Un láser sintonizable es un láser cuya longitud de onda de funcionamiento se puede alterar de forma controlada. Si bien todos los medios de ganancia de láser permiten pequeños cambios en la longitud de onda de salida, solo unos pocos tipos de láseres permiten la sintonización continua en un rango de longitud de onda significativo.
Hay muchos tipos y categorías de láseres sintonizables. Existen en estado gaseoso, líquido y sólido. Entre los tipos de láseres sintonizables se encuentran los láseres excimer , los láseres de gas (como los láseres de CO 2 y He-Ne ), los láseres de colorante (de estado líquido y sólido), los láseres de estado sólido de metales de transición , los láseres de diodos y cristales semiconductores y los láseres de electrones libres. . [1] Los láseres sintonizables encuentran aplicaciones en espectroscopia , [2] fotoquímica , separación de isótopos con láser de vapor atómico , [3] [4]y comunicaciones ópticas .
Tipos de sintonización
Sintonización de una sola línea
Dado que ningún láser real es verdaderamente monocromático , todos los láseres pueden emitir luz en un rango de frecuencias, conocido como el ancho de línea de la transición del láser. En la mayoría de los láseres, este ancho de línea es bastante estrecho (por ejemplo, la transición de longitud de onda de 1.064 nm de un láser Nd: YAG tiene un ancho de línea de aproximadamente 120 GHz, o 0,45 nm [5] ). La sintonización de la salida del láser en este rango se puede lograr colocando elementos ópticos selectivos de longitud de onda (como un etalón ) en la cavidad óptica del láser , para proporcionar la selección de un modo longitudinal particular de la cavidad.
Sintonización multilínea
La mayoría de los medios de ganancia de láser tienen varias longitudes de onda de transición en las que se puede lograr la operación del láser. Por ejemplo, además de la línea de salida principal de 1.064 nm, Nd: YAG tiene transiciones más débiles en longitudes de onda de 1.052 nm, 1.074 nm, 1.112 nm, 1.319 nm y varias otras líneas. [6] Por lo general, estas líneas no funcionan a menos que se suprima la ganancia de la transición más fuerte; por ejemplo, mediante el uso de espejos dieléctricos selectivos en longitud de onda . Si se introduce un elemento dispersivo , como un prisma , en la cavidad óptica, la inclinación de los espejos de la cavidad puede provocar la sintonización del láser a medida que "salta" entre diferentes líneas de láser. Tales esquemas son comunes en argón - láseres de iones , lo que permite la sintonización del láser a una serie de líneas desde el ultravioleta y azul a través de verdes longitudes de onda.
Sintonización de banda estrecha
Para algunos tipos de láseres, la longitud de la cavidad del láser se puede modificar y, por lo tanto, se pueden sintonizar continuamente en un rango de longitud de onda significativo. Los láseres semiconductores de retroalimentación distribuida (DFB) y los láseres emisores de superficie de cavidad vertical (VCSEL) utilizan estructuras de reflectores de Bragg distribuidos periódicamente (DBR) para formar los espejos de la cavidad óptica. Si se cambia la temperatura del láser, el cambio de índice de la estructura DBR provoca un cambio en su longitud de onda reflectante máxima y, por lo tanto, en la longitud de onda del láser. El rango de sintonización de tales láseres es típicamente de unos pocos nanómetros, hasta un máximo de aproximadamente 6 nm, ya que la temperatura del láser se cambia ~ 50 K . Como regla general, la longitud de onda se sintoniza en 0,08 nm / K para los láseres DFB que operan en el régimen de longitud de onda de 1.550 nm. Dichos láseres se utilizan comúnmente en aplicaciones de comunicaciones ópticas como los sistemas DWDM para permitir el ajuste de la longitud de onda de la señal. Para obtener la sintonización de banda ancha utilizando esta técnica, algunos como Santur Corporation o Nippon Telegraph and Telephone (NTT Corporation) [7] contienen una matriz de tales láseres en un solo chip y concatenan los rangos de sintonización.
Láseres ampliamente sintonizables
Los láseres reflectores Bragg distribuidos de rejilla de muestra (SG-DBR) tienen un rango sintonizable mucho mayor, mediante el uso de espejos Bragg sintonizables a nonio y una sección de fase, se puede seleccionar un rango de salida de modo único de> 50 nm. Otras tecnologías para lograr amplios rangos de sintonía para sistemas DWDM [8] son:
- Láseres de cavidad externa que utilizan una estructura MEMS para ajustar la longitud de la cavidad, como los dispositivos comercializados por Iolon .
- Láseres de cavidad externa que utilizan disposiciones de rejilla de prismas múltiples para una sintonización de amplio rango. [9]
- Matrices láser DFB basadas en varios láseres DFB sintonizados térmicamente: la sintonización aproximada se logra seleccionando la barra láser correcta. Luego, el ajuste fino se realiza térmicamente, como los dispositivos comercializados por Santur Corporation .
- VCSEL ajustable: una de las dos pilas de espejos es móvil. Para lograr suficiente potencia de salida de una estructura VCSEL, los láseres en el dominio de 1.550 nm generalmente se bombean ópticamente o tienen un amplificador óptico adicional integrado en el dispositivo.
A diciembre de 2008[actualizar]Ya no existe un VCSEL ampliamente sintonizable disponible comercialmente para la aplicación del sistema DWDM . [ cita requerida ]
Se afirma que el primer láser infrarrojo con una capacidad de sintonización de más de una octava fue un láser de cristal de germanio. [10]
Aplicaciones
La gama de aplicaciones de los láseres sintonizables es extremadamente amplia. Cuando se acopla al filtro correcto, una fuente sintonizable se puede sintonizar en unos pocos cientos de nanómetros [11] [12] [13] con una resolución espectral que puede ir de 4 nm a 0,3 nm, dependiendo del rango de longitud de onda . Con un aislamiento suficientemente bueno (> DO4), la fuente sintonizable se puede utilizar para el estudio básico de absorción y fotoluminiscencia . Se puede utilizar para la caracterización de células solares en un experimento de corriente inducida por haz de luz (LBIC) a partir del cual se puede mapear la eficiencia cuántica externa (EQE) de un dispositivo. [14] También se puede utilizar para la caracterización de nanopartículas de oro [15] y termopila de nanotubos de carbono de pared simple [16] donde es esencial un amplio rango sintonizable de 400 nm a 1000 nm. Las fuentes sintonizables se utilizaron recientemente para el desarrollo de imágenes hiperespectrales para la detección temprana de enfermedades de la retina donde una amplia gama de longitudes de onda, un ancho de banda pequeño y un aislamiento sobresaliente son cruciales para lograr una iluminación eficiente de toda la retina . [17] [18] La fuente sintonizable puede ser una herramienta poderosa para la espectroscopia de reflexión y transmisión , fotobiología , calibración de detectores, imágenes hiperespectrales y experimentos de sonda de bomba en estado estable, por nombrar solo algunos.
Historia
El primer láser verdaderamente sintonizable fue el láser de colorante en 1966. [19] [20] Hänsch introdujo el primer láser sintonizable de ancho de línea estrecho en 1972. [21] Los láseres de colorante y algunos láseres vibrónicos de estado sólido tienen anchos de banda extremadamente grandes, lo que permite la sintonización en un rango de decenas a cientos de nanómetros. [22] El zafiro dopado con titanio es el láser de estado sólido sintonizable más común, capaz de operar con láser de 670 nm a 1100 nm de longitud de onda. [23] Normalmente, estos sistemas láser incorporan un filtro Lyot en la cavidad del láser, que se gira para ajustar el láser. Otras técnicas de sintonización involucran rejillas de difracción, prismas, etalones y combinaciones de estos. [24] Las disposiciones de rejilla de prismas múltiples , en varias configuraciones, como las describe Duarte , se utilizan en diodos, tintes, gas y otros láseres sintonizables. [25]
Ver también
- Láser de tinte
- Láser excimer
- Láser de electrones libres
- Diodo láser
- Láser de cristal líquido
- Bloqueo de modo
- Oscilador láser de rejilla de prismas múltiples
- Amplificador óptico paramétrico
- Láser orgánico
Referencias
- ^ FJ Duarte (ed.), Manual de láseres sintonizables (académico, 1995) .
- ^ W. Demtröder , Espectroscopia láser: Principios básicos, 4ª Ed. (Springer, Berlín, 2008).
- ^ JR Murray, en Espectroscopia láser y sus aplicaciones , LJ Radziemski, RW Solarz y JA Paisner (Eds.) (Marcel Dekker, Nueva York, 1987) Capítulo 2.
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- ↑ Tsuzuki, K .; Shibata, Y .; Kikuchi, N .; Ishikawa, M .; Yasui, T .; Ishii, H .; Yasaka, H. (2009). "Full Tunable DFB Laser Array Copackaged con InP Mach-Zehnder Modulator para sistemas de comunicación óptica DWDM". Temas seleccionados de IEEE en electrónica cuántica . 15 : 521-527. doi : 10.1109 / jstqe.2009.2013972 .
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- ^ Ver fotografía 3 en http://spie.org/x39922.xml
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( ayuda ) - ^ FJ Duarte y LW Hillman (eds.), Principios del láser de tinte (académico, 1990) Capítulo 4
- ^ FJ Duarte, Óptica láser sintonizable , 2ª Ed. (CRC, Nueva York, 2015) Capítulo 7.
Otras lecturas
- Koechner, Walter (1988). Ingeniería de láser de estado sólido (2ª ed.). Springer-Verlag. ISBN 978-3-540-18747-9.