لیزرهای تیتانیوم یاقوت کبود (همچنین به عنوان لیزرهای Ti:Sapphire ، Ti: Al2O3 یا Ti:sapphs نیز شناخته می‌شوند ) لیزرهای قابل تنظیمی هستند که نور قرمز و نزدیک به مادون قرمز را در محدوده 650 تا 1100 نانومتر ساطع می‌کنند. این لیزرها عمدتاً در تحقیقات علمی به دلیل قابلیت تنظیم و توانایی آنها در تولید پالس های فوق کوتاه به لطف طیف گسترده انتشار نور استفاده می شوند. لیزرهای مبتنی بر Ti:Sapphire اولین بار در ژوئن 1982 توسط پیتر مولتون در آزمایشگاه MIT لینکلن ساخته و اختراع شد . [1]
تیتانیوم یاقوت کبود به محیط لیزری اشاره دارد ، کریستالی از یاقوت کبود (Al 2 O 3 ) که با یون های Ti 3 + دوپ شده است . لیزر Ti:Sapphire معمولاً با لیزر دیگری با طول موج 514 تا 532 نانومتر پمپ می شود که لیزرهای آرگون یون (514.5 نانومتر) و لیزرهای Nd:YAG ، Nd:YLF و Nd:YVO با فرکانس دو برابر شده (527-527) پمپ می شود. 532 نانومتر) استفاده می شود. آنها قادر به عملیات لیزری از طول موج 670 نانومتر تا 1100 نانومتر هستند. [2] لیزرهای Ti: یاقوت کبود در طول موج های نزدیک به 800 نانومتر کارآمدترین عملکرد را دارند. [3]
نوسانگرهای قفل شده در حالت، پالس های فوق کوتاه با مدت معمولی بین چند پیکوثانیه تا 10 فمتوثانیه تولید می کنند ، در موارد خاص حتی حدود 5 فمتوثانیه (چند سیکل موج حامل در هر پالس لیزر). فرکانس تکرار پالس در بیشتر موارد حدود 70 تا 90 مگاهرتز است، همانطور که توسط مسیر نوری رفت و برگشت نوسانگر، معمولاً چند متر ارائه می شود. نوسانگرهای Ti:Sapphire معمولاً با یک پرتو لیزر موج پیوسته از یک لیزر آرگون یا لیزر Nd:YVO4 با فرکانس دوبل پمپ می‌شوند . به طور معمول، چنین نوسان ساز دارای توان خروجی متوسط 0.4 تا 2.5 وات (5.7 تا 35 nJ در هر پالس لیزر برای نرخ تکرار 70 مگاهرتز) است.
این دستگاه‌ها پالس‌های بسیار کوتاه و با شدت فوق‌العاده با مدت زمان 20 تا 100 فمتوثانیه تولید می‌کنند. یک تقویت کننده معمولی یک مرحله ای می تواند پالس هایی تا 5 میلی ژول انرژی در فرکانس تکرار 1000 هرتز تولید کند ، در حالی که یک مرکز بزرگتر و چند مرحله ای می تواند پالس هایی تا چند ژول را با نرخ تکرار تا 10 هرتز تولید کند. معمولاً کریستال های تقویت کننده با لیزر Nd:YLF با فرکانس دوبرابر پالسی در 527 نانومتر پمپ می شوند و در 800 نانومتر کار می کنند. دو طرح مختلف برای تقویت کننده وجود دارد: تقویت کننده احیا کننده و تقویت کننده چند گذر.
تقویت کننده های احیا کننده با تقویت تک پالس های یک نوسان ساز عمل می کنند (به بالا مراجعه کنید). به جای یک حفره معمولی با یک آینه تا حدی بازتابنده، آنها حاوی سوئیچ های نوری پرسرعت هستند که یک پالس را به داخل حفره وارد می کنند و پالس را دقیقا در لحظه مناسب که به شدت بالا تقویت شده است، از حفره خارج می کنند.
اصطلاح " پالس چیرپ " به ساختار خاصی اشاره دارد که برای جلوگیری از آسیب رساندن پالس به اجزای لیزر ضروری است. نبض در زمان کشیده می شود تا انرژی همه در یک نقطه زمانی و مکانی قرار نگیرد. این از آسیب دیدن اپتیک در تقویت کننده جلوگیری می کند. سپس پالس به صورت نوری تقویت شده و به موقع فشرده می شود تا یک پالس کوتاه و موضعی تشکیل شود. تمام اپتیک های بعد از این نقطه باید طوری انتخاب شوند که چگالی انرژی بالا را در نظر بگیرند.
در تقویت کننده های چند گذری ، هیچ کلید نوری وجود ندارد. در عوض، آینه ها پرتو را چندین بار (دو یا بیشتر) از طریق کریستال Ti:Sapphire با جهت های کمی متفاوت هدایت می کنند. یک پرتو پمپ پالسی نیز می تواند از طریق کریستال چند رد شود، به طوری که گذرهای بیشتر و بیشتر کریستال را پمپ می کنند. ابتدا پرتو پمپ نقطه ای را در محیط بهره پمپ می کند. سپس پرتو سیگنال ابتدا از مرکز عبور می کند تا حداکثر تقویت شود، اما در گذرهای بعدی قطر افزایش می یابد تا زیر آستانه آسیب باقی بماند تا از تقویت قسمت های بیرونی پرتو جلوگیری شود، بنابراین کیفیت پرتو افزایش می یابد و مقداری از انتشار خود به خودی تقویت شده قطع می شود. و وارونگی را در محیط بهره به طور کامل تخلیه کند.
پالس‌های تقویت‌کننده‌های پالس چیرپ اغلب با استفاده از فرآیندهای نوری غیرخطی مختلف به طول موج‌های دیگر تبدیل می‌شوند .
در 5 میلی ژول در 100 فمتوثانیه، حداکثر توان چنین لیزری 50 گیگاوات است. [4] هنگامی که این پالس‌های لیزری توسط عدسی فوکوس می‌شوند، هر ماده ای که در فوکوس قرار می‌گیرد، از جمله مولکول‌های هوا را یونیزه می‌کند و منجر به انتشار رشته کوتاه و اثرات اپتیک غیرخطی قوی می‌شود که طیف وسیعی از طول‌موج‌ها را ایجاد می‌کند.
تیتانیوم یاقوت کبود به ویژه برای لیزرهای پالسی مناسب است زیرا یک پالس فوق کوتاه ذاتاً دارای طیف گسترده ای از اجزای فرکانس است. این به دلیل رابطه معکوس بین پهنای باند فرکانسی یک پالس و مدت زمان آن است، به دلیل اینکه متغیرهای مزدوج آنها هستند . با این حال، با طراحی مناسب، تیتانیوم یاقوت کبود نیز می تواند در لیزرهای موج پیوسته با پهنای خط بسیار باریک قابل تنظیم در طیف گسترده ای استفاده شود.
لیزر Ti:Sapphire توسط پیتر مولتون در ژوئن 1982 در آزمایشگاه MIT لینکلن در نسخه موج پیوسته خود اختراع شد. متعاقباً، نشان داده شد که این لیزرها از طریق قفل کردن حالت لنز Kerr، پالس های فوق کوتاه تولید می کنند . [5] استریکلند و مورو ، علاوه بر دیگران، که در دانشگاه روچستر کار می‌کردند ، در عرض چند سال تقویت پالس صدای جیک این لیزر را نشان دادند، [6] که این دو در جایزه نوبل فیزیک 2018 مشترک شدند [7] ( همراه با آرتور اشکین برای موچین های نوری). فروش محصولات انباشته لیزر Ti:Sapphire بیش از 600 میلیون دلار بوده است که آن را به یک موفقیت تجاری بزرگ تبدیل کرده است که صنعت لیزر حالت جامد را برای بیش از سه دهه حفظ کرده است. [8] [9]
پالس های فوق کوتاه تولید شده توسط لیزرهای Ti: یاقوت کبود در حوزه زمان مربوط به شانه های فرکانس نوری قفل شده با حالت در حوزه طیفی است. هر دو ویژگی زمانی و طیفی این لیزرها آنها را برای اندازه گیری فرکانس، طیف سنجی یا برای پمپاژ فرآیندهای نوری غیرخطی بسیار مطلوب می کند . نیمی از جایزه نوبل فیزیک در سال 2005 به توسعه تکنیک شانه فرکانس نوری تعلق گرفت که به شدت بر لیزر تیتانیم: یاقوت کبود و ویژگی های خود مدل سازی آن متکی بود. [10] [11] [12] نسخه‌های موج پیوسته این لیزرها را می‌توان به گونه‌ای طراحی کرد که عملکرد تقریباً محدود کوانتومی داشته باشد، که منجر به نویز کم و پهنای خط باریک می‌شود و آنها را برای آزمایش‌های اپتیک کوانتومی جذاب می‌کند. [13] کاهش نویز انتشار خود به خودی تقویت شده در تابش لیزرهای Ti: یاقوت کبود، قدرت زیادی در کاربرد آنها به عنوان شبکه های نوری برای عملکرد ساعت های اتمی پیشرفته می دهد. جدا از کاربردهای علوم بنیادی در آزمایشگاه، این لیزر کاربردهای بیولوژیکی مانند تصویربرداری چند فوتونی عمیق بافت و کاربردهای صنعتی میکروماشینکاری سرد پیدا کرده است . هنگامی که در حالت تقویت پالس چیپ کار می شوند، می توان از آنها برای تولید توان های اوج بسیار بالا در محدوده تراوات استفاده کرد که در تحقیقات همجوشی هسته ای کاربرد دارد.