Главная / Библиотека / Конфигурации непрерывных перестраиваемых лазеров среднего ИК диапазона на основе монокристаллов Cr2+:ZnSe

Конфигурации непрерывных перестраиваемых лазеров среднего ИК диапазона на основе монокристаллов Cr2+:ZnSe

Конфигурации непрерывных перестраиваемых лазеров среднего ИК диапазона на основе монокристаллов Cr2+:ZnSe

Введение

При воздействии лазерного излучения на биологическую ткань одна часть излучения поглощается, вторая отражается во внешнюю среду, третья претерпевает рассеяние во внутренних слоях образца, и четвертая проникает в глубокие слои образца. Количественное соотношение между частями излучения определяется исходной длиной волны.

В исследованиях биологических тканей широко применяются лазеры, излучающие в ближней и средней инфракрасной (ИК) области спектра. В области ближнего ИК диапазона коэффициент поглощения воды принимает минимальные значения в интервалах длин волн 650 – 950 нм, 1100 – 1300 нм, и 1600 – 1870 нм, в среднем ИК также имеется область с минимальным поглощением воды: 2100 – 2300 нм. В сравнении с ближним ИК диапазоном, электромагнитное излучение в среднем ИК диапазоне рассеивается гораздо меньше, поэтому исследования в нем являются актуальными в настоящее время.

Перестраиваемые лазеры – класс по-настоящему универсальных источников, представляющих большой интерес. Использование таких устройств в приложениях лазерной микроскопии экономически весьма выгодно, так как один универсальный перестраиваемый оптический передатчик заменяет в ряде случаев линейку из нескольких десятков передатчиков с фиксированной длиной волны. Источники на основе кристаллов Tm:LuAG и Ho:YAG охватывают лишь малую часть этого диапазона (2.1 – 2.13 мкм), источники суперконтинуума и лазерные диоды характеризуются малой выходной мощностью, а их излучение  не когерентно. Таким образом, разработка лазерного источника излучения, перестраиваемого в диапазоне длин волн от 2100 нм до 2300 нм, представляется актуальной задачей.

В статье рассматривается экспериментальная схема и результаты измерений параметров мощности лазерного резонатора в двух конфигурациях. В качестве активной среды резонатора были выбраны кристаллы халькогенидов цинка, выращенные в лабораторных условиях (а также широко производимых компанией MetaLaser). Халькогениды цинка с примесью иона-активатора показали наибольшую эффективность в диапазоне 2100 – 2300 нм, так как их полосы усиления находятся именно в этом диапазоне.

Перестраиваемые ИК лазеры на основе кристаллов Cr2+:ZnSe

Кристаллы халькогенидов цинка ZnSe и ZnS, легированные ионами переходных металлов являются перспективными материалами для создания активных сред перестраиваемых твердотельных лазеров. В качестве активной среды для перестраиваемого лазера может быть выбран кристалл Cr2+:ZnSe от MetaLaser, поскольку данный кристалл имеет большее время жизни на верхнем рабочем уровне при комнатной и более высоких температурах.

1
Рисунок 1. Схема резонатора неселективного типа

Высококачественные оптические компоненты, которые могут быть использованы в схемах построения перестраиваемого лазерного резонатора, предоставляют компании  Edmund Optics и Thorlabs: в ассортименте зеркала, призмы, делители пучка и многое другое. Для установки, позиционирования и юстировки оптических элементов в схеме необходимо применение высокоточных оптомеханических компонентов.

На рис. 1 приведена трехзеркальная схема неселективного резонатора. Импульс накачки рабочей области, в качестве которой использовался кристалл Cr2+:ZnSe, подавался от лазерного диода, излучающего в ИК диапазоне спектра. Далее излучение направлялось высокоотражающими зеркалами и проходило сквозь линзу с просветляющим покрытием и фокусным расстоянием 75 мм. В качестве входного зеркала использовался мениск с радиусом кривизны 60 мм и пропусканием на длине волны накачки ~100% и в диапазоне длин волн 2.1 – 2.6 мкм ~2%. Вместо второго зеркала во избежание появления астигматизма использовалась просветленная в диапазоне 1.65 – 3 мкм линза с фокусным расстоянием 50 мм. В качестве выходного зеркала использовалось плоское зеркало.

На рис. 2 показаны результаты измерения выходной мощности Cr2+:ZnSe и поглощенной мощности накачки. В каталогах компаний Edmund Optics и Thorlabs представлены измерители мощности, оптимально подходящие для данной цели.

2
Рисунок 2. Зависимость выходной мощности перестраиваемого лазера на основе Cr2+:ZnSe  от поглощенной мощности накачки

Перестраивание длины волны в таком резонаторе можно осуществить двумя способами – с помощью дисперсионной призмы и дифракционной решетки.

Перестраивание длины волны в лазерном резонаторе с использованием дисперсионной призмы

3
Рисунок 3. Конфигурация перестраиваемого ИК лазера с дисперсионной призмой: пристраивание длины волны осуществляется путем поворота выходного зеркала

В конфигурации с дисперсионной призмой наибольшая длина волны генерируемого излучения составила 2180 нм. Далее коэффициент пропускания выходного частично пропускающего зеркала начал резко расти, что привело к ограничению диапазона перестройки лазера. На рис. 4а и 4б представлены экспериментальные результаты измерения зависимости мощности генерации от длины волны накачки и пропускания выходного зеркала. Требованиям точности проводимого эксперимента оптимально соответствуют измерители мощности Thorlabs или Edmund Optics и спектрометры Avantes, обладающие рабочим диапазоном длин волн от 1000 нм до 2500 нм.

4a4b.jpg
Рисунок 4: а) Зависимость мощности генерации от длины волны; б) Зависимость пропускания выходного зеркала от длины волны
 

Перестраивание длины волны в лазерном резонаторе с использованием дифракционной решетки Литтроу

Для реализации второй схемы перестройки в конфигурации резонатора, показанного на рис. 2, выходное зеркало было заменено на дифракционную решетку Литтроу, принципиальная схема которой представлена на рис. 6а. Подобные решетки производят такие компании, как Edmund OpticsThorlabs, Spectrogon.

Сформированная оптическая схема установки с дифракционной решеткой показана на рис. 5.  Как видно по экспериментальным данным, полученным с применением измерителя мощности и приведенным на рис. 6б, в данной конфигурации удалось достичь перестройки длины волны в диапазоне 2.1 – 2.3 мкм.  Полученная выходная мощность на длине волны 2.1 мкм оказалась равна 130 мВт, на длине волны 2.3 мкм – 360 мВт.

5
Рисунок 5. Схема перестраиваемого ИК лазера с дифракционной решеткой
 

6а6b.jpg
Рисунок 6. а) Дифракционная решетка Литтроу; б) Зависимость мощности генерации электромагнитных волн от длины волны

Выводы

Хотя перестраиваемые лазеры для медицинских и биологических приложений могут быть реализованы различными способами, они имеют две общие особенности – среду, которая может создавать непрерывное излучение волн в широком диапазоне, и оптические элементы, позволяющие выделить определенную длину волны или полосу длин волн в этом диапазоне. Целесообразность применения кристаллов халькогенидов цинка, легированных ионами переходных металлов, в качестве активной среды обусловлена высокой эффективностью кристаллов в среднем ИК диапазоне, наиболее часто применяющимся в микроскопии и спектроскопии биологических тканей.

 

© Лазеры в науке, технике, медицине 30 (2019) 94

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции MetaLaser, Edmund Optics, Thorlabs, AvantesSpectrogon на территории РФ

 

 

Последние статьи
Объемные брэгговские решетки в лазерных резонаторах

В статье приводится обзор последних достижений в разработке дифракционных оптических элементов - решеток Брэгга, записанных на фототерморефрактивных (ФТР) стеклах. Группа из колледжа оптики и фотоники при Университете центральной Флориды представила экспериментальные результаты, отражающие изменения параметров выходного лазерного излучения при использовании брэгговских решеток, записанных на ФТР стекле. 

Применение квантово-каскадных лазеров в абсорбционной спектроскопии

Спектроскопические методы, основанные на использовании лазерных источников, имеют большой потенциал для выявления и мониторинга компонентов в газовой фазе. Высокая чувствительность и селективность лазера позволяет использовать их для количественной оценки атомов и молекул в образце. Квантово-каскадные лазеры, излучающие в области среднего ИК диапазона, обеспечивают высокое разрешение и позволяют идентифицировать спектр молекул в газовых образцах и в парах воды.

Спектроскопия тонкопленочных покрытий

Тонкие пленки используются в современных высокотехнологичных полупроводниковых структурах, микроэлектронике, матричных приемниках и, конечно, в оптике. Развитие знаний о свойствах материалов позволило науке совершить настоящий прорыв. Конечное применение тонкопленочных структур может быть разнообразным, но постоянной остается необходимость точного контроля толщины каждого слоя в процессе эпитаксиального роста. Толщина пленки обычно находится в диапазоне от 1 нм до 100 мкм.

Компенсация дисперсии в микроскопии трехфотонного возбуждения

Трехфотонная микроскопия – усовершенствованный метод двухфотонной микроскопии, в котором используется не двух-, а трехфотонное возбуждение в диапазоне 1300 – 1700 нм.  Увеличение длины волны возбуждающего лазерного излучения до 1700 нм позволяет сократить рассеяние и поглощение в тканях, ограничивающих глубину поля зрения, однако методы компенсации дисперсии в многофотонной микроскопии по-прежнему остаются актуальной темой исследований в современной фотонике.

Спектрометры Avantes для лазерно-искровой эмиссионной спектроскопии

Лазерно-искровая эмиссионная спектроскопия (ЛИЭС) – один из типов атомно-эмиссионного спектрального анализа. Методом ЛИЭС изучаются спектры плазмы лазерного пробоя (лазерной искры) в анализе твердотельных образцов, жидкостей, газовых сред, взвешенной пыли и аэрозолей.

У Вас особенный запрос?
У Вас особенный запрос?
Весьма часто наши заказчики лучше нас знают, какое оборудование им нужно. В этом случае мы берём на себя общение с производителем, доставку и таможенную очистку, а также все вопросы гарантийного периода. Пожалуйста, заполните эту форму, и мы свяжемся с Вами, чтобы помочь решить любую Вашу задачу. Или позвоните нам по телефону +7(495)199-0-199
Форма заявки
Ваше имя: *
Ваше имя
Ваш e-mail: *
Ваш телефон: *
Ваш телефон
Наши
контакты
г. Москва, ул. Бутлерова, д. 17Б, офис 502

г. Санкт-Петербург, Коломяжский проспект, 33 корпус 2