשייתיים במיקרומכניקה קרה. בנוסף, כאשר לייזרי טיטניום-ספיר מופעלים במצב הגברה של דופק ציוץ, הם יכולים לשמש ליצירת הספקים שיא גבוהים במיוחד בטווח הטרה-וואט, אשר מוצא שימוש בחקר היתוך גרעיני.

קישורים חיצוניים עריכה

הערות שוליים עריכה

  1. ^ Moulton, P. F. (1986). "Spectroscopic and laser characteristics of Ti:Al_2O_3". Journal of the Optical Society of America B. 3 (1): 125–133. Bibcode:1986JOSAB...3..125M. doi:10.1364/JOSAB.3.000125.
  2. ^ Steele, T.R.; Gerstenberger, D. C.; Drobshoff, A.; Wallace, R. W. (15 במרץ 1991). "Broadly tunable high-power operation of an all-solid-state titanium-doped sapphire laser system". Optica Publishing Group. Optica Publishing Group. doi:10.1364/OL.16.000399. {{cite journal}}: (עזרה)
  3. ^ Withnall, R. (2005-01-01), Guenther, Robert D. (ed.), "SPECTROSCOPY | Raman Spectroscopy", Encyclopedia of Modern Optics (באנגלית), Oxford: Elsevier: 119–134, doi:10.1016/b0-12-369395-0/00960-x, ISBN 978-0-12-369395-2, נבדק ב-2021-10-02
  4. ^ Erny, Christian; Hauri, Christoph P. (2013). "Design of efficient single stage chirped pulse difference frequency generation at 7 μm driven by a dual wavelength Ti:sapphire laser". Applied Physics B. 117 (1): 379–387. arXiv:1311.0610. Bibcode:2014ApPhB.117..379E. doi:10.1007/s00340-014-5846-6.
  5. ^ Spence, D. E.; Kean, P. N.; Sibbett, W. (1991-01-01). "60-fsec pulse generation from a self-mode-locked Ti:sapphire laser". Optics Letters (באנגלית). 16 (1): 42–44. Bibcode:1991OptL...16...42S. doi:10.1364/OL.16.000042. ISSN 1539-4794.
  6. ^ Strickland, Donna; Mourou, Gerard (1985-10-15). "Compression of amplified chirped optical pulses". Optics Communications. 55 (6): 447–449. Bibcode:1985OptCo..55..447S. doi:10.1016/0030-4018(85)90151-8.
  7. ^ "The Nobel Prize in Physics 2018". www.nobelprize.org. נבדק ב-2018-10-02.
  8. ^ "Peter Moulton on the Ti:Sapphire laser. The Ti:sapphire laser has gained broad usage and new applications in biological research and other areas since its inception in 1982". spie.org. נבדק ב-2017-11-02.
  9. ^ Hänsch, Theodor W. (2006). "Nobel Lecture: Passion for precision". Reviews of Modern Physics. 78 (4): 1297–1309. Bibcode:2006RvMP...78.1297H. doi:10.1103/RevModPhys.78.1297free{{cite journal}}: תחזוקה - ציטוט: postscript (link)
  10. ^ Hall, John L. (2006). "Nobel Lecture: Defining and measuring optical frequencies". Reviews of Modern Physics. 78 (4): 1279–1295. Bibcode:2006RvMP...78.1279H. doi:10.1103/RevModPhys.78.1279free{{cite journal}}: תחזוקה - ציטוט: postscript (link)
  11. ^ "The Nobel Prize in Physics 2005". www.nobelprize.org. נבדק ב-2017-11-02.
  12. ^ Medeiros de Araújo, R. (2014). "Full characterization of a highly multimode entangled state embedded in an optical frequency comb using pulse shaping". Physical Review A. 89 (5): 053828. arXiv:1401.4867. Bibcode:2014PhRvA..89e3828M. doi:10.1103/PhysRevA.89.053828.