Laser safira Ti - Ti-sapphire laser
Lasers de Ti: safira (também conhecidos como lasers de Ti: Al 2 O 3 , lasers de safira de titânio ou Ti: safiras ) são lasers sintonizáveis que emitem luz vermelha e infravermelha próxima na faixa de 650 a 1100 nanômetros. Esses lasers são usados principalmente em pesquisas científicas devido à sua sintonia e capacidade de gerar pulsos ultracurtos . Lasers baseados em Ti: safire foram construídos e inventados pela primeira vez em junho de 1982 por Peter Moulton no Laboratório Lincoln do MIT .
Titânio-safira refere-se ao meio laser , um cristal de safira (Al 2 O 3 ) que é dopado com íons Ti 3+ . Um laser de Ti: safira é normalmente bombeada com um outro laser com um comprimento de onda de 514-532 nm, para o qual árgon - lasers de ião (514,5 nm) e de frequência duplicada Nd: YAG , Nd: YLF , e Nd: YVO lasers (527- 532 nm). Eles são capazes de operar a laser de comprimento de onda de 670 nm a 1.100 nm. Ti: lasers de safira operam com mais eficiência em comprimentos de onda próximos a 800 nm.
Tipos de Ti: lasers de safira
Osciladores de modo bloqueado
Os osciladores de modo bloqueado geram pulsos ultracurtos com uma duração típica entre alguns picossegundos e 10 femtossegundos , em casos especiais até cerca de 5 femtossegundos. A repetição de impulsos de frequência é na maioria dos casos, cerca de 70 a 90 MHz. Os osciladores Ti: safira são normalmente bombeados com um feixe de laser de onda contínua de um laser de argônio ou Nd: YVO4 de frequência dupla . Normalmente, esse oscilador tem uma potência de saída média de 0,4 a 2,5 watts .
Amplificadores de pulso chirpado
Esses dispositivos geram pulsos ultracurtos e de intensidade ultralta com uma duração de 20 a 100 femtossegundos. Um amplificador de um estágio típico pode produzir pulsos de até 5 milijoules de energia a uma frequência de repetição de 1000 hertz , enquanto uma instalação de vários estágios maior pode produzir pulsos de até vários joules , com uma taxa de repetição de até 10 Hz. Normalmente, os cristais de amplificadores são bombeados com um laser Nd: YLF de frequência pulsada dupla a 527 nm e operam a 800 nm. Existem dois designs diferentes para o amplificador: amplificador regenerativo e amplificador multipass.
Os amplificadores regenerativos operam amplificando pulsos únicos de um oscilador (veja acima). Em vez de uma cavidade normal com um espelho parcialmente reflexivo, eles contêm interruptores ópticos de alta velocidade que inserem um pulso em uma cavidade e tiram o pulso da cavidade exatamente no momento certo quando foi amplificado para uma alta intensidade.
O termo ' piava -pulse' refere-se a uma construção especial que é necessário para evitar que o pulso de danificar os componentes do laser. O pulso é alongado no tempo de forma que a energia não esteja localizada no mesmo ponto no tempo e no espaço. Isso evita danos à ótica do amplificador. Em seguida, o pulso é opticamente amplificado e recomprimido a tempo de formar um pulso curto e localizado. Todas as ópticas após este ponto devem ser escolhidas levando em consideração a alta densidade de energia.
Em um amplificador multipasso, não há interruptores ópticos. Em vez disso, os espelhos guiam o feixe um número fixo de vezes (duas ou mais) através do cristal de safira Ti: com direções ligeiramente diferentes. Um feixe de bomba pulsado também pode ser multipassado através do cristal, de modo que mais e mais passagens bombeiem o cristal. Primeiro, o feixe da bomba bombeia um ponto no meio de ganho. Em seguida, o feixe de sinal passa primeiro pelo centro para amplificação máxima, mas em passagens posteriores o diâmetro é aumentado para ficar abaixo do limite de dano, para evitar a amplificação das partes externas do feixe, aumentando assim a qualidade do feixe e cortando algumas emissões espontâneas amplificadas e para esgotar completamente a inversão no meio de ganho.
Os pulsos de amplificadores de pulso chirped são freqüentemente convertidos para outros comprimentos de onda por meio de vários processos ópticos não lineares .
A 5 mJ em 100 femtossegundos, a potência de pico desse laser é de 50 gigawatts. Quando focalizados por uma lente, esses pulsos de laser ionizarão qualquer material colocado no foco, incluindo moléculas de ar.
Lasers de onda contínua sintonizáveis
Safira de titânio é especialmente adequada para lasers pulsados, uma vez que um pulso ultracurto contém inerentemente um amplo espectro de componentes de frequência. Isso se deve à relação inversa entre a largura de banda de frequência de um pulso e sua duração de tempo, por serem variáveis conjugadas . No entanto, com um design apropriado, safira de titânio também pode ser usada em lasers de onda contínua com larguras de linha extremamente estreitas e ajustáveis em uma ampla faixa.
História e aplicações
O laser Ti: safira foi inventado por Peter Moulton em junho de 1982 no MIT Lincoln Laboratory em sua versão de onda contínua. Posteriormente, esses lasers mostraram gerar pulsos ultracurtos por meio de modelocking de lentes Kerr . Strickland e Mourou , além de outros, trabalhando na Universidade de Rochester , mostraram a amplificação de pulso chilreado desse laser dentro de alguns anos, pelo qual os dois compartilharam o Prêmio Nobel de Física de 2018 (junto com Arthur Ashkin pelas pinças ópticas). As vendas cumulativas de produtos do laser Ti: safira totalizaram mais de US $ 600 milhões, tornando-o um grande sucesso comercial que sustentou a indústria do laser de estado sólido por mais de três décadas.
Os pulsos ultracurtos gerados por lasers de Ti: safira no domínio do tempo correspondem a pentes de frequência óptica com bloqueio de modo no domínio espectral. As propriedades temporais e espectrais desses lasers os tornam altamente desejáveis para metrologia de frequência, espectroscopia ou para bombear processos ópticos não lineares . Metade do prêmio Nobel de física em 2005 foi concedido ao desenvolvimento da técnica de pente de frequência óptica, que dependia fortemente do laser Ti: safira e de suas propriedades de auto-modelagem. As versões de onda contínua desses lasers podem ser projetadas para ter um desempenho quase quântico limitado, resultando em um baixo ruído e uma largura de linha estreita, tornando-os atraentes para experimentos de óptica quântica . A redução do ruído de emissão espontânea amplificada na radiação dos lasers de Ti: safira confere grande força em sua aplicação como redes ópticas para a operação de relógios atômicos de última geração. Além das aplicações científicas fundamentais em laboratório, este laser encontrou aplicações biológicas, como imagem multifotônica de tecidos profundos e aplicações industriais em microusinagem a frio . Quando operados no modo de amplificação de pulso chilreado, eles podem ser usados para gerar potências de pico extremamente altas na faixa de terawatts, que são usadas na pesquisa de fusão nuclear .