Конфигурации непрерывных перестраиваемых лазеров среднего ИК диапазона на основе монокристаллов Cr2+:ZnSe

Введение

При воздействии лазерного излучения на биологическую ткань одна часть излучения поглощается, вторая отражается во внешнюю среду, третья претерпевает рассеяние во внутренних слоях образца, и четвертая проникает в глубокие слои образца. Количественное соотношение между частями излучения определяется исходной длиной волны.

В исследованиях биологических тканей широко применяются лазеры, излучающие в ближней и средней инфракрасной (ИК) области спектра. В области ближнего ИК диапазона коэффициент поглощения воды принимает минимальные значения в интервалах длин волн 650 – 950 нм, 1100 – 1300 нм, и 1600 – 1870 нм, в среднем ИК также имеется область с минимальным поглощением воды: 2100 – 2300 нм. В сравнении с ближним ИК диапазоном, электромагнитное излучение в среднем ИК диапазоне рассеивается гораздо меньше, поэтому исследования в нем являются актуальными в настоящее время.

Перестраиваемые лазеры – класс по-настоящему универсальных источников, представляющих большой интерес. Использование таких устройств в приложениях лазерной микроскопии экономически весьма выгодно, так как один универсальный перестраиваемый оптический передатчик заменяет в ряде случаев линейку из нескольких десятков передатчиков с фиксированной длиной волны. Источники на основе кристаллов Tm:LuAG и Ho:YAG охватывают лишь малую часть этого диапазона (2.1 – 2.13 мкм), источники суперконтинуума и лазерные диоды характеризуются малой выходной мощностью, а их излучение  не когерентно. Таким образом, разработка лазерного источника излучения, перестраиваемого в диапазоне длин волн от 2100 нм до 2300 нм, представляется актуальной задачей.

В статье рассматривается экспериментальная схема и результаты измерений параметров мощности лазерного резонатора в двух конфигурациях. В качестве активной среды резонатора были выбраны кристаллы халькогенидов цинка, выращенные в лабораторных условиях (а также широко производимых компанией MetaLaser). Халькогениды цинка с примесью иона-активатора показали наибольшую эффективность в диапазоне 2100 – 2300 нм, так как их полосы усиления находятся именно в этом диапазоне.

Перестраиваемые ИК лазеры на основе кристаллов Cr²⁺:ZnSe

Кристаллы халькогенидов цинка ZnSe и ZnS, легированные ионами переходных металлов являются перспективными материалами для создания активных сред перестраиваемых твердотельных лазеров. В качестве активной среды для перестраиваемого лазера может быть выбран кристалл Cr²⁺:ZnSe от MetaLaser, поскольку данный кристалл имеет большее время жизни на верхнем рабочем уровне при комнатной и более высоких температурах.

Рисунок 1. Схема резонатора неселективного типа

Высококачественные оптические компоненты, которые могут быть использованы в схемах построения перестраиваемого лазерного резонатора, предоставляют компании  Edmund Optics и Thorlabs: в ассортименте зеркала, призмы, делители пучка и многое другое. Для установки, позиционирования и юстировки оптических элементов в схеме необходимо применение высокоточных оптомеханических компонентов.

На рис. 1 приведена трехзеркальная схема неселективного резонатора. Импульс накачки рабочей области, в качестве которой использовался кристалл Cr²⁺:ZnSe, подавался от лазерного диода, излучающего в ИК диапазоне спектра. Далее излучение направлялось высокоотражающими зеркалами и проходило сквозь линзу с просветляющим покрытием и фокусным расстоянием 75 мм. В качестве входного зеркала использовался мениск с радиусом кривизны 60 мм и пропусканием на длине волны накачки ~100% и в диапазоне длин волн 2.1 – 2.6 мкм ~2%. Вместо второго зеркала во избежание появления астигматизма использовалась просветленная в диапазоне 1.65 – 3 мкм линза с фокусным расстоянием 50 мм. В качестве выходного зеркала использовалось плоское зеркало.

На рис. 2 показаны результаты измерения выходной мощности Cr²⁺:ZnSe и поглощенной мощности накачки. В каталогах компаний Edmund Optics и Thorlabs представлены измерители мощности, оптимально подходящие для данной цели.

Рисунок 2. Зависимость выходной мощности перестраиваемого лазера на основе Cr²⁺:ZnSe  от поглощенной мощности накачки

Перестраивание длины волны в таком резонаторе можно осуществить двумя способами – с помощью дисперсионной призмы и дифракционной решетки.

Перестраивание длины волны в лазерном резонаторе с использованием дисперсионной призмы

Рисунок 3. Конфигурация перестраиваемого ИК лазера с дисперсионной призмой: пристраивание длины волны осуществляется путем поворота выходного зеркала

В конфигурации с дисперсионной призмой наибольшая длина волны генерируемого излучения составила 2180 нм. Далее коэффициент пропускания выходного частично пропускающего зеркала начал резко расти, что привело к ограничению диапазона перестройки лазера. На рис. 4а и 4б представлены экспериментальные результаты измерения зависимости мощности генерации от длины волны накачки и пропускания выходного зеркала. Требованиям точности проводимого эксперимента оптимально соответствуют измерители мощности Thorlabs или Edmund Optics и спектрометры Avantes, обладающие рабочим диапазоном длин волн от 1000 нм до 2500 нм.

Рисунок 4: а) Зависимость мощности генерации от длины волны; б) Зависимость пропускания выходного зеркала от длины волны
 

Перестраивание длины волны в лазерном резонаторе с использованием дифракционной решетки Литтроу

Для реализации второй схемы перестройки в конфигурации резонатора, показанного на рис. 2, выходное зеркало было заменено на дифракционную решетку Литтроу, принципиальная схема которой представлена на рис. 6а. Подобные решетки производят такие компании, как Edmund Optics, Thorlabs, Spectrogon.

Сформированная оптическая схема установки с дифракционной решеткой показана на рис. 5.  Как видно по экспериментальным данным, полученным с применением измерителя мощности и приведенным на рис. 6б, в данной конфигурации удалось достичь перестройки длины волны в диапазоне 2.1 – 2.3 мкм.  Полученная выходная мощность на длине волны 2.1 мкм оказалась равна 130 мВт, на длине волны 2.3 мкм – 360 мВт.

Рисунок 5. Схема перестраиваемого ИК лазера с дифракционной решеткой
 

Рисунок 6. а) Дифракционная решетка Литтроу; б) Зависимость мощности генерации электромагнитных волн от длины волны

Выводы

Хотя перестраиваемые лазеры для медицинских и биологических приложений могут быть реализованы различными способами, они имеют две общие особенности – среду, которая может создавать непрерывное излучение волн в широком диапазоне, и оптические элементы, позволяющие выделить определенную длину волны или полосу длин волн в этом диапазоне. Целесообразность применения кристаллов халькогенидов цинка, легированных ионами переходных металлов, в качестве активной среды обусловлена высокой эффективностью кристаллов в среднем ИК диапазоне, наиболее часто применяющимся в микроскопии и спектроскопии биологических тканей.

© Лазеры в науке, технике, медицине 30 (2019) 94

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции MetaLaser, Edmund Optics, Thorlabs, Avantes, Spectrogon на территории РФ