Методы перестройки частоты

Методы перестройки частоты в лазерной физике

Основные принципы перестройки частоты

Перестройка частоты лазерного излучения представляет собой управляемое изменение длины волны (или частоты) выходного сигнала лазера. Это критически важная функция в лазерной технике, поскольку расширяет диапазон доступных длин волн, что необходимо для множества прикладных и фундаментальных задач: от спектроскопии до биомедицины, от нелинейной оптики до оптической связи.

Основные подходы к перестройке частоты делятся на два класса:

Перестройка в самом активном элементе (на уровне генерации).
Внекаверзная перестройка частоты (с помощью нелинейных или фильтрационных методов).

Перестройка частоты за счёт выбора активной среды

Некоторые активные среды, например красители, полупроводниковые структуры и некоторые кристаллы редкоземельных ионов, обладают широкими спектральными линиями излучения, что делает возможной перестройку частоты в пределах десятков или сотен нанометров.

Красительовые лазеры: обладают чрезвычайно широким спектром люминесценции, что позволяет реализовать перестройку от ультрафиолета до ближнего ИК-диапазона. Перестройка осуществляется с помощью дисперсионных элементов, таких как призмы или дифракционные решётки.
Полупроводниковые лазеры с внешней обратной связью: в таких системах применяются дифракционные решётки, обеспечивающие селекцию длины волны.
Твердотельные лазеры на ионах редкоземельных элементов: перестройка достигается изменением условий накачки, температуры или параметров резонатора.

Дисперсионная селекция длины волны

В лазерах с широким спектром излучения перестройка частоты часто реализуется за счёт введения в резонатор элементов дисперсии:

Дифракционные решётки в схеме Литтрова или Литтмана–Метцнера позволяют получить точную и плавную перестройку частоты.
Призмы или призменные пары обеспечивают дополнительную дисперсионную селекцию, особенно в комбинации с решётками.

Угловое положение решётки или призмы регулируется с помощью точных пьезоэлектрических приводов или гальванометров, что позволяет перестраивать длину волны в реальном времени.

Электрооптическая и акустооптическая перестройка

Активное управление длиной волны также может осуществляться через изменение условий резонанса с использованием внешнего воздействия:

Электрооптические элементы (например, кристаллы KDP или LiNbO₃) позволяют изменять показатель преломления под действием электрического поля, что приводит к перестройке оптической частоты.
Акустооптические фильтры применяются для спектральной селекции в полупроводниковых и твёрдотельных лазерах. В этих устройствах ультразвуковая волна модулирует индекс преломления материала, создавая решётку, дифрагирующую свет на определённую длину волны.

Температурная и механическая перестройка

Температурная перестройка применяется, например, в лазерах на квантовых каскадах и полупроводниковых лазерах. Изменение температуры приводит к сдвигу энергетических уровней и, соответственно, длины волны излучения.
Механическая перестройка реализуется путём изменения длины резонатора, положения зеркал или изменения длины волны накачки в волоконных системах.

Внекаверзные методы перестройки частоты

Если лазер не может напрямую генерировать излучение требуемой частоты, применяются нелинейно-оптические методы, в которых излучение преобразуется после генерации:

Гармоническое удвоение и утроение частоты

Удвоение частоты (вторичная гармоника) реализуется в нелинейных кристаллах (KTP, BBO, LBO и др.) и позволяет получить излучение с вдвое большей частотой (вдвое меньшей длиной волны), чем исходный лазер.
Утроение и учетверение частоты требуют каскадного прохождения через несколько кристаллов или использование смешанной частотной генерации.

Эти методы активно применяются для генерации УФ- и видимого излучения на базе ИК-лазеров, например, Nd:YAG (1064 нм → 532 нм → 355 нм → 266 нм).

Суммарное и разностное частотное смешение

Суммарное смешение частот (SFG) позволяет генерировать новое излучение на частоте, равной сумме частот двух входных волн.
Разностное смешение (DFG) обеспечивает излучение на частоте, равной разности частот входных волн.

Оба метода требуют фазового согласования и высокой интенсивности входных пучков. Они широко применяются в генерации средне- и дальне-ИК-диапазона, особенно на базе OPO/OPA-систем.

Оптические параметрические генераторы и усилители (OPO/OPA)

Параметрические процессы в нелинейных кристаллах обеспечивают эффективную перестройку частоты:

Оптический параметрический генератор (OPO) — нелинейное устройство, преобразующее накачку в два новых пучка: сигнал и идлер, длины волн которых определяются соотношениями сохранения энергии и импульса.
Оптический параметрический усилитель (OPA) — усиливает слабый сигнальный пучок при помощи мощной накачки, сохраняя перестраиваемость сигнала.

Диапазон перестройки может покрывать от ближнего ИК до ТГц-диапазона. Современные OPA и OPO системы позволяют перестраивать излучение от 0,3 до 12 мкм и более.

Когерентное антистокс-рассеяние (CARS) и другие методы

В нелинейной спектроскопии применяются методы, в которых частота излучения определяется не самой активной средой, а взаимодействием нескольких когерентных волн в исследуемом веществе:

CARS (Coherent Anti-Stokes Raman Scattering) обеспечивает перестраиваемое возбуждение за счёт комбинации частот лазеров и резонансов молекул.
FWM (Four-Wave Mixing) и DFWM (Degenerate FWM) позволяют получить излучение на новых частотах благодаря третьему порядку нелинейности среды.

Эти методы находят широкое применение в спектроскопии, микроскопии и исследованиях сверхбыстрых процессов.

Перестройка частоты в волоконных системах

Современные волоконные лазеры также демонстрируют высокую степень перестраиваемости:

С помощью брэгговских решёток, интегрированных в волокно, можно реализовать управляемую перестройку.
Путём изменения температуры, натяжения волокна или изменения длины накачки обеспечивается перестройка излучения.
В нелинейных волокнах (например, фотонно-кристаллических) реализуются частотные преобразования за счёт комбинации самофокусировки, суперспектрального уширения и эффектов четырёхволнового взаимодействия.

Перестраиваемые лазеры на квантовых точках и микрорезонаторах

Современные технологии позволяют создавать микроскопические лазеры с перестраиваемыми характеристиками:

Квантовые точки, благодаря квантово-размерному эффекту, демонстрируют широкий диапазон перестройки длины волны за счёт изменения напряжения, поля или накачки.
Микродисковые и микрокольцевые резонаторы, интегрированные на фотонных чипах, позволяют точно управлять частотой генерации благодаря изменениям геометрии или показателя преломления.

Спектральное уширение и суперспектры

В ультракороткоимпульсной лазерной физике особое значение имеет формирование суперконтинуума — широкого спектра излучения, получаемого путём пропускания фемтосекундных импульсов через нелинейные среды.

Такой спектр может охватывать от УФ до среднего ИК и быть использован для получения излучения на любой длине волны с помощью фильтрации.
Применяются нелинейные кристаллы, волокна, а также микроячейки с жидкостями и газами.

Этот метод особенно важен для широкополосной спектроскопии, метрологии и генерации аттосекундных импульсов.

Параметры и ограничения перестройки

Для любого метода перестройки важны следующие характеристики:

Диапазон перестройки — максимальный интервал частот, на который можно перестроить лазер.
Скорость перестройки — как быстро можно изменять частоту.
Стабильность — насколько стабильна частота при перестройке.
Мощность и эффективность — могут существенно изменяться при изменении длины волны.
Качество луча и когерентность — могут ухудшаться в зависимости от метода.

При проектировании лазерных систем с перестраиваемой частотой необходимо учитывать компромиссы между шириной спектра, стабильностью, выходной мощностью и сложностью реализации.