Сапфир легированный титаном широко распространенная в перестраиваемых и фемтосекундных лазерах активная среда на переходах металла. Лазер на Ti:sapphire впервые продемонстрирован в 1986 году и быстро заменил лазеры на красителях, доминировавших в области ультракоротких импульсов и широкой перестройки длины волны. Также широко используются в лабораториях для исследования твердотельных активных сред, так как длина волны может быть настроена на линию поглощения, обладает высокой стабильностью и яркостью.

Свойства Ti:сапфира

• Сапфир (монокристалл Al2O3) имеет превосходную теплопроводность, нивелируя бо льшинство термических эффектов даже при больших мощностях и интенсивностях.
• Ион Ti3+ имеет очень широкую полосу усиления (гораздо большую, чем ионы редкозе мельных металлов), что позволяет получать импульсы излучения экстремально короткой длительности и широко перестраивать длину волны излучения (обычно с помощью двулучепреломляющего тюнера). Максимум усил ения и эффективность получены на длине волны порядка 800нм. Возможный диапазон перестройки 650нм~1100нм, однако для использования всего дипазоны требуется набор взаимозаменяемых резонаторных зеркал, что технически тяжело реализуемо. Число наборов зеркал может быть уменьшено с помощью широкополосных чирп-зеркал.
• Дипазон длин волн накачки также достаточно широк, но расположен почти целиком в зеленой спектральной области, в которой высокомощные лазерные диоды еще не существуют. В большинстве случаев используется источник накачки мощности в несколько ватт, порой до 20Вт. Изначально титан сапфировые лазеры накачивались ионными аргоновыми лазерами с длиной волны 514нм. Эти лазеры обладают большой мощностью, однако очень малым КПД, дороги в обслуживании и крупногабаритны. В настоящее время чаще используются DPSS лазеры на неодиме с нелинейным удвоением частоты и длиной волны 532нм, эффективность нак ачки на этой длине волны чуть хуже, чем на 514нм.
• Время жизни верхнего уровня Ti:sapphire мало (3.2мкс), мощность насыщения очень высока. Излучение накачки должно обладать большой интенсивностью, поэтому его фокусируют в малую точку, что требует источника накачки с высоким качеством пучка.
• Несмотря на широкую полосу излучения, титан сапфир обладает относительно большим сечением излучения, что снижает эффекты нестабильности модуляции добротности.

Кристаллы титан сапфира могут содержать некоторое количество нежелательных ионов Ti4+, приводящих к паразитному поглощению, потере эффективности.

Генерация импульсов

Ультракороткие импульсы титан сапфировых лазеров получают с помошью пассивной синхронизации мод, обычно с помощью линзы Керра. В сочетнаии с SESAM достигают надежного старта процесса ген

ерации импульсов. Коммерческие лазеры обычно имеют длительность порядка 100фс.

Доступны модели с длительностью импульса поряжка 10фс. Для столь коротких импульсов необходимо использовать компенсацию дисперсии с помощью двух-чирпованных зеркал.

Типичная средняя мощность титан сапфировых лазеров с синхронизацией мод составляет 0.3-1Вт, непрерывных лазеров – порядка нескольких ватт. Типичная частота следования импульсов – 80МГц, однако доступны модели с частотой порядка гигагерцев, такие источники используются в качестве генераторов comb функции. Также широко распространены титан сапфировые лазеры с перестройкой длины волны.

Если требования к длительности импульса и выходной мощности снижены, вместо Ti:сапфира могут использоваться лазеры на основе Cr:LiSAF или Cr:LiCAF, которые эффективно накачиваются полупроводниковыми лазерами с красной длиной волны. Также могут использоваться лазеры на волокне.

Ti:сапфир также часто используется в качестве многопроходных усилителей и регенерационных усилителей. С использованием техники чирпированного усиления могут быть получены рекордные пиковые мощности до нескольких терраватт и даже до петтаватт. Такие огромные мощности интересны

для реализации эстремальных режимов в нелинейной оптике, для генеарации

гармоник высших порядков и для ядерных исследований.

Преобразование частот

Широкий дипазон длин волн титан-сапфирового лахера может быть расширен с помошью нелинейной генарации гармоник. С помошью ГВГ получают синие, УФ и зеленые спектры. С помошью параметрических генератов получают широкий дипазон престройки в ближней и средней ИК областях. Для перестройки часто перестраивают саму длину волны титан сапфирового лазера а не параметрический генератор.

Основные свойства:

Таблица параметром активных цилиндрических элементов из Ti:сапфир:

Так как титан сапфир обладает широким спектром поглощения и излучения, покрытия изготавливаются по заказу. Заказчик должен указать требуемые диапазоны поглощения (обычно 532нм) и излучения (обычно широкий диапазон 660-1050нм).