多くのレーザーにより、オペレーターは、必要に応じてUVの出力波長をIR波長範囲にチューニングまたは変更できます。調整可能なレーザーがどのように実装されているかについての以前の議論に続いて、この記事では、調整可能なレーザーの種類と用途について詳しく説明します。
調整可能なレーザーを使用したアプリケーションは、一般に2つの広範なカテゴリに分類されます。単一線またはマルチラインの固定波長レーザーが望ましい離散波長または波長を提供できないものと、レーザー波長を実験中に継続的に調整しなければならないものです。
多くのタイプの調整可能なレーザーは、調整可能な連続波（CW）、ナノ秒、ピコ秒、またはフェムト秒パルス出力を生成することができます。それらの出力特性は、使用されるレーザーゲイン培地によって決定されます。
調整可能なレーザーの基本的な要件は、広範囲の波長でレーザー光を放出できることです。特別な光学系を使用して、調整可能なレーザーの放射帯から特定の波長または波長の帯域を選択できます。
チューニング可能なレーザーを生産できるさまざまなゲイン材料があり、その最も一般的なものは有機染料とチタンサファイアクリスタル（TI：サファイア）です。これら2つのゲイン材料の場合、アルゴンイオン（AR+）レーザーまたは周波数二度のネオジムイオン（ND 3+）レーザーは、約490 nmのポンプ光の効率的な吸収のためにポンプ源として使用されます。
色素分子は、紫外線から可視（UV-vis）範囲内の波長を生成するために使用できます。ただし、幅広い調整範囲を達成するには、さまざまな色素分子を切り替える必要があり、プロセスを非常に面倒で複雑にします。対照的に、固体レーザーは、1つのレーザーゲイン材料（誘電性結晶など）のみを使用して広いチューニング範囲を達成でき、頻繁な色素の変化の必要性を排除できます。
現在、Titanium Sapphireは主要な調整可能なレーザーゲイン材料として登場しており、680〜1100 nmの広範な発光スペクトルが連続的に調整され、UV-VISスペクトル範囲にアップコンバートされるか、IRスペクトル領域に変換される可能性があります。これらの特性により、化学と生物学の幅広いアプリケーションが可能になります。
調整可能なCWスタンディングウェーブレーザー
概念的には、CWスタンディングウェーブレーザーは最も単純なレーザーアーキテクチャです。これは、高度に反射するミラー、ゲイン媒体、および出力カプラーミラー（図1を参照）で構成されており、さまざまなレーザーゲイン媒体を使用してCW出力を提供します。調整性を実現するには、ターゲット波長範囲をカバーするためにゲイン媒体を選択する必要があります。
図1：サファイアをベースにしたCWスタンディングウェーブレーザーチタンの概略図。複屈折チューニングフィルターが表示されます。
多くの蛍光色素を使用して、レーザー波長を目的の範囲に調整できます。染料レーザーの主な利点は、UV-VISバンドの広範囲の波長をカバーする能力ですが、不利な点は、単一の色素/溶媒を使用すると、狭い波長調整機能のみを提供することです。対照的に、ソリッドステートチタンサファイアレーザーは、単一のゲイン媒体を使用して広い波長チューニング範囲を提供するという利点がありますが、690〜1100 nmの近赤外（NIR）バンドでのみ動作できるという不利な点があります。
両方のゲインメディアについて、受動的な波長安定化要素によって波長チューニングが達成されます。 1つ目は、マルチプレートの複屈折フィルターまたはLyotフィルターです。このフィルターは、特定の波長で高い透過を提供することによりゲインを調節し、そのため、レーザーをその波長で動作させることを余儀なくされます。
チューニングは、この複屈折フィルターを回転させることで実現されます。単純ですが、CWスタンディングウェーブレーザーは、複数の縦方向のレーザーモードを可能にします。これにより、約40 GHzの全幅半分のライン幅が生成されます（<1.5 cm-1), which can be a limiting factor for some applications such as Raman spectroscopy. To achieve narrower linewidths, a ring configuration is required.
調整可能なCWリングレーザー
1980年代初頭以来、リングレーザーは、キロハーツ範囲のスペクトル帯域幅を備えた単一の縦方向モードを介して調整可能なCW出力を実現するために使用されてきました。スタンディングウェーブレーザーと同様に、調整可能なリングレーザーは染料とチタンサファイアをゲインメディアとして使用できます。染料は、非常に狭い線幅を提供できます<100 kHz, while titanium sapphire provides linewidths of <30 kHz. Dye lasers have a tuning range of 550 to 760 nm and titanium sapphire lasers have a tuning range of 680 to 1035 nm, and the outputs of both lasers can be frequency-doubled to the UV band.
Heisenbergの不確実性の原則によれば、エネルギーの定義がより正確になるにつれて、決定できるパルス幅はそれほど正確になります。立ち波CWレーザーの場合、キャビティの長さは、個別の縦方向モードとして許可されるエネルギーの量を定義します。キャビティの長さが短くなると、縦方向のモードの数が増加し、より広く定義されていない出力ライン幅が得られます。
リング構成では、レーザー空洞は無限に長いキャビティと見なすことができ、エネルギーは正確に定義できます。空洞には単一の縦方向モードのみが存在します。シングルモードの動作条件を実現するために、いくつかの光学要素が特に必要です（図2を参照）。
図2：外部参照キャビティを備えたリング型チタンサファイアレーザーの光学レイアウト。
まず、ファラデーアイソレータが空洞に挿入され、航海内光子が常に同じ経路をたどるようにします。能力内標準化されたフィクスチャを使用して、出力ライン幅をさらに削減します。立ち波レーザー空洞とは異なり、リング構成にエンドミラーはありません。光子はレーザー空洞内で連続的に循環します。第二に、熱や振動などの環境の変動によって引き起こされる機械的変化を修正するために、空洞の長さを安定させる必要があります。
超ナロースペクトル帯域幅を達成するために、2つの方法のいずれかを使用して空洞を安定化できます。1つの方法では、機械的ピエゾ電気駆動型ミラーを使用してキロハーツ範囲の応答時間でキャビティの長さを安定させ、他の方法では電気オプティカル（EO）モジュレーターを使用してMeghertz範囲で応答時間を達成します。いくつかの専門的な実験室のセットアップは、ヘルツでスペクトル帯域幅を測定できることを示しています。リングキャビティのスペクトル分解能を決定する重要な要因は、外部周波数参照キャビティです。図2に示すように、参照キャビティを使用して、レーザーキャビティの長さを安定させるために必要な信号を生成します。この外部参照空洞は、温度、機械的振動、音響ノイズによって引き起こされる環境変動から分離する必要があります。参照キャビティは、2つの間の意図しない結合を避けるために、リングレーザーキャビティ自体から十分に分離する必要があります。参照信号は、ポンドドレーバーホール法を使用して処理されます。
モードロックされた準コンンチンゥムレーザー
多くのアプリケーションでは、レーザー出力の正確に定義された時間的特性は、正確に定義されたエネルギーよりも重要です。実際、短い光パルスを達成するには、多くの縦方向モードが同時に共鳴するキャビティ構成が必要です。これらの循環縦方向モードがレーザーキャビティ内で固定相関係を持つ場合、レーザーはモードロックされます。これにより、レーザーキャビティの長さで定義された期間で、空洞内で振動する単一のパルスが実現します。
アクティブモードロックは、音響光学モジュレーター（AOM）またはカーレンズを通るパッシブモードロックを使用して実現できます。 1980年代に人気が高まった前者は、キャビティの長さの半分の周波数で開閉する一時的なシャッターとして、能力内AOMを利用しています。この方法を使用して、数百のピコ秒のパルスを実現できます。過去数十年で、科学的アプリケーションは時間分解能を改善し、したがってパルスを短くする必要がありました。
同期的にポンピングされた染料レーザーは、中心波長を調整し、光パルスを数桁（数十ピコ秒まで）短縮するための実行可能な方法を提供します。これを達成するには、色素レーザー空洞は、モードロックされたポンプレーザーと同じキャビティの長さを持たなければなりません。ポンプと染料のレーザーパルスは、ゲイン培地で満たされ、染料分子から励起放射を生成します。レーザー出力は、染料レーザーキャビティの長さを調整することにより安定化されます。同期されたポンプ構成は、光学パラメトリック発振器（OPOS）を駆動するためにも使用できます（以下で説明します）。
チタンサファイアモードロックレーザーは、パッシブカーレンズモードロックの例です（図3を参照）。このアプローチでは、パルスはゲイン変調によって生成され、サファイアチタンの屈折率は強度に依存します。
原則として、パルスがゲイン培地を介して伝播すると、パルスの存在下でピーク強度が高くなります。これにより、パルスビームをより強く焦点を合わせ、キャビティ内のCWモードの同時共鳴をサポートするゲインがないまでゲインをより効率的に抽出するパッシブレンズが作成されます。空洞への機械的摂動は、強度スパイクを誘導してモードロックを開始するために使用されます。このアプローチにより、チタンサファイアは4 fsのパルスを生成することができました。
図3：モードロックされたチタンサファイアレーザーでは、中心波長は、2つの分散プリズムの間にあるチューニングスリットを移動することで調整されます。
300 nmを超える帯域幅を単一のパルスに結合できることは注目に値します。 Heisenbergの不確実性の原則によれば、より短いパルスにはより多くの縦方向モードが必要です。したがって、レーザー空洞は、安定したモードロックに必要な位相関係を維持するために、空洞光学から十分な分散補償を持たなければなりません。図3に示すように、一定の位相関係を確保するために、補償プリズムが空洞に追加されます。この方法を使用して、20 fsという短いパルスを取得できます。より短いパルスを生成するには、高次分散も補償する必要があります。この補償は、光学チャープレンズを使用して達成され、安定したモードロックに必要な位相関係を維持します。
チャープレンズモードロックは、より短いパルス（高強度）で最も効果的であるため、この方法は主にフェムト秒パルスの生成に適しています。 100 fs〜100 psの範囲では、再生モードロックと呼ばれるハイブリッドメソッドを使用できます。この方法では、能力内AOMとKERR効果を使用します。 AOM駆動頻度は、空洞繰り返し頻度のリアルタイム測定から導出され、その振幅はパルス期間に依存します。目的のパルス幅が増加し、KERR効果が低下すると、安定したAOM振幅が増加してモードロックをサポートします。その結果、再生モードロックは、単一のレーザーシステムを使用して、20 fsから300 PSの広範囲にわたる安定した調整可能な出力を提供できます。
1990年代後半、再生モードロックは、最初の調整可能なオールインワンのコンピューター制御チタンサファイアレーザーを可能にしました。このイノベーションにより、テクノロジーはより広範な研究者やアプリケーションがよりアクセスしやすくなりました。多光子イメージングの進歩は、大部分が技術の進歩によって推進されています。フェムト秒レーザーパルスは、生物学者、神経科学者、医師が現在利用できるようになりました。バイオイメージングでのチタンサファイアレーザーの一般的な使用につながってきた長年にわたって、多くの技術的進歩がなされてきました。
超高速イッテルビウムレーザー
チタンサファイアレーザーの幅広い有用性にもかかわらず、一部のバイオイメージング実験では、より長い波長が必要です。典型的な2光子吸収プロセスは、900 nmの波長での光子によって励起されます。波長が長くなると散乱が少ないため、励起波長が長くなると、より深い画像の深さを必要とする生物学的実験をより効果的に駆動できます。
また、生物学的サンプルに付着した色素のその後の蛍光光子の波長を考慮することも重要です。そのような蛍光光子の波長は通常、450〜550 nmの帯域にあり、散乱の影響を受けやすいです。したがって、赤外線波長を徐々に吸収するいくつかの蛍光マーカーが開発されています。この要件を満たすために、業界は、680〜1300 nmの範囲の出力波長を備えた1045 nm Ytterbiumレーザーによって駆動される、オールインワンのコンピューター制御された同期的に汲み上げられたOPOを開発しました。マルチホトンイメージングの場合、このアーキテクチャは、チタンサファイアレーザーに代わる非常に高いパフォーマンスを提供します。
超高速アンプ
上記の例は、ナノジュール（NJ）エネルギー範囲に超高速パルスを生成します。ただし、多くのアプリケーションでは、より高いエネルギー調整可能な光源が必要です。波長変換は非線形プロセスであるため、効率は利用可能なエネルギーに依存します。これらのアプリケーションでは、いくつかの手法を使用して、超高速レーザーのエネルギーと調整性を向上させることができます。
超高速パルスの増幅は、多段階の増幅と再生増幅の2つの主要なカテゴリに分けることができます。前者は、非常に高いエネルギー（100 MJ）を非常に低い入力で達成できるという利点がありますが、増幅段階を繰り返しパスして出力ビーム品質を低下させます。したがって、再生増幅は、マイクロジュール（µJ）またはMillijoule（MJ）スケールでパルスエネルギーを生成するための好ましい方法です。
一般に、超高速パルス増幅は、チャープパルス増幅方法によって達成されます（図4を参照）。このプロセスは、フェムト秒パルス期間、つまりシードレーザーのモードロックオシレーターから始まります。シードレーザーが十分な帯域幅を持つことが重要です。そうすれば、パルスの持続時間を時間内に伸ばすか、チャープすることができます。光学チャートは、異なる色の光の結果として発生し、異なる速度で光学材料を通過します。一般に、赤い光は青色光よりも速く移動します。たとえば、拡大する格子は、青色光の前に積極的にチャープした赤色光を導入し、時間と空間で波長成分を分離します。ミリジュールスケールのフェムト秒パルスの強力なピークパワーを減らすには、パルスの広がりが必要です。拡大後、約300 psのパルスが第2段階の再生レーザー空洞に向けられます。最後のステップは、2番目の格子を使用して負のチャープを導入し、増幅されたパルスを再構築することです。プロセス全体を図4に示します。
図4：チャープパルス増幅
今日、ほとんどの再生アンプはチタンサファイアを使用していますが、他のゲインメディア（Ytterbiumなど）はますます人気が高まっています。両方のゲインメディアでは、アンプは比較的狭い調整性を備えており、チタンサファイアのチューニング範囲は約780〜820 nmであり、分光アプリケーションでの有用性を制限しています。この制限を克服するために、いくつかの周波数変換方法が利用可能です。
高調波周波数変換は、超高速発振器または超高速アンプシステムの波長を調整する最も簡単な方法です。原則として、入射フォトンは基本周波数の整数倍数にアップコンバージョンされます。 Titanium Sapphire（基本チューニング範囲700〜1000 nm）の場合、2番目の高調波のチューニング範囲は350〜500 nm、3番目の高調波は233〜333 nm、4番目の高調波は175〜250 nmです。実際には、高調波結晶による吸収のため、4番目の高調波の調整は200 nmに制限されています。この範囲以外の波長を必要とするアプリケーションの場合、この範囲を超えた波長を必要とするアプリケーションのパラメーターは、パラメーター変換オプションが必要です。
超高速OPOおよびOPA
超高速パルス出力は乗算または3倍になることさえできますが、サファイアのチタンの700〜1000 nmのチューニング範囲は、UV-VisおよびIRスペクトル領域に波長ギャップを残します。これらの「空白」領域で波長を持つ超高速パルスを必要とする実験には、パラメーターのダウン変換が必要です。この方法は、単一の高エネルギー光子を2つの低エネルギー光子、つまり信号光子とアイドラー光子に変換します（図5を参照）。
図5：パラメトリックダウンコンバージョンの概略図。
これら2つの光子間のエネルギー分布は、ユーザーが構成できます。サファイアチタンに基づく典型的なパラメトリック構成では、波長800 nmの入射光子は約1200 nmから2600 nmまで連続的に調整できます。ダウンパラメーター変換は非線形プロセスであるため、変換効率が問題になる可能性があるためです。この制限を克服するために、ナノフォーカルエネルギーレベルで光パラメトリック発振器（OPO）が使用され、光学パラメトリックアンプ（OPA）がミリフォーカルエネルギーレベルで使用されます。
OPO空洞では、光は空洞を通って前後に伝播する短いパルスで構成されています。ただし、上記の染料レーザー構成とは異なり、活性化媒体は非線形結晶であり、ゲインを保存しません。OPOクリスタルは、ポンプパルスの存在下でのみ光子を変換します。超高速OPOの操作が成功するには、ポンプ源からのパルスが、OPOキャビティの周りを循環するアイドルと信号の光子と同時にクリスタルに到着する必要があります。言い換えれば、固定波長のチタンサファイアレーザーと超高速OPOは、まったく同じキャビティの長さを持っている必要があります。
典型的な超高速OPOのレイアウトを図6に示します。位相マッチングとキャビティの長さは、目的の波長を自動的に選択し、その波長の波長の往復時間が80 MHzに保持されることを保証します。これは、チタンサファイアポンプレーザーの場合と同じです。この例では、OPOはチタンサファイアポンプレーザーの2番目の高調波によって駆動されます。得られた400 nmビームは、490〜750 nm（信号出力）と930 nmから2.5 µm（ロイター出力）の合計波長カバーを持つ信号とロイター出力を生成し、パルス幅は200 fs未満です。 690〜1040 nmのチタンサファイア基礎のチューニング範囲と組み合わせると、システムは485 nmから2.5 µmの波長範囲を覆います。範囲。典型的な用途には、ソリトン研究、時間分解された振動分光法、超高速ポンププローブ実験が含まれます。
図6：同期してポンプでポンプした光学パラメトリック発振器（OPO）では、中心波長は、非線形結晶の位相併用角を調整することにより変化します。
OPAは同じ非線形光学プロセスを利用していますが、ポンプパルスのピーク電力が高いため、効率的な波長変換には光共振器は必要ありません。超高速アンプからのビームのごく一部は、サファイアプレートに焦点を合わせて、白色光連続体スペクトルを生成します。白色光の連続体スペクトルは、OPA結晶（通常はバリウム結晶）に播種され、残りの超高速アンプビームで汲み上げられます。 OPAを通るビームの単一のパスは、1桁増幅された信号と迷光を生成します。出力光の中心波長は、結晶の位相マッチング条件によって再び制御され、スペクトル帯域幅は通常、ポンプとシードビームの帯域幅または結晶の受信された帯域幅によって決定されます。
このOPAは、パルスごとに最大数millijoulesのエネルギーで、フェムト秒またはピコ秒範囲で動作できます。これらのエネルギーレベルでは、結果として得られる信号とアイドラーの光は、それらの高調波に、または合計および/または差の周波数混合によって変換できます。
Millijoule PulseエネルギーでポンピングされたOPAは、190 nmの深さの紫外線から遠赤外線スペクトル領域に光子を生成することができます。これらのデバイスは、過渡吸収分光法、蛍光アップコンバージョン、2D赤外線分光法、高調波生成など、多くの分光アプリケーションを促進します。
結論
現在、調整可能なレーザーは、基礎科学の研究からレーザー製造、生命と健康科学まで、多くの重要なアプリケーションで使用されています。現在利用可能なテクノロジーの範囲は膨大です。単純なCW調整可能なシステムから始めて、それらの狭い線幅は、高解像度分光法、分子および原子のトラッピング、および量子光学実験に使用でき、現代の研究者に重要な情報を提供します。
より洗練された超高速アンプシステムは、高エネルギー、ピコ秒、フェムト秒レーザーパルスを利用して、UVから遠赤帯域へのレーザー出力を生成します。これらの超高速レーザーは、高エネルギー物理学、高調波、および一時的な分光法を理解するために重要です。広いチューニング範囲は、同じレーザーシステムを使用して、電子および振動分光法の無限の実験を研究できることを意味します。今日のレーザーメーカーは、ワンストップショップタイプのソリューションを提供し、ナノフォーカルエネルギー範囲で300 nm以上にわたるレーザー出力を提供します。より洗練されたシステムは、マイクロフォーカスおよびミリフォーカスエネルギー範囲で、000 nmの200〜20の印象的な広いスペクトル範囲に及びます。
