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

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

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.

1
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.

2
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

3
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.

4a4b.jpg
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 OpticsThorlabs, 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.

5
Рисунок 5. Схема перестраиваемого ИК лазера с дифракционной решеткой
 

6а6b.jpg
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, AvantesSpectrogon на территории РФ

 

 

Новые статьи
Характеристика свойств субхондральной кости человека с помощью спектроскопии в ближней инфракрасной области (БИК)

Дегенеративные заболевания суставов часто характеризуются изменениями свойств суставного хряща и субхондральной кости. Эти изменения часто связаны с толщиной субхондральной пластинки и морфологией трабекулярной кости. Таким образом, оценка целостности субхондральной кости может дать важные сведения для диагностики патологий суставов. В данном исследовании изучается потенциал оптической спектроскопии для характеристики свойств субхондральной кости человека. Образцы остеохондральной кости (n = 50 – количество образцов) были извлечены из коленного сустава трупа человека (n = 13) в четырех анатомических точках и подвергнуты БИК-спектроскопии(в ближней инфракрасной области). Затем образцы были исследованы с помощью микрокомпьютерной томографии для определения морфометрических характеристик субхондральной кости, включая: толщину пластинки (Sb.Th), толщину трабекул (Tb.Th), объемную долю (BV/TV) и индекс модели структуры (SMI). Связь между свойствами субхондральной кости и спектральными данными в 1-м (650 - 950 нм), 2-м (1100 - 1350 нм) и 3-м (1600-1870 нм) оптических окнах была исследована с помощью многомерного метода частичных наименьших квадратов (PLS) регрессии. Значимые корреляции (p < 0.0001) и относительно низкие ошибки прогнозирования были получены между спектральными данными в 1-м оптическом окне и Sb.Th (R2 = 92.3%, ошибка = 7.1%), Tb.Th (R2 = 88.4%, ошибка = 6.7%), BV/TV (R2 = 83%, ошибка = 9.8%) и SMI (R2 = 79.7%, ошибка = 10.8%). Таким образом, БИК-спектроскопия в 1-м тканевом оптическом окне способна характеризовать и оценивать свойства субхондральной кости и потенциально может быть адаптирована во время артроскопии.

Моделирование нервного волокна на основе оптического волновода

Миелинизированные аксоны являются многообещающими кандидатами для передачи нервных сигналов и света ввиду их волноводных структур. С другой стороны, с появлением таких заболеваний, как рассеянный склероз и нарушений формирования и передачи нервных сигналов из-за демиелинизации, понимание свойств миелинизированного аксона как волновода приобретает большую важность. Настоящее исследование направлено на то, чтобы показать, что профиль показателя преломления (ПП) миелинизированного аксона играет существенную роль в передаче лучей в нем. 

Оптимизация обнаружения сверхслабых световых потоков

В ходе исследования, описанного в данной статье, были объединены статистическая модель, анализ шумов детектора и эксперименты по калибровке. Согласно результатам, видимый свет может быть обнаружен с помощью ПЗС камеры с электронным умножителем с соотношением сигнал/шум, равным 3, для потоков с количеством фотонов менее 30 фотонов с−1 см−2.

Диагностика импульсного плазменного потока

Импульсные плазменные потоки в плазменных ускорителях широко используются для решения ряда научных и практических задач. Особый интерес среди применений импульсных плазменных потоков представляют термоядерный синтез и астрофизические исследования, например, экспериментальное исследование взаимодействия импульсного плазменного потока с материалами.

Полные высокопроизводительные настольные системы сканирования HSI PUSH-BROOM

Применение гиперспектральной визуализации заметно расширилось за последние годы. Тем не менее, остается общая проблема, а именно: предоставление полного интегрированного решения для фиксации 2-D гиперспектральных изображений в компактном настольном формате, которое предоставляет подробную спектральную информацию для определения компонентов, количества и их распределения в плоскости сканирования.

Автофлуоресцентная микроскопия — идентификация бактериальных сигналов на образцах горных пород
Распространенным методом обнаружения микробов в жидких и нежидких образцах является окрашивание флуоресцентными красителями, при котором образцы окрашиваются флуорофором, возбуждаемым фотонами от источника света. Флуорофоры — это молекулы, которые проявляют флуоресценцию, и могут быть биомолекулами естественного происхождения (в этом случае флуоресценция называется автофлуоресценцией), флуоресцентными красителями (синтезированными молекулами) или минералами. Конкретные применения красителей включают обнаружение и перечисление бактерий, визуализацию экспрессии генов и обнаружение биомолекул, которые иначе невозможно было бы отследить.
У Вас особенный запрос?
У Вас особенный запрос?
Весьма часто наши заказчики лучше нас знают, какое оборудование им нужно. В этом случае мы берём на себя общение с производителем, доставку и таможенную очистку, а также все вопросы гарантийного периода. Пожалуйста, заполните эту форму, и мы свяжемся с Вами, чтобы помочь решить любую Вашу задачу. Или позвоните нам по телефону +7(495)199-0-199
Форма заявки
Ваше имя: *
Ваше имя
Ваш e-mail: *
Ваш телефон: *
Ваш телефон
Наши
контакты
г. Москва, ул. Бутлерова, д. 17Б

г. Санкт-Петербург, улица Савушкина 83, корп. 3