ليزر قابل للضبط

لا يوجد ليزر حقيقي أحادي اللون تمامًا ؛ فجميع أنواع الليزر قادرة على إصدار ضوء ضمن نطاق ترددي معين، يُعرف بعرض خط انتقال الليزر. في معظم أنواع الليزر، يكون عرض الخط هذا ضيقًا جدًا (على سبيل المثال، يبلغ عرض خط انتقال الطول الموجي 1064  نانومتر لليزر Nd:YAG حوالي 120  جيجاهرتز، أو 0.45  نانومتر ^{[ 5 ]} ). ويمكن ضبط خرج الليزر ضمن هذا النطاق عن طريق وضع عناصر بصرية انتقائية للطول الموجي (مثل الإيتالون ) داخل تجويف الليزر البصري ، وذلك لاختيار نمط طولي معين للتجويف.

تتميز معظم وسائط تضخيم الليزر بوجود عدد من أطوال موجات الانتقال التي يمكن من خلالها تشغيل الليزر. فعلى سبيل المثال، بالإضافة إلى خط الخرج الرئيسي عند 1064  نانومتر، يمتلك ليزر Nd:YAG انتقالات أضعف عند أطوال موجية 1052  نانومتر، و1074  نانومتر، و 1112  نانومتر، و 1319  نانومتر، وعدد من الخطوط الأخرى. ^{[ 6 ]} عادةً، لا تعمل هذه الخطوط إلا إذا تم كبح تضخيم أقوى انتقال، كما هو الحال عند استخدام مرايا عازلة انتقائية للطول الموجي . عند إدخال عنصر تشتيت ، مثل الموشور ، في التجويف البصري، يمكن أن يؤدي إمالة مرايا التجويف إلى ضبط الليزر أثناء "قفزه" بين خطوط الليزر المختلفة. تُعد هذه المخططات شائعة في ليزرات أيون الأرجون ، مما يسمح بضبط الليزر على عدد من الخطوط من الأشعة فوق البنفسجية والزرقاء وصولاً إلى الأطوال الموجية الخضراء .

في بعض أنواع الليزر، يمكن تعديل طول تجويف الليزر، مما يسمح بضبطه باستمرار ضمن نطاق واسع من الأطوال الموجية. تستخدم ليزرات أشباه الموصلات ذات التغذية المرتدة الموزعة ( DFB) وليزر انبعاث السطح ذو التجويف الرأسي (VCSEL) هياكل عاكس براغ الموزعة (DBR) الدورية لتشكيل مرايا التجويف البصري. عند تغيير درجة حرارة الليزر، يؤدي تغير معامل انكسار هيكل DBR إلى انزياح في ذروة طول موجة الانعكاس، وبالتالي في طول موجة الليزر. يتراوح نطاق ضبط هذه الليزرات عادةً بين بضعة نانومترات، بحد أقصى يبلغ حوالي 6 نانومترات، عند تغيير درجة حرارة الليزر بمقدار 50 كلفن تقريبًا . وكقاعدة عامة، يتم ضبط الطول الموجي بمقدار 0.08 نانومتر/كلفن لليزر DFB الذي يعمل في نطاق 1550 نانومتر. تُستخدم هذه الليزرات بشكل شائع في تطبيقات الاتصالات الضوئية، مثل أنظمة DWDM ، للسماح بضبط طول موجة الإشارة. للحصول على ضبط واسع النطاق باستخدام هذه التقنية، تحتوي بعض الشركات مثل شركة سانتور أو شركة نيبون للتلغراف والهاتف (NTT Corporation) ^{[ 7 ]} على مجموعة من هذه الليزرات على شريحة واحدة وتجمع نطاقات الضبط.   

تتميز ليزرات عاكس براغ الموزعة ذات محزز العينة (SG-DBR) بنطاق ضبط أوسع بكثير؛ فباستخدام مرايا براغ القابلة للضبط الدقيق وقسم الطور،  يمكن اختيار نطاق خرج أحادي النمط يزيد عن 50 نانومتر. ومن التقنيات الأخرى لتحقيق نطاقات ضبط واسعة لأنظمة DWDM ^{[ 8 ]} ما يلي:

• الليزر ذو التجويف الخارجي الذي يستخدم بنية MEMS لضبط طول التجويف، مثل الأجهزة التي تسوقها شركة Iolon .
• ليزرات التجويف الخارجي التي تستخدم ترتيبات محززات متعددة الموشورات لضبط النطاق الواسع. ^{[ 9 ]}
• تعتمد مصفوفات ليزر DFB على عدة ليزرات DFB مضبوطة حرارياً، حيث يتم الضبط الأولي عن طريق اختيار شريط الليزر المناسب. ثم يتم الضبط الدقيق حرارياً، كما هو الحال في الأجهزة التي تسوقها شركة سانتور .
• تتميز ليزرات VCSEL القابلة للضبط بأن إحدى مجموعتي المرايا فيها قابلة للتحريك. ولتحقيق قدرة خرج كافية من بنية VCSEL، تُضخ الليزرات في نطاق 1550  نانومتر عادةً إما ضوئيًا أو تحتوي على مضخم ضوئي إضافي مدمج في الجهاز.

بدلاً من وضع مرايا الرنين على حواف الجهاز، تُوضع المرايا في ليزر VCSEL على السطحين العلوي والسفلي لمادة أشباه الموصلات. ومن المثير للدهشة أن هذه المرايا عادةً ما تكون من نوع DBR. يؤدي هذا الترتيب إلى "انعكاس" الضوء عموديًا في شريحة الليزر، بحيث يخرج الضوء من أعلى الجهاز بدلاً من حافته. ونتيجةً لذلك، تُنتج ليزرات VCSEL حزمًا ضوئية أكثر دائرية من نظيراتها، وحزمًا لا تتباعد بنفس السرعة. ^{[ 10 ]}

اعتبارًا من ديسمبر 2008 ، لم يعد هناك ليزر VCSEL قابل للضبط على نطاق واسع متاح تجاريًا لتطبيقات أنظمة DWDM .

يُزعم أن أول ليزر يعمل بالأشعة تحت الحمراء مع إمكانية ضبط تردده لأكثر من أوكتاف واحد كان ليزر بلوري من الجرمانيوم. ^{[ 11 ]}

تتميز تطبيقات الليزر القابل للضبط باتساعها الهائل. فعند اقترانه بالمرشح المناسب، يمكن ضبط مصدر الليزر القابل للضبط على مدى بضع مئات من النانومترات ^{[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]} بدقة طيفية تتراوح من 4  نانومتر إلى 0.3  نانومتر، وذلك تبعًا لنطاق الطول الموجي . ومع عزل جيد بما يكفي (أكبر من OD4)، يمكن استخدام مصادر الليزر القابلة للضبط في دراسات الامتصاص والتألق الضوئي الأساسية . كما يمكن استخدامها في توصيف الخلايا الشمسية في تجربة التيار المستحث بواسطة شعاع الضوء (LBIC)، والتي من خلالها يمكن تحديد الكفاءة الكمية الخارجية (EQE) للجهاز. ^{[ 15 ]} ويمكن استخدامها أيضًا في توصيف جسيمات الذهب النانوية ^{[ 16 ]} ومزدوجات الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار الحرارية ، ^{[ 17 ]} حيث يُعد نطاق الضبط الواسع من 400 نانومتر إلى 1000 نانومتر أمرًا بالغ الأهمية. استُخدمت المصادر القابلة للضبط مؤخرًا لتطوير التصوير الطيفي الفائق للكشف المبكر عن أمراض الشبكية، حيث يتطلب الأمر نطاقًا واسعًا من الأطوال الموجية، وعرض نطاق ترددي ضيق، وعزلًا ممتازًا لتحقيق إضاءة فعالة للشبكية بأكملها . [ ^{18 ] [ 19 ] ويمكن} أن تكون المصادر القابلة للضبط أداةً فعّالة في مجالات عديدة، منها على سبيل المثال لا الحصر : مطيافية الانعكاس والنفاذ ، وعلم الأحياء الضوئي ، ومعايرة الكاشفات، والتصوير الطيفي الفائق، وتجارب الضخ والاستشعار في الحالة المستقرة .  

كان ليزر الصبغة أول ليزر قابل للضبط على نطاق واسع في عام 1966. ^{[ 20 ] [ 21 ]} وقدّم هانش أول ليزر قابل للضبط ذي عرض خط طيفي ضيق في عام 1972. ^{[ 22 ]} تتميز ليزرات الصبغة وبعض ليزرات الحالة الصلبة الاهتزازية بنطاقات تردد واسعة للغاية، مما يسمح بالضبط على مدى يتراوح من عشرات إلى مئات النانومترات. ^{[ 23 ]} يُعدّ الياقوت المُطعّم بالتيتانيوم أكثر ليزرات الحالة الصلبة القابلة للضبط شيوعًا، وهو قادر على العمل بأطوال موجية تتراوح من 670  نانومتر إلى 1100  نانومتر. ^{[ 24 ]} عادةً ما تتضمن أنظمة الليزر هذه مرشح ليوت في تجويف الليزر، والذي يُدار لضبط الليزر. تشمل تقنيات الضبط الأخرى محززات الحيود، والموشورات، والمعايير، ومجموعات منها. ^{[ 25 ]} تُستخدم ترتيبات محززات متعددة الموشورات ، في عدة تكوينات، كما وصفها دوارتي ، في ليزرات الصمام الثنائي، وليزر الصبغة، وليزر الغاز، وغيرها من الليزرات القابلة للضبط. ^{[ 26 ]}