Вузькосмугова лазерна технологія. Частина друга
У 1960 році перший у світі рубіновий лазер був твердотільним лазером, що характеризувався високою вихідною енергією та ширшим охопленням довжин хвиль. Унікальна просторова структура твердотільного лазера робить його більш гнучким у проектуванні вузькоширинного випромінювання. Наразі основні методи, що застосовуються, включають метод короткого резонатора, метод одностороннього кільцевого резонатора, внутрішньорезонаторний стандартний метод, метод резонатора з торсійним маятником, метод об'ємної брегівської решітки та метод введення затравки.
На рисунку 7 показано структуру кількох типових одномодових твердотільних лазерів.
На рисунку 7(a) показано принцип роботи вибору однієї поздовжньої моди на основі внутрішньорезонаторного FP стандарту, тобто вузький спектр пропускання ширини лінії стандарту використовується для збільшення втрат інших поздовжніх мод, завдяки чому інші поздовжні моди фільтруються в процесі конкуренції мод через їх малий коефіцієнт пропускання, що дозволяє досягти роботи однієї поздовжньої моди. Крім того, певний діапазон налаштування довжини хвилі можна отримати, контролюючи кут і температуру FP стандарту та змінюючи інтервал поздовжньої моди. На рисунку 7(b) та (c) показано неплоский кільцевий генератор (NPRO) та метод резонатора з крутильним маятником, що використовуються для отримання вихідної одиничної поздовжньої моди. Принцип роботи полягає в тому, щоб забезпечити поширення променя в одному напрямку в резонаторі, ефективно усунути нерівномірний просторовий розподіл кількості обернених частинок у звичайному резонаторі стоячої хвилі та таким чином уникнути впливу просторового ефекту випалювання дірок для досягнення вихідної одиничної поздовжньої моди. Принцип селекції мод об'ємної брагівської решітки (VBG) подібний до принципу напівпровідникових та волоконних лазерів з вузькою шириною лінії, згаданих раніше, тобто, використовуючи VBG як фільтруючий елемент, завдяки його добрій спектральній селективності та кутовій селективності, генератор коливається на певній довжині хвилі або в смузі для досягнення ролі поздовжнього селективу мод, як показано на рисунку 7(d).
Водночас, кілька методів поздовжнього вибору моди можна комбінувати відповідно до потреб для покращення точності поздовжнього вибору моди, подальшого звуження ширини лінії або збільшення інтенсивності конкуренції мод шляхом введення нелінійного перетворення частоти та інших засобів, а також розширення вихідної довжини хвилі лазера під час роботи з вузькою шириною лінії, що важко зробити длянапівпровідниковий лазеріволоконні лазери.
(4) Бріллюенівський лазер
Бріллюенівський лазер базується на ефекті стимульованого розсіювання Бріллюена (ВРМБ) для отримання низькошумної технології виведення з вузькою шириною лінії. Його принцип полягає в тому, що взаємодія фотона та внутрішнього акустичного поля створює певний зсув частоти стоксових фотонів, і він безперервно посилюється в межах смуги посилення.
На рисунку 8 показано діаграму рівнів перетворення ВРМБ та базову структуру лазера Бріллюена.
Через низьку частоту коливань акустичного поля, зсув частоти Бріллюена матеріалу зазвичай становить лише 0,1-2 см-1, тому з лазером 1064 нм як світлом накачування, генерована довжина хвилі Стокса часто становить лише близько 1064,01 нм, але це також означає, що його ефективність квантового перетворення надзвичайно висока (теоретично до 99,99%). Крім того, оскільки ширина лінії посилення Бріллюена середовища зазвичай становить лише порядку МГц-ГГц (ширина лінії посилення Бріллюена деяких твердих середовищ становить лише близько 10 МГц), вона значно менша за ширину лінії посилення робочої речовини лазера порядку 100 ГГц, тому стоксівське випромінювання, збуджене в лазері Бріллюена, може демонструвати очевидне явище звуження спектру після багаторазового посилення в резонаторі, а ширина його вихідної лінії на кілька порядків менша за ширину лінії накачування. Наразі лазер Бріллюена став дослідницькою гарячою точкою в галузі фотоніки, і було багато повідомлень про порядок Гц та субГц надзвичайно вузької ширини лінії виходу.
В останні роки в галузі з'явилися прилади Бріллюена з хвилеводною структуроюмікрохвильова фотоніка, і швидко розвиваються в напрямку мініатюризації, високої інтеграції та вищої роздільної здатності. Крім того, космічний лазер Бріллюена на основі нових кристалічних матеріалів, таких як алмаз, також потрапив у поле зору людей за останні два роки, його інноваційний прорив у потужності хвилеводної структури та вузькому місці каскадного ВРМБ, потужність лазера Бріллюена до 10 Вт, закладаючи основу для розширення його застосування.
Загальний перехрестя
Завдяки постійному дослідженню передових знань, лазери з вузькою шириною лінії стали незамінним інструментом у наукових дослідженнях завдяки своїм чудовим характеристикам, таким як лазерний інтерферометр LIGO для виявлення гравітаційних хвиль, який використовує одночастотну вузьку ширину лінії.лазерз довжиною хвилі 1064 нм як джерелом початкового випромінювання, а ширина лінії початкового випромінювання знаходиться в межах 5 кГц. Крім того, лазери вузької ширини з налаштуванням довжини хвилі та без стрибка моди також демонструють великий потенціал застосування, особливо в когерентному зв'язку, що може ідеально задовольнити потреби мультиплексування з поділом довжини хвилі (WDM) або мультиплексування з поділом частоти (FDM) для налаштування довжини хвилі (або частоти), і очікується, що вони стануть основним пристроєм наступного покоління технологій мобільного зв'язку.
У майбутньому інновації в галузі лазерних матеріалів та технологій обробки сприятимуть подальшому стисканню ширини лазерної лінії, покращенню стабільності частоти, розширенню діапазону довжин хвиль та покращенню потужності, що відкриє шлях для дослідження людиною невідомого світу.
Час публікації: 29 листопада 2023 р.