Technologia laserowa o wąskiej linii Część druga
W 1960 roku pierwszym na świecie laserem rubinowym był laser półprzewodnikowy, charakteryzujący się wysoką energią wyjściową i szerszym zakresem długości fali. Unikalna struktura przestrzenna lasera półprzewodnikowego sprawia, że jest on bardziej elastyczny w projektowaniu wyjścia o wąskiej szerokości linii. Obecnie główne wdrożone metody obejmują metodę krótkiej wnęki, metodę jednokierunkowej wnęki pierścieniowej, metodę standardu wewnątrzwnękowego, metodę wnęki wahadłowej skrętnej, metodę kratki Bragga objętości i metodę wtrysku zarodkowego.
Rysunek 7 przedstawia strukturę kilku typowych laserów półprzewodnikowych o pojedynczym trybie podłużnym.
Rysunek 7(a) przedstawia zasadę działania pojedynczego podłużnego wyboru modu na podstawie standardu FP w jamie, to znaczy wąskie widmo transmisji szerokości linii standardu jest używane do zwiększenia strat innych podłużnych modów, tak aby inne podłużne mody były filtrowane w procesie konkurencji modów ze względu na ich małą transmisję, tak aby uzyskać działanie pojedynczego podłużnego trybu. Ponadto pewien zakres wyjścia strojenia długości fali można uzyskać poprzez kontrolowanie kąta i temperatury standardu FP oraz zmianę interwału podłużnego trybu. RYS. 7(b) i (c) przedstawiają niepłaski oscylator pierścieniowy (NPRO) i metodę wnęki trybu wahadła skrętnego używane do uzyskania pojedynczego podłużnego wyjścia modowego. Zasada działania polega na tym, aby wiązka rozprzestrzeniała się w jednym kierunku w rezonatorze, skutecznie eliminując nierównomierny rozkład przestrzenny liczby odwróconych cząstek w zwykłej wnęce fali stojącej, a tym samym unikając wpływu efektu wypalania dziur przestrzennych w celu uzyskania pojedynczego podłużnego wyjścia modowego. Zasada selekcji trybu siatki Bragga (VBG) jest podobna do zasady stosowanej w laserach półprzewodnikowych i światłowodowych o wąskiej szerokości linii, o której wspomniano wcześniej. Oznacza to, że dzięki wykorzystaniu VBG jako elementu filtrującego, oscylator oscyluje przy określonej długości fali lub paśmie, co pozwala mu pełnić rolę selekcji trybu podłużnego, jak pokazano na rysunku 7(d).
Jednocześnie można łączyć kilka metod selekcji trybu podłużnego zgodnie z potrzebami w celu poprawy dokładności selekcji trybu podłużnego, dalszego zawężenia szerokości linii lub zwiększenia intensywności konkurencji trybów poprzez wprowadzenie nieliniowej transformacji częstotliwości i innych środków oraz rozszerzenia długości fali wyjściowej lasera podczas pracy w wąskiej szerokości linii, co jest trudne do zrobienia w przypadkulaser półprzewodnikowyIlasery światłowodowe.
(4) Laser Brillouina
Laser Brillouina opiera się na efekcie wymuszonego rozpraszania Brillouina (SBS), co pozwala na uzyskanie technologii wyjściowej o niskim poziomie szumów i wąskiej szerokości linii. Jego zasada działania polega na tym, że za pomocą oddziaływania fotonów i wewnętrznego pola akustycznego powstaje pewne przesunięcie częstotliwości fotonów Stokesa. Laser jest stale wzmacniany w całym paśmie wzmocnienia.
Rysunek 8 przedstawia diagram poziomów konwersji SBS i podstawową strukturę lasera Brillouina.
Ze względu na niską częstotliwość drgań pola akustycznego, przesunięcie częstotliwości Brillouina materiału wynosi zwykle tylko 0,1-2 cm-1, więc przy laserze 1064 nm jako świetle pompującym, generowana długość fali Stokesa wynosi często tylko około 1064,01 nm, ale oznacza to również, że wydajność konwersji kwantowej jest niezwykle wysoka (teoretycznie do 99,99%). Ponadto, ponieważ szerokość linii wzmocnienia Brillouina ośrodka wynosi zwykle tylko rzędu MHz-ghz (szerokość linii wzmocnienia Brillouina niektórych stałych ośrodków wynosi tylko około 10 MHz), jest ona znacznie mniejsza niż szerokość linii wzmocnienia substancji roboczej lasera rzędu 100 GHz, więc wzbudzony Stokes w laserze Brillouina może wykazywać oczywiste zjawisko zwężania widma po wielokrotnym wzmocnieniu w jamie, a szerokość jego linii wyjściowej jest o kilka rzędów wielkości węższa niż szerokość linii pompującej. Obecnie laser Brillouina stał się przedmiotem zainteresowania badawczego w dziedzinie fotoniki. Pojawiło się wiele raportów na temat niezwykle wąskiej szerokości linii wyjściowej rzędu Hz i sub-Hz.
W ostatnich latach w dziedzinie urządzeń Brillouina pojawiły się urządzenia z konstrukcją falowodowąfotonika mikrofalowai rozwijają się szybko w kierunku miniaturyzacji, wysokiej integracji i wyższej rozdzielczości. Ponadto, laser Brillouina działający w kosmosie, oparty na nowych materiałach krystalicznych, takich jak diament, również wszedł w ludzkie widzenie w ciągu ostatnich dwóch lat, jego innowacyjny przełom w mocy struktury falowodu i wąskim gardle kaskady SBS, moc lasera Brillouina do wielkości 10 W, kładąc podwaliny pod rozszerzenie jego zastosowania.
Ogólne skrzyżowanie
Dzięki ciągłemu badaniu najnowocześniejszej wiedzy lasery o wąskiej szerokości linii stały się niezbędnym narzędziem w badaniach naukowych dzięki swojej doskonałej wydajności, jak np. interferometr laserowy LIGO do wykrywania fal grawitacyjnych, który wykorzystuje jednoczęstotliwościową wąską linięlaserz długością fali 1064 nm jako źródłem początkowym, a szerokość linii światła początkowego mieści się w granicach 5 kHz. Ponadto lasery o wąskiej szerokości z możliwością strojenia długości fali i bez przeskoku trybu również wykazują duży potencjał zastosowań, szczególnie w komunikacji spójnej, co może doskonale spełniać potrzeby multipleksowania z podziałem długości fali (WDM) lub multipleksowania z podziałem częstotliwości (FDM) w zakresie strojenia długości fali (lub częstotliwości) i oczekuje się, że staną się podstawowym urządzeniem następnej generacji technologii komunikacji mobilnej.
W przyszłości innowacje w zakresie materiałów laserowych i technologii przetwarzania będą przyczyniać się do dalszego kompresowania szerokości linii laserowej, poprawy stabilności częstotliwości, rozszerzenia zakresu długości fal i poprawy mocy, torując drogę do ludzkiej eksploracji nieznanego świata.
Czas publikacji: 29-11-2023