Technologia laserów o wąskiej szerokości linii – część druga
W 1960 roku pierwszy na świecie laser rubinowy był laserem na ciele stałym, charakteryzującym się wysoką energią wyjściową i szerszym zakresem długości fali. Unikalna struktura przestrzenna lasera na ciele stałym zwiększa jego elastyczność w projektowaniu wyjść o wąskiej szerokości linii. Obecnie do głównych stosowanych metod należą: metoda krótkiej wnęki rezonansowej, metoda jednokierunkowej wnęki pierścieniowej, metoda wzorca wewnątrzwnękowego, metoda wnęki rezonansowej z trybem wahadła skrętnego, metoda objętościowej siatki Bragga oraz metoda zarodkowania.
Rysunek 7 przedstawia strukturę kilku typowych laserów półprzewodnikowych o pojedynczym trybie podłużnym.
Rysunek 7(a) przedstawia zasadę działania pojedynczego modu podłużnego selekcji w oparciu o standard FP z wnęką rezonansową. Oznacza to, że wąskie widmo transmisji standardu jest wykorzystywane do zwiększenia strat innych modów podłużnych, tak aby inne mody podłużne zostały odfiltrowane w procesie konkurencji modów ze względu na ich małą transmitancję, co pozwala na uzyskanie pojedynczego modu podłużnego. Ponadto, pewien zakres strojenia długości fali można uzyskać poprzez kontrolowanie kąta i temperatury standardu FP oraz zmianę interwału modów podłużnych. Rys. 7(b) i (c) przedstawiają niepłaski oscylator pierścieniowy (NPRO) oraz metodę wnęki rezonansowej z wahadłem skrętnym, użyte do uzyskania pojedynczego modu podłużnego. Zasada działania polega na tym, aby wiązka propagowała się w jednym kierunku w rezonatorze, skutecznie eliminując nierównomierny rozkład przestrzenny liczby cząstek odwróconych w zwykłej wnęce fali stojącej, a tym samym unikając wpływu efektu wypalania dziur przestrzennych w celu uzyskania pojedynczego modu podłużnego. Zasada selekcji modów 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, pełniąc rolę selekcji modów podłużnych, jak pokazano na rysunku 7(d).
Jednocześnie można łączyć kilka metod selekcji modów podłużnych w zależności od potrzeb, aby poprawić dokładność selekcji modów podłużnych, dodatkowo zawęzić szerokość linii lub zwiększyć intensywność konkurencji modów poprzez wprowadzenie nieliniowej transformacji częstotliwości i innych środków oraz rozszerzyć długość fali wyjściowej lasera podczas pracy przy 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) i pozwala uzyskać technologię wyjściową o niskim poziomie szumów i wąskiej szerokości linii. Jego zasada działania polega na tym, że poprzez oddziaływanie 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 ośrodków stałych 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 we wnęce, 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 doniesień na temat bardzo wąskiej szerokości linii wyjściowej rzędu Hz i sub-Hz.
W ostatnich latach w dziedzinie urządzeń Brillouina pojawiły się urządzenia z konstrukcją falowodowąfotonika mikrofalowai dynamicznie rozwijają się w kierunku miniaturyzacji, wysokiej integracji i wyższej rozdzielczości. Ponadto, w ciągu ostatnich dwóch lat, w oczy ludzkości wszedł również laser Brillouina, przeznaczony do zastosowań kosmicznych, oparty na nowych materiałach krystalicznych, takich jak diament. Jego innowacyjny przełom w mocy struktury falowodu i wąskie gardło kaskadowego SBS, moc lasera Brillouina do 10 W, stworzyły podwaliny pod rozszerzenie jego zastosowań.
Skrzyżowanie ogólne
Dzięki ciągłemu badaniu najnowocześniejszej wiedzy lasery o wąskiej szerokości linii stały się niezbędnym narzędziem w badaniach naukowych dzięki swojej doskonałej wydajności, jak na przykład interferometr laserowy LIGO do wykrywania fal grawitacyjnych, który wykorzystuje jednoczęstotliwościowy laser o wąskiej szerokości liniilaserz długością fali 1064 nm jako źródłem zarodkowym, a szerokość linii światła zarodkowego mieści się w granicach 5 kHz. Ponadto lasery o wąskiej szerokości z przestrajalną długością fali i bez przeskoku modu również wykazują duży potencjał zastosowań, szczególnie w komunikacji koherentnej, co może idealnie spełniać wymagania multipleksowania z podziałem długości fali (WDM) lub multipleksowania z podziałem częstotliwości (FDM) w zakresie przestrajania długości fali (lub częstotliwości) i oczekuje się, że staną się kluczowymi urządzeniami kolejnej 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 eksploracji nieznanego świata przez człowieka.
Czas publikacji: 29-11-2023