Многоволновые DPSS лазеры – настоящая альтернатива аргоновым лазерам

Твердотельный лазер с диодной накачкой, в котором кристалл титанил-фосфата калия (KTP) с регулярной доменной структурой (РДС KTP кристалл) используется в качестве генератора длин волн, создает одновременно на выходе синее и зеленое излучение.

На протяжении последних нескольких лет твердотельные лазеры захватывают все большую часть рынка аргоновых лазеров. Они нашли свое применение в системах поточной цитометрии, ДНК-секвенаторах, микроматричных сканерах и конфокальных лазерных сканирующих микроскопах для инспекции полупроводников и печатного оборудования.

На рынке существует несколько вариантов технологий, позволяющих получить излучение с длиной волны излучения аргонового лазера 488 нм - твердотельные лазеры с диодной накачкой и полупроводниковые лазеры с оптической или электрической накачкой в сочетании с элементами преобразования частоты или волоконными лазерами с повышающим частоту преобразованием. Все эти лазеры выдают лазерное излучение с весьма схожими оптическими характеристиками, но т.к. они имеют ряд преимуществ, такие как: меньшие габаритные размеры, низкое энергопотребление и длительный срок службы, они быстро заняли значительную долю рынка. Аргоновые лазеры с длиной волны 514 и 488 нм часто можно заменить твердотельными лазерами с длиной волны 532 нм, 473 нм - 491 нм, соответственно, и как показала практика твердотельные лазеры показали себя ничуть не хуже в целевых применениях.

Тем не менее, поскольку производители - например, конфокальных микроскопов - имеют многолетний опыт работы с досконально изученными аргоновыми лазерами, они продолжают встраивать их в свои системы. Возможно, первопричиной того, что разработчики продолжают работать с газовыми лазерами, является способность таких лазеров генерировать излучение с длиной волны в синем и зеленом спектре – 458, 476, 488, 514 нм в едином пучке. Существенным недостатком твердотельных лазеров всегда было то, что они выдают излучение только на одной длине волны. Для применений, требующих наличие нескольких длин волн в едином пучке, как правило, используются несколько источников с лучом, совмещенным посредством сложной системы зеркал или вывода в оптическое волокно.

Разработчикам кристаллов и лазеров компании Cobolt (Швеция) удалось создать твердотельный лазер с диодной накачкой, который может выдавать излучение с несколькими длинами волн видимого диапазона в едином пучке. Лазеры видимого диапазона этого производителя основаны на преобразовании частоты излучения материала источника, состоящего из редкоземельных легированных кристаллов, где в качестве источника накачки используются диодные лазеры.

Материалы источника излучения широко доступны, имеют очень высокое качество и характеризуются большой эффективностью преобразования и высокими порогами повреждения оптической плотности мощности, помимо этого они дают возможность масштабирования выходной мощности при сохранении хороших свойств пучка. Тем не менее, длины волн излучения лазеров построенных на основе этой технологии определяются ограниченным числом возможных переходов между различными энергетическими уровнями.

Разработчикам компании Cobolt удалось значительно увеличить количество доступных длин волн в видимом спектре не только путем удвоения частоты лазеров, но и путем смешения частот нескольких линий излучения. В многоволновом лазере Calypso, работающем на основе данной технологии, для нелинейного оптического преобразования частоты используются РДС KTP кристаллы. РДС KTP кристалл – это модифицированный нелинейный оптический материал, который производит квази-фазовую синхронизацию взаимодействующих волн, что позволяет получить произвольные длины волн в пределах диапазона прозрачности материала. Кроме того, поскольку кристаллы имеют высокий порог повреждения в видимой области спектра и высокую степень механической и термической стабильности, они пригодны для создания высокомощных непрерывных твердотельных лазеров синего и зеленого диапазонов длин волн. Компания Cobolt сама производит такие кристаллы по запатентованному процессу поляризации в электрическом поле.

РДС KTP кристалл вобрал в себя свойство ИК излучений различных материалов, которое частично преобладает внутри резонатора для повышения эффективности процесса смешивания из-за высокой интенсивности внутри резонансного циркулирующего поля. Внутри лазера два различных материала источника накачиваются одним лазерным диодом для уменьшения массогабаритных свойств лазера и материальных затрат на производство (рис.1). Длина волны 491 нм получается от суммарной частоты смешивания излучения с длиной волны 914 нм от Nd:YVO4 лазера с излучением 1064 от Nd:YAG лазера. В то же время длина волны 532 нм генерируется путем удвоения частоты остаточного излучения с длиной волны 1064 нм. Пространственное перекрытие и сонаправленное распространение видимых лучей обеспечивается с участием 1064 нм пучка, который также при взаимодействии производит излучение с длиной волны 491 нм.

Ключевым компонентом в создании многоволнового лазера является РДС кристалл. Можно достичь нескольких процессов преобразования частоты на одном кристалле путем размещения в нем нескольких последовательных дифракционных решеток квазифазовой синхронизации, каждый с различным периодом решетки вдоль направления распространения. Структура решетки создается путем литографического процесса с последующим приложением электрического поля высокого напряжения, которое изменяет сегнетоэлектрическое поле кристалла точно контролируемым периодическим способом.

Рис. 2. РДС KTP кристалл (слева) может генерировать произвольные длины волн с прозрачностью спектра от 0,35 до 4,5 мкм. Он обладает высокой нелинейностью def > 7 pm/V, высоким порогом повреждения в видимой области спектра, а также высокой механической и термической стабильностью. Он поддерживает одну поляризацию для всех взаимодействующих волн. Для достижения многократного преобразования частоты, кристалл можно оснастить несколькими последовательными дифракционными решетками квазифазовой синхронизации, каждый с различным периодом решетки.

Использование двух или более решеток на одном кристалле минимизирует количество оптических интерфейсов, тем самым упрощается конструкция лазера и сокращаются затраты на его производство. На данный момент единственным доступным двухволновым лазером Cobolt, является лазер с длинами волн 491 нм и 532 нм (рис.3). Однако, существует потенциал для получения излучения с длиной волны 457 нм на том же резонаторе. Также данная концепция может быть использована для получения красных длин волн, например путем удвоения частоты Nd:YVO4 лазера с длиной волны 1340 нм. Таким образом, существует вероятность реализации RGB лазерного источника со всеми тремя цветами в одном пучке, используя только один лазер накачки.

Рис. 3. Двухволновый лазерный источник с длинами волн 491 нм и 532 нм. Две линии разделены расщепителем пучка и заведены в стеклянные стержни для демонстрации

Лазер Calypso имеет 20 мВт выходной оптической мощности каждой длины волны. Он имеет крайне низкие шумы (<0.3%) и компактный корпус. Этот лазер подходит для использования в дисплеях, а также для высокочувствительных биоаналитических приборов с высокой пропускной способностью, в частности для применений, требующих возбуждения флуоресценции маркеров красителей. Другие области применения - это полноцветные системы изображения, такие как кинематографические видеодисплеи и печатная репрография. Производители конфокальных микроскопов и оборудования проточной цитометрии уже утверждают, что многоволновый лазер открывает новые горизонты в развитии компактных и эффективных аналитических приборов следующего поколения.

Примечание:

Более подробную информацию о лазерах компании Cobolt можно получить по ссылке: лазеры Cobolt.