بدون شک توسعه ماده فعال لیزر Ti:sapphire (یاقوت با آلائیدگی تیتانیوم) که برای تولید پالسهای فمتو-ثانیه بکار می رود، پیشتاز علم لیزرهای فوق کوتاه است. پالسهای لیزری فوق کوتاه به پهنای باند طیفی وسیعی نیاز دارند و Ti:sapphire با داشتن پهنای باند وسیع در محدوده فروسرخ نزدیک از ۷۰۰ نانومتر تا بیش از ۱۰۰۰ نانومتر، پیشتاز این حوزه است [۱]. بدلیل ترکیب سختی مکانیکی بالا و رسانندگی حرارتی بالای یاقوت میزبان و قابلیت آن در ذخیره انرژی در مقایسه با دیگر محیط های فعال لیزری با پهنای باند گسترده مانند دای، Ti:sapphire اساس همه چیز است؛ از لیزرهای فوق کوتاه قفل­ مدی برای بیومیکروسکوپی گرفته تا سیستم هایی که می ‏توانند قله توان­ از مرتبه ۱۰^۱۵ وات تولید کنند [۲و۳].
لیزر Ti:sapphire، تکنولوژی ها­ و حوزه­ های تحقیقاتی کاملاً جدیدی را بنا نهاده است؛ به عنوان مثال، در بکارگیری HHG[1] برای ایجاد نور همدوس ماوراء بنفش فرین [۲](EUV) و اشعه X [۴و۵]. همچنین تکنولوژی شانه های فرکانسی[۳]، که در سال ۲۰۰۵ برنده جایزه نوبل فیزیک شد، اولین بار در استفاده از لیزر Ti:sapphire مشاهده شد [۶ و ۷]. علاوه بر این، در طی بسیاری از فرآیندهای غیرخطی که با لیزرهای Ti:sapphire انجام شده، پالسهایی به کوتاهی ۳ فمتو-ثانیه در ناحیه مرئی و ۶۰ آتو-ثانیه در ناحیه  EUVبدست آمده است.
با این حال، اگرچه Ti:sapphire بیش از دو دهه پیشتاز لیزرهای فوق کوتاه بوده است، در سالهای اخیر تکنولوژیهای دیگر به رقابت پرداخته ­اند؛ به عنوان مثال لیزرهای فیبری با پالس­هایی کمتر از ۱۰۰ فمتو-ثانیه (شامل تقویت ­کننده لیزر فیبر KMLabs Y-Fi در اندازه کوچک) و لیزرهایی که بر پایه بلور ایتربیوم (Yb) کار می کنند.
اما دلیل استفاده از تکنولوژی­ های دیگر چیست؟ این امر به دلیل سبک و سنگین کردن میان قیمت و پیچیدگی با تنظیم­ پذیری و پهنای پالس است. لیزرهای فیبری و Yb به طور مستقیم با لیزرهای دیودی دمش می ­شوند؛ در حالیکه لیزرهای Ti:sapphire نیازمند نور سبز هستند که معمولاً از طول موج ۵۳۲ نانومتر هارمونیک دوم لیزرهای  Nd:YAGحاصل می­شود. هرچند لیزرهای دمشی جدید، لیزر دیودهایی هستند که اساساً بین ۲۰۰۰۰ تا ۱۰۰۰۰۰ دلار قیمت دارند. علاوه بر این، پیچیدگی این رویکرد به این معناست که لیزرهای Ti:sapphire، کمتر قابل اعتماد هستند و به هزینه بیشتری نیاز دارند.
ملاحظه دیگر این است که پهنای طیفی گسترده Ti:sapphire، نیازمند اختلاف طول موجی زیادی بین نور دمش و نور لیزر است که نقص کوانتومی بزرگی است. این امر به معنای اتلاف حرارتی زیاد نیز هست. در لیزرهای آلائیده با Yb، نقص کوانتومی چندین مرتبه کوچکتر است که بدلیل پهنای باند بهره بسیار باریکتر است. علاوه بر این در لیزرهای فیبری، اتلاف حرارتی با توزیع در طول ماده، کاهش می­ یابد. بنابراین، موازنه ­بین اولاً قیمت و اعتماد پذیری و ثانیاً پهنای پالس بر حسب توان متوسط است.

با پیشرفت تکنولوژی لیزر  Ti:sapphireبا دمش دیودی مستقیم (DDPTS[4])، لزوم چنین موازنه­ ای کاهش یافته است. با آغاز دهه ۲۰۰۰ میلادی، تکنولوژی­ دیگری که برنده جایزه نوبل شد (اپتوالکترونیک های برپایه گالیوم نیترید (GaN)) این امکان را فراهم کرد که نورهای ماوراء بنفش، آبی و سبز برای دمش به طور مؤثر تولید شوند. در اوایل دهه ۲۰۱۰ میلادی، از لیزرهای دیودی GaN توان بیشتر از ۱ وات در طول موج ۴۴۵ نانومتر بدست آمد. با این ابداع، گروهی در دانشگاه Strathclyde در اسکاتلند توسط آلن کمپ[۵] و کیت روت[۶] اولین لیزر فمتو-ثانیه DDPTS را رونمایی کردند [۸]. با وجود اینکه اجرای اولیه معمولی بود، نشان داد چنین لیزری در عمل امکانپذیر است.
در فعالیت بعدی در آزمایشگاه ­های KML با همکاری چارلز دورفی[۷] در مدرسه کلورادو مینس (CSM; Golden, CO) نشان دادیم همانطور که فرآیند قفل ­مدی لنز کر[۸] برای تولید پالس ­های چند چرخه ای[۹] موفقیت آمیز بوده است، دمش دیودی مستقیم لیزر Ti:sapphire نیز می­تواند با در نظر گرفتن ملاحظاتی برای باریکه لیزر دمش انجام شود (شکل ۱) [۹]. بنابراین با این روش توانسته ­ایم لیزرهای پیوسته سبز با ارزش حدوداً ۵۰۰۰۰ دلار که در دهه ۱۹۹۰ مورد استفاده قرار می­ گرفتند را جایگزین دیودهای چند صد دلاری کنیم. از زمان اولین مشاهده، افزایش توان لیزر دیودهای ماوراء بنفش، آبی و اکنون سبز ادامه داشته است. اکنون امکان استفاده از تک لیزر دیود ۴ وات نه چندان گران، برای دمش لیزر Ti:sapphire قفل مدی برای تولید پالس ­هایی به کوتاهی ۱۳ فمتو-ثانیه فراهم شده است.

شکل ۱- سیستم نوسانگر-تقویت ­کنندهTi:sapphire  فوق سریع دمش دیودی. نوسانگر Ti:sapphire قفل مدی لنز کر توسط دیود تک گسیلنده با طول موج ۴۶۵ نانومتر و توان ۳٫۱ وات دمش می­ شود؛ در حالیکه تقویت ­کننده با دیودهای پرتوان (تا توان ۱۰۰ وات) تزویج شده به فیبر با طول موج ۴۵۰ نانومتر و یا توسط تک گسیلنده های ترکیب شده به طور طیفی یا فضایی با طول موج ۴۶۵ نانومتر و ۴۵۰ نانومتر (تا توان ۳۰ وات) تحت دمش قرار می ­گیرد و بصورت برودتی خنک می ­شود.

مورد دوم رونمایی اخیر ما، سیستم تقویت ­کننده لیزری فوق­ کوتاهTi:sapphire  با دمش دیودی مستقیم است. برای تولید بالاترین قله توان، پالس ­های کوتاه از لیزر قفل­ مدی با نرخ تکرار کم، وارد یک تقویت­کننده توان می شوند که انرژی پالس را از سه تا ده مرتبه بزرگی توسط ساختار تقویت ­کننده توان نوسانگر اصلی با استفاده از تقویت پالس ­های چرپ شده، افزایش می­ دهد. 
در مقابل دمش لیزر قفل ­مدی که هدف اصلی ایجاد یک پالس کوتاه است، در سیستم­ های تقویت کننده، توان دارای اهمیت است؛ هم توان متوسط و هم قله توان. معمولاً لیزرهای پالسی هارمونیک دوم برای دمش سیستم های Ti:sapphire با بالاترین قله توان از تعداد زیادی لیزر دیود استفاده می ­کنند. علاوه بر این، نئودیمیوم (Nd) برای تولید بهره لیزری ذاتی، به درخشندگی دمش نسبتاً پایینی نیاز دارد. هرچند در Ti:sapphire پهنای باند گسترده لزوماً با درخشندگی دمش بالا همراه است. توانایی ترکیب لیزر دیودها با حفظ درخشندگی منبع نیازی کلیدی است.
اخیراً آزمایشگاه­ های KML و CSM اولین تقویت ­کننده احیائی[۱۰] دمش شده توسط ماژول لیزر دیود ۴۵۰ نانومتر تزویج شده به فیبر را رونمایی کرده اند. ماژول دمش از شرکت DILAS (ماینز، آلمان)، توان را از تعداد زیادی تک گسیلنده ­ترکیب کرده و در یک فیبر با قطر ۲۰۰ میکرومتر و عدد روزنه (NA) ۲۲/۰ و توان گسیلی ۵۰ وات متمرکز می­کند. این درخشندگی برای غلبه بر اتلاف کاواک کافی است و امکان عملکرد یک تقویت کننده احیائی برای پالس­ های فوق ­کوتاه را فراهم می ­سازد. در اولین قدم، توانی بیشتر از یک وات با نرخ تکرار بزرگتر از ۵۰ کیلوهرتز در تقویت­ کننده بدست آمد (شکل ۲).

شکل ۲- اولین نتیجه عملکرد تقویت ­کننده لیزرTi:sapphire  فوق سریع با دمش دیودی مستقیم؛ نمودار نشان دهنده توان برحسب نرخ تکرار برای دمش با دیودهای ۴۴۵ نانومتر تزویج شده به فیبر با توان نوری ۴۵ وات است. تصویر سمت چپ بالا، کاواک تقویت کننده احیائی و تصویر سمت راست پایین شکل باریکه را نشان می­دهد.

نکته کلیدی دیگر در این تکنولوژی، خنک سازی برودتی بلور Ti:sapphire است [۱۲]. خنک سازی برودتی طول عمر تراز تحریکی Ti:sapphire را افزایش می ­دهد و همچنین رسانندگی حرارتی محیط میزبان یاقوت را زیاد می­کند؛ دو عاملی که عملکرد تقویت­ کننده را امکان­پذیر می­سازد. با افزایش درخشندگی این ماژولها، آستانه و بازدهی نهایی نیز افزایش می­یابد. فعالیت بعدی، دمش تقویت ­کننده با تک دیودهای گسیلنده طیفی و یا فضایی است.

آینده تکنولوژی لیزر DDPTS به دلیل پیشرفت دیودهای دمشی، درخشان است. لامپهای LED که اخیراً جانشین لامپ­ های حرارتی ادیسون شده ­اند از LED های آبی جفت شده با فسفر استفاده می ­کنند که بسیار قابل اعتماد، پربازده و مقرون به ­صرفه بوده و نور سفید تولید میکنند. دیودهای لیزری آبی، نسلی از این LED های آبی هستند؛ بعلاوه کاربردهای روشنایی، آغازی برای بکارگیری تکنولوژی لیزر آبی است.
زمانی که تابش با کیفیت بالا مدنظر است، لیزرهای دیودی آبی را می­توان به یک فسفر متمرکز کرده تا منبع نقطه ­ای درخشانی از نور سفید ایجاد شود. از جمله کاربردهای آن می‏توان به هدلایتهای اتوماتیک با محرک لیزری که به روشنایی بیشتر جاده کمک می­ کنند، اشاره کرد. همچنان که قیمت­ها کاهش و بازدهی افزایش می یابد، روشنایی­ با محرک لیزری فراگیرتر می­شود. در حقیقت Ti:sapphire با دمش LED امکان ­پذیرتر می­شود.
بنابراین، برخلاف لیزرهای حالت جامد نئودیمیوم (Nd) و ایتربیوم (Yb) با دمش دیودی که به دیودهای لیزری فروسرخ نیاز دارند، که کاربرد اصلی آنها در لیزرها است، Ti:sapphire با دمش دیودی مستقیم این مزیت را دارد که از محرک ­های بسیار اقتصادی بهره ­مند است. این امر ­اکنون در لیزرهای تک گسیلنده مشاهده شده است، که توان آنها در چند سال اخیر ۵ برابر رشد کرده­ و قیمت آنها کاهش یافته است.
کاملاً قابل تصور است که در سال­های آینده، قیمت ­به ازای هر وات نور دمش لیزر آبی بسیار کمتر، و بازدهی آن بیشتر از لیزرهای دیودی فروسرخ خواهد شد. این بدان معناست که لیزرهای فوق کوتاه با عملکرد بالا، بالاترین قله توان و توان متوسط، با عملکرد در نرخ­ تکرار چندده کیلوهرتز و بالاتر و توان کل کیلووات، به صورت DDPTS امکان­پذیر خواهند بود. این موضوع دریچه ای از کاربردهای صنعتی مانند تولید نور  EUVهمدوس و پرتوان در ۱۳٫۵ نانومتر برای تصویربرداری نانومتری در پشتیبانی از لیتوگرافی  EUVباز می­کند. حتی نقص کوانتومی بزرگ ماده Ti:sapphire ممکن است اصلاح شود؛ اندازه­ گیری ­های بسیار پایه ­ای فلورسانسی از Ti:sapphire نشان داده است که بخشی از این انرژی ممکن است در تحریک لیزری مجدد بهبود یابد.
برای بسیاری از کاربردها که به پالسهایی با نرخ تکرار پایین نیاز دارند و با طول عمر انرژی ذخیره شده در مواد آلائیده با Nd و Yb مطابقت بیشتری دارند (از مرتبه میلی­ ثانیه نسبت به ۵ میکروثانیه برای Ti:sapphire)، و برای لیزرهای فیبری فوق کوتاه فشرده، تکنولوژی ­های فوق ­کوتاه متنوع زیادی وجود دارد که در بازار فروش هم بسیار موفق خواهند بود. بهرحال پیش­بینی­ های قبلی مبنی بر سقوط تکنولوژی Ti:sapphire زودتر از موعد درحال وقوع است.

 
References:
1. P. F. Moulton, J. Opt. Soc. Am. B, 3, 1, 125–۱۳۳ (۱۹۸۶).
۲٫ M. D. Perry et al., Opt. Lett., 24, 3, 160–۱۶۲ (۱۹۹۹).
۳٫ K. Yamakawa and C. P. J. Barty, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron., 6, 4, 658–۶۷۵ (۲۰۰۰).
۴٫ J. Zhou et al., Phys. Rev. Lett., 76, 5, 752–۷۵۵ (۱۹۹۶).
۵٫ A. Rundquist et al., Science, 280, 5368, 1412–۱۴۱۵ (۱۹۹۸).
۶٫ D. Jones et al., Science, 288, 5466, 635–۶۳۹ (۲۰۰۰).
۷٫ T. Udem et al., Opt. Lett., 24, 13, 881–۸۸۳ (۱۹۹۹).
۸٫ P. W. Roth et al., Opt. Express, 20, 18, 20629–۲۰۶۳۴ (۲۰۱۲); http://dx.doi.org/10.1364/oe.20.020629.
9. C. G. Durfee et al., Opt. Express, 20, 13, 13677–۱۳۶۸۳ (۲۰۱۲).
۱۰٫ S. Backus et al., “Direct diode-pumped Kerr lens ۱۳ fs Ti:sapphire ultrafast oscillator using a single blue laser diode,” submitted for publication (2017).
11. S. Backus et al., Opt. Express, 25, 4, 3666–۳۶۷۴ (۲۰۱۷); http://dx.doi.org/10.1364/oe.25.003666.
12. S. J. Backus, H. C. Kapteyn, and M. M. Murnane, “Ultrashort pulse amplification in cryogenically cooled amplifiers,” U.S. Patent #6804287 (Oct. 12, 2004).
13. D. F. Gardner et al., “Sub-wavelength coherent imaging of periodic samples using a ۱۳٫۵ nm tabletop high harmonic light source,” Nat. Photon., in press (2017).
 
Source:http://www.laserfocusworld.com/articles/print/volume-53/issue-06/features/ultrafast-lasers-enhancing-ultrafast-direct-diode-pumped-ti-sapphire-laser-systems.html
 

---