Технологія лазера з вузькою шириною лінії. Частина друга
У 1960 році першим у світі рубіновим лазером був твердотільний лазер, який характеризувався високою вихідною енергією та більшим охопленням довжини хвилі. Унікальна просторова структура твердотільного лазера робить його більш гнучким у розробці вихідного сигналу з вузькою шириною лінії. На даний момент основні застосовані методи включають метод короткої порожнини, метод односторонньої кільцевої порожнини, внутрішньопорожнинний стандартний метод, метод порожнини в режимі крутильного маятника, метод об’ємної решітки Брегга та метод ін’єкції затравки.
На рисунку 7 показано структуру кількох типових одномодових поздовжньо-модових твердотільних лазерів.
На малюнку 7(a) показано принцип роботи вибору єдиної поздовжньої моди на основі внутрішнього стандарту FP, тобто вузький спектр пропускання стандарту за шириною лінії використовується для збільшення втрат інших поздовжніх мод, так що інші поздовжні моди відфільтровуються в процесі конкуренції мод завдяки їхньому малому коефіцієнту пропускання, щоб досягти роботи в одному поздовжньому режимі. Крім того, можна отримати певний діапазон налаштування довжини хвилі, керуючи кутом і температурою стандарту FP і змінюючи інтервал повздовжньої моди. ФІГ. 7(b) і (c) показують неплоский кільцевий осцилятор (NPRO) і метод резонатора з крутильно-маятниковою модою, що використовується для отримання одного вихідного сигналу поздовжньої моди. Принцип роботи полягає в тому, щоб змусити промінь поширюватися в одному напрямку в резонаторі, ефективно усунути нерівномірний просторовий розподіл кількості зворотних частинок у звичайній порожнині стоячої хвилі, і таким чином уникнути впливу ефекту спалювання просторового отвору для досягнення вихід в одному поздовжньому режимі. Принцип вибору режиму об’ємної бреггівської решітки (VBG) подібний до принципу напівпровідникових і волоконних лазерів із вузькою шириною лінії, згаданих раніше, тобто завдяки використанню VBG як фільтруючого елемента, заснованого на його хорошій спектральній селективності та кутовій селективності, осцилятор коливається на певній довжині хвилі або діапазоні, щоб досягти ролі поздовжнього вибору моди, як показано на малюнку 7(d).
У той же час кілька методів вибору поздовжньої моди можна комбінувати відповідно до потреб для підвищення точності вибору поздовжньої моди, подальшого звуження ширини лінії або збільшення інтенсивності конкуренції мод шляхом введення нелінійного перетворення частоти та інших засобів, а також розширення вихідної довжини хвилі лазер під час роботи у вузькій ширині лінії, що важко зробитинапівпровідниковий лазеріволоконних лазерів.
(4) Лазер Бріллюена
Лазер Бріллюена заснований на ефекті вимушеного розсіювання Бріллюена (SBS) для отримання технології виведення з низьким рівнем шуму та вузькою шириною лінії. Його принцип полягає в взаємодії фотона та внутрішнього акустичного поля, щоб створити певний зсув частоти фотонів Стокса, і безперервно посилюється в межах отримати пропускну здатність.
На малюнку 8 показана діаграма рівнів SBS-перетворення та базова структура 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 накачки 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 порядок МГц-гГц (ширина лінії посилення Бріллюена деяких твердих середовищ становить лише близько 10 МГц), вона набагато менша, ніж ширина лінії посилення робочої речовини лазера. порядку 100 ГГц, отже, Стоксове збудження в лазері Бріллюена може демонструвати явне явище звуження спектру після багаторазового підсилення в резонаторі, а його ширина вихідної лінії на кілька порядків вужча за ширину лінії накачки. В даний час лазер Бріллюена став дослідницькою точкою в області фотоніки, і було багато повідомлень про Гц і суб-Гц порядок надзвичайно вузької ширини вихідної лінії.
Останніми роками 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, заснований на нових кристалічних матеріалах, таких як алмаз, також увійшов у поле зору людей за останні два роки, його інноваційний прорив у потужності хвилевідної структури та каскадного вузького місця SBS, потужність лазера Бріллюена до 10 Вт, закладаючи основу для розширення його застосування.
Загальна розв'язка
Завдяки безперервному дослідженню передових знань лазери з вузькою шириною лінії стали незамінним інструментом у наукових дослідженнях завдяки своїй чудовій продуктивності, наприклад, лазерний інтерферометр LIGO для виявлення гравітаційних хвиль, який використовує одночастотну вузьку лінію.лазерз довжиною хвилі 1064 нм як джерело затравки, а ширина лінії затравкового світла знаходиться в межах 5 кГц. Крім того, лазери з вузькою шириною діапазону з можливістю налаштування довжини хвилі та без стрибка моди також демонструють великий потенціал застосування, особливо в когерентному зв’язку, який може ідеально задовольнити потреби мультиплексування з розділенням по довжині хвилі (WDM) або мультиплексування з частотним поділом (FDM) для довжини хвилі (або частоти). ) настроюваність і, як очікується, стане основним пристроєм наступного покоління технології мобільного зв’язку.
У майбутньому інновації лазерних матеріалів і технології обробки сприятимуть стисненню ширини лазерної лінії, покращенню стабільності частоти, розширенню діапазону довжин хвиль і покращенню потужності, прокладаючи шлях для дослідження людиною невідомого світу.
Час публікації: 29 листопада 2023 р