Титан-сапфировые лазеры

Активная среда и спектральные характеристики

Титан-сапфировые лазеры используют в качестве активной среды кристаллы сапфира (Al₂O₃), легированные титаном (Ti³⁺). Примесь ионов Ti³⁺ замещает ионы Al³⁺ в кристаллической решётке, образуя широкую зону лазерной генерации за счёт сильно уширенных переходов между энергетическими уровнями ионов титана. Энергетическая структура ионов Ti³⁺ такова, что при возбуждении синим или зелёным светом (~500 нм) происходит переход на широкую полосу возбуждённого состояния, а затем — релаксация и излучательный переход в основное состояние с испусканием фотона в области 650–1100 нм.

Диапазон генерации чрезвычайно широк — более 200 нм, при пиковом усилении около 800 нм. Это делает титан-сапфировые лазеры одними из самых универсальных среди твердотельных лазеров.

Методы накачки

Для эффективной генерации титан-сапфировый кристалл требует интенсивной оптической накачки в синей или зелёно-голубой части спектра. Наиболее часто применяются лазеры на аргоновых ионах (λ = 488 и 514.5 нм), а также мощные лазерные диоды и фторидные лазеры. Современные титан-сапфировые лазеры зачастую накачиваются с использованием лазеров на Nd:YVO₄ или Nd:YAG с последующим удвоением частоты, что позволяет получить излучение накачки в требуемом диапазоне (~532 нм).

При этом важно соблюдать температурный и спектральный режимы, чтобы исключить тепловые искажении в кристалле и обеспечить эффективное возбуждение активных ионов.

Генерация сверхкоротких импульсов

Одним из важнейших достоинств титан-сапфировых лазеров является возможность генерации сверхкоротких импульсов — в фемтосекундном диапазоне (10⁻¹⁵ с). Это обусловлено широкой полосой усиления активной среды, что позволяет реализовать лазеры с модовой синхронизацией (mode-locking), где в резонаторе возбуждаются когерентные моды, формирующие короткие световые импульсы.

Использование пассивной синхронизации мод с помощью нелинейных элементов, таких как SESAM (Semiconductor Saturable Absorber Mirror), позволяет достичь стабильных фемтосекундных импульсов с длительностью порядка 10–100 фс и энергией в диапазоне от десятков наноДжоулей до нескольких микроДжоулей.

Также применяются методы Kerr-линзовой синхронизации мод (KLM), где используется нелинейная зависимость показателя преломления от интенсивности в кристалле, что позволяет реализовать самофокусировку внутри резонатора и автосинхронизацию мод.

Архитектура лазеров и конструктивные особенности

Реализация титан-сапфировых лазеров возможна в различных архитектурных решениях:

Непрерывные лазеры — с мощностью от нескольких милливатт до ватт, применяются в спектроскопии.
Импульсные лазеры с синхронизацией мод — генерируют фемтосекундные импульсы; часто используются в комбинированных системах, включая осцилляторы и усилители.
Лазеры с усилением CPA (chirped pulse amplification) — для увеличения пиковой мощности импульса до тераваттного диапазона без разрушения активной среды; включает растяжение импульса, усиление и компрессию.

Кристаллы титан-сапфира требуют высококачественной термостабилизации, поскольку высокие мощности накачки приводят к тепловым линзам и другим нежелательным эффектам. Чаще всего применяются водяные или термоэлектрические системы охлаждения.

Нелинейные эффекты и усиление

Благодаря высокой пиковой мощности титан-сапфировые лазеры часто используются для генерации и усиления нелинейных эффектов: самофазовая модуляция (SPM), генерация второй гармоники (SHG), комбинационное рассеяние, параметрическое усиление и др.

Сочетание титан-сапфирового осциллятора с параметрическим усилителем (OPCPA) позволяет получить импульсы с ещё более высокой пиковой мощностью и настраиваемым спектральным диапазоном.

Применение в научных и прикладных задачах

Благодаря уникальному сочетанию широкого спектрального диапазона, ультракороткой длительности импульсов и высокой пиковой мощности, титан-сапфировые лазеры находят широкое применение:

В нелинейной спектроскопии, включая двухфотонную и фемтосекундную спектроскопию;
В микроскопии сверхвысокого разрешения, включая двухфотонную микроскопию и микроскопию с временным разрешением;
В атомной и молекулярной физике для управления квантовыми состояниями;
В лазерной абляции и нанообработке материалов;
В медицине, например, при фемтосекундной лазерной коррекции зрения (лазик);
В физике высоких полей и плазмы, в том числе для ионизации и ускорения электронов;
В временных синхронизированных установках для исследования динамики быстрых процессов (в том числе в установках с рентгеновскими источниками или электронными ускорителями).

Спектральная перестройка и дисперсионная компенсация

Широкий спектр генерации позволяет осуществлять перестройку длины волны в широком диапазоне, вплоть до нескольких сотен нанометров. Для перестройки используют:

Призмы и дифракционные решётки в резонаторе;
Активные элементы с переменной добротностью;
Нелинейные кристаллы и параметры внешней синхронизации.

Для компенсации дисперсии, особенно в фемтосекундных лазерах, используют специальные зеркала с управляемой дисперсией (chirped mirrors), призменные пары, элементы с отрицательной групповой задержкой и другие методы. Правильная компенсация дисперсии необходима для сохранения формы и длительности импульса после прохождения через оптические элементы и усилители.

Ограничения и технические трудности

Несмотря на многочисленные преимущества, титан-сапфировые лазеры имеют и ряд ограничений:

Требуют мощного и дорогостоящего источника накачки;
Чувствительны к термическим деформациям;
Кристаллы имеют сравнительно невысокую эффективность — квантовая эффективность ниже по сравнению с Nd- и Yb-лазерами;
Необходимость точной юстировки, управления дисперсией и контроля температуры;
Высокая стоимость компонентов, особенно для фемтосекундных систем.

Тем не менее, непрерывное развитие в области твердотельной оптики, охлаждения, нелинейной оптики и управления фазой позволило титан-сапфировым лазерам занять прочное место в передовой лазерной науке и технологии.